JP5218621B2 - 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、主に大電力で動作する半導体チップを搭載する回路基板、およびこれを用いた半導体モジュールの構造に関する。

近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する回路基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高いセラミックス基板に金属板を接合したものが広く使用されている。ここで、金属板はセラミックス基板の両面に接合され、その一面は金属回路板となり、他面は金属放熱板となる。金属回路板は、半導体チップに電気的に接続される配線としても機能する。

金属回路板は配線として機能するため、セラミックス基板には高い絶縁性も要求され、金属回路板には、低い電気抵抗率も要求される。このため、セラミックス基板としては、窒化アルミニウム（熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）、金属板としてはアルミニウム（熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ／Ｋ程度、電気抵抗率が３．５×１０^−８Ω・ｍ）が用いられた。しかしながら、窒化アルミニウムはその機械的強度が不充分であるため、近年はより機械的強度の高い窒化珪素（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）が代わりに用いられている。また、金属板としては、より高い熱伝導率と低い電気抵抗率をもつ銅または銅合金（熱伝導率が３００Ｗ／ｍ／Ｋ程度、電気抵抗率が１．７×１０^−８Ω・ｍ程度）が好ましく用いられている。

この回路基板上の金属回路板に半導体チップが接合され、半導体モジュールが形成される。金属回路板は、セラミックス基板の一面においてその全面を覆うことはなく、所定の配線パターンに加工される。一方、金属放熱板は、放熱を目的としてセラミックス基板に接合されている。そのため、セラミックス基板の他面においてほぼその全面を覆って形成される。また、実際にこの半導体モジュールが機器に搭載されるに際しては、この放熱板が、同様に熱伝導率の高い材料からなる放熱ベースに接合される。同一の金属板を金属放熱板と放熱ベースを兼ねてセラミックス基板に接合することもできる。この場合、セラミックス基板の一面には金属回路板が形成され、他面にはセラミックス基板よりも大きな面積を持った金属板が接合された形態となる。

この半導体モジュールを含む機器がＯＮの場合には半導体チップが高温となり、ＯＦＦの場合には常温となる。さらに、寒冷地においては−２０℃程度の厳寒な条件にも至ることもある。従って、通常の使用において、この半導体モジュールは、多数回の冷熱サイクルにさらされる。この半導体モジュールを構成する半導体チップ、セラミックス基板、金属放熱板（銅板）等の熱膨張率は異なる（例えば、半導体チップを構成するシリコンの熱膨張係数は３．０×１０^−６／Ｋ、銅は１７×１０^−６／Ｋ、窒化珪素は２．５×１０^−６／Ｋ程度）ため、これらを接合した場合、この冷熱サイクルに際しては、この熱膨張差に起因した歪みが発生する。この歪みの大きさや方向は、このサイクル中で変化する。このため、この半導体モジュールにおいては、冷熱サイクルによって、セラミックス基板や半導体チップが割れたり、半導体チップと金属回路板との接続部が破断することがあった。従って、この歪みによってこの半導体モジュールの冷熱サイクルに対する耐久性が劣化する。また、破壊を生じない場合でも、高温において放熱ベースとの接合部分で大きな反りが生ずると、熱伝導が悪くなり、放熱効率が低下する。

また、一般に、セラミックス基板と、金属回路板や金属放熱板となる金属板との接合はろう付けを用いて行われる。この接合に要する温度は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材を用いた場合には、７００℃以上であるため、この接合後に常温に戻った状態においては、この方法で製造された回路基板は、反りを生じている。従って、この回路基板を放熱ベースに接合して使用する場合、特に高温の場合でなくとも、これによって放熱効率が低下することがある。

こうした反りや冷熱サイクルに対する耐久性の劣化を改善するために、その構成を工夫した各種の回路基板または半導体モジュールが提案されている。

特許文献１に記載の回路基板においては、金属回路板と金属放熱板を熱膨張係数の異なる材料とした。さらに、特許文献２においては、これらをセラミックス基板に接合する方法や、その接合に用いるろう材の種類や厚さを金属回路板と金属放熱板で異なるものとした。これによって、熱膨張差に起因する歪みを減少させ、高い耐久性を得ることができた。

特許文献３には、さらにモールド樹脂までも含めた半導体モジュールの構造において、各構成要素の材料、構造を最適化して歪みを減少させ、高い耐久性を得ることができることが記載されている。この半導体モジュールの構造断面図を図１８に示す。この半導体モジュール３１においては、厚い金属ブロック３２がこの半導体モジュールの基体として形成されており、半導体チップ３３がフレーム３４を介して金属ブロック３２に接合されている。半導体チップ３３からの配線は、リード３５とボンディングワイヤ３６を介して、外部のケース３７に形成された外部端子３８と接続される。これらの構造はモールド樹脂３９で覆われている。ここで、金属ブロック３３とモールド樹脂３９の熱膨張係数は近いものとなっている。これらの構造の下部には、放熱ベース（図示せず）との間の絶縁を保つために絶縁基板（セラミックス基板）４０が接合される。ここでは、半導体モジュール３１の基体を熱伝導率の高い金属ブロック３２とし、配線は主にこの半導体パッケージ３１の外部に形成される。また、この半導体装置において複数の半導体チップがある場合、以上の構造の半導体パッケージ３１を半導体チップ毎に形成することによって、これらの熱膨張差に起因した歪みが低減される。絶縁基板４０はモールド樹脂３９を形成した後で例えば銀ペースト等によって低温で接合されるため、絶縁基板４０と金属ブロック３２等との熱膨張係数差に起因する歪みは常温ではほとんど生じない。以上により、この半導体装置においては、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を得ていた。

特開平７−４５９１５号公報 特開２００４−２０７５８７号公報 特開２００３−１００９８７号公報

しかしながら、近年のパワー半導体モジュールにおいては、その大電力化はさらに顕著になり、これらが使用される装置も、例えば電動自動車等、多岐にわたっている。この際、耐久性と放熱特性に加えて、この回路基板上の配線が大電力動作に適応することが求められる。すなわち、この配線が数百Ａ以上の大電流かつ数百Ｖ以上の大電圧に耐えるものである必要がある。このためには、配線（金属回路板）が低抵抗であることと、この配線と放熱ベース（機器）との間の絶縁性が高いことが必要である。

特許文献１、２に記載の回路基板においては、金属回路板と金属放熱板に熱膨張係数の異なる材料を用いるという制限がある。金属回路板の低抵抗化の観点からは、金属回路板の材料としては、電気抵抗率の小さな銅または銅合金が好ましい。また、回路基板の製造工程を単純化するためには、金属放熱板も同様に銅または銅合金であることが好ましい。しかしながら、特許文献１、２に記載の回路基板においては、両方に銅または銅合金を用いることは困難である。すなわち、配線（金属回路板）の低抵抗化は困難である。

特許文献３に記載の半導体モジュールにおいては、モールド樹脂が劣化しない程度の低温で絶縁基板を接合する必要がある。この際には、高温を要するろう付け等の手法を用いることは不可能であり、銀ペーストや接着剤が代わりに用いられる。これらを用いた場合には、接合の機械的強度が不充分であったり、この部分の熱抵抗が増大する。従って、半導体チップから金属ブロックまでの熱伝導は良好であるが、金属ブロックから外部の放熱効率は高くない。また、絶縁基板自身の絶縁耐圧が充分であっても、接合後の絶縁基板上ではこの銀ペースト等の存在のため、あるいは機械的強度が弱いために絶縁耐圧が劣化する。従って、この半導体モジュールを大電圧で動作させることは困難である。

従って、高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる半導体モジュールを得ることは困難であった。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、セラミックス基板の一面に金属回路板が形成され、他面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、 冷熱サイクル時における前記回路基板上の前記金属回路板の表面の歪み量／温度変化量、で定義される、前記金属回路板の表面の見かけの熱膨張係数が（３〜９）×１０^−６／Ｋ、冷熱サイクル時における前記回路基板上の前記金属放熱板の表面の歪み量／温度変化量、で定義される、前記金属放熱板の表面の見かけの熱膨張係数が（９〜１７）×１０^−６／Ｋの範囲であることを特徴とする回路基板に存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記金属回路板の厚さは前記金属放熱板の厚さよりも小さく、前記金属回路板の軟化点温度は前記金属放熱板の軟化点温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の回路基板に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記金属回路板の軟化点温度は４００〜９００℃の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の回路基板に存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記金属放熱板の軟化点温度は３００℃以上であることを特徴とする請求項２又は３に記載の回路基板に存する。
請求項５記載の発明の要旨は、前記金属回路板および前記金属放熱板の厚さが０．１〜１０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
請求項６記載の発明の要旨は、前記金属回路板の厚さをＴ_１、前記金属放熱板の厚さをＴ_２としたとき、１＜Ｔ_２／Ｔ_１≦１０であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
請求項７記載の発明の要旨は、常温における最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
請求項８記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
請求項９記載の発明の要旨は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回路基板に半導体チップが搭載された半導体モジュールであって、前記金属回路板に前記半導体チップが接合され、前記金属放熱板に放熱ベースが接合されたことを特徴とする半導体モジュールに存する。
請求項１０記載の発明の要旨は、前記放熱ベースが銅、アルミニウム、銅合金、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項９に記載の半導体モジュールに存する。

本発明は以上のように構成されているので、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる半導体モジュールを得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る回路基板の平面図および断面図である。 銅および銅合金の熱伝導率と軟化温度との関係を示した図である。 金属回路板と金属放熱板の表面の見かけの熱膨張係数を変えた回路基板における耐久性及び熱抵抗の評価結果を示す図である。 金属放熱板の厚さＴ_２を一定としたときの金属回路板表面の見かけの熱膨張係数と金属回路板の厚さＴ_１との関係を示す図である。 金属放熱板の厚さＴ_２を一定としたときの金属放熱板表面の見かけの熱膨張係数と金属回路板の厚さＴ_１との関係を示す図である。 金属回路板の厚さＴ_１を一定としたときの金属回路板表面の見かけの熱膨張係数と金属放熱板の厚さＴ_２との関係を示す図である。 金属回路板の厚さＴ_１を一定としたときの金属放熱板表面の見かけの熱膨張係数と金属放熱板の厚さＴ_２との関係を示す図である。 ０．６ｍｍ厚の銅合金Ｄを金属回路板に、１．５ｍｍ厚の無酸素銅Ａを金属放熱板に用いたときの金属回路板と金属放熱板の表面の熱膨張を測定した結果を示す図である。 ０．８ｍｍ厚の無酸素銅Ａを金属回路板に、１．０ｍｍ厚の無酸素銅Ａを金属放熱板に用いたときの金属回路板と金属放熱板の表面の熱膨張を測定した結果を示す図である。 金属回路板と金属放熱板の厚さを変えた回路基板において、熱抵抗と最大反り量との関係を調べた結果を示す図である。 金属回路板を同一とし、金属放熱板の厚さを一定としたときの、最大反り量の金属放熱板の軟化温度依存性を示す図である。 金属放熱板を同一とし、金属回路板の厚さを一定としたときの、最大反り量の金属回路板の軟化温度依存性を示す図である。 金属回路板と金属放熱板の厚さを変えた回路基板における耐久性及び熱抵抗の評価結果を示す図である。 金属回路板の材料および金属放熱板の材料を一定としたときの、金属回路板表面の見かけの熱膨張係数とＴ_２／Ｔ_１との関係を示す図である。 金属回路板の材料および金属放熱板の材料を一定としたときの、最大反り量とＴ_２／Ｔ_１との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。 実施例および比較例として作成した回路基板における金属回路板のパターン形状を示す図である。 従来の半導体モジュールの一例の構造の断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る回路基板は、その構造を最適なものとすることにより、これを用いた半導体モジュールにおいては、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を有する。特に、半導体モジュールが実際に機器に搭載された状態において、その放熱特性と耐久性を高くしている。また、金属回路板の低抵抗化および放熱ベースとの間の高い絶縁耐圧を得ることによって、搭載する半導体チップの大電力での動作を可能としている。この回路基板１の平面図およびそのＩ−Ｉにおける断面図が図１である。この回路基板１においては、セラミックス基板２の一面に厚さＴ_１の金属回路板３が、他面に厚さＴ_２の金属放熱板４が、それぞれろう材５を介して接合されている。また、金属回路板３と金属放熱板４はどちらも銅または銅合金の１種であるが、その材質は異なり、金属回路板３の軟化点温度は金属放熱板４の軟化点温度よりも高い。また、金属放熱板４の厚さＴ_２は金属回路板３の厚さＴ_１よりも大きい。

ここで、軟化点温度は以下の通りに定義される。銅または銅合金に保持時間１時間の熱処理を加えてビッカース硬度を測定する。この硬度と熱処理温度との関係を測定すると、温度の上昇に伴って、急激に硬度が減少し、硬度は常温時よりも低い値で飽和値をとる。このほぼ飽和値をとる温度が軟化点温度であり、具体的には、常温からの硬度の変化量が、常温での硬度とこの飽和値との差分の９５％となった温度を軟化点温度とした。

セラミックス基板２としては、高い熱伝導率、絶縁性、および機械的強度を有し、厚い金属回路板３を接合できる材料として、各種のものを用いることができる。中でも、窒化珪素セラミックスが特に好ましい。具体的には、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度以上、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度以上である窒化珪素セラミックスが好ましい。熱伝導率がこれよりも小さい場合には回路基板の熱抵抗が大きくなることがある。３点曲げ強度や破壊靱性値がこれよりも小さな場合には、回路基板の製造時や冷熱サイクルによって発生する歪みによってクラックが発生する可能性がある。例えば、その厚さは０．３ｍｍであり、大きさは３０ｍｍ×５０ｍｍである。特にその大きさについてはその用途によって適宜決定される。さらに放熱性を向上させるためには、その厚さは、０．２ｍｍあるいは０．１ｍｍとすることが望ましい。

金属回路板３は銅または銅合金であり、セラミックス基板２の一面（図１中では上面）に形成されている。金属回路板３はこの上に搭載される半導体チップ（図示せず）と機械的および電気的に接続され、セラミックス基板２上でその配線となる。従って、金属回路板３はこの配線となるパターンで形成されており、例として図１中では３つの分離したパターンとなっている。また、金属回路板３は半導体チップとこの回路基板１との接点ともなるため、半導体チップからの熱をこの回路基板１に伝導させ、その放熱も行なう。金属回路板３の厚さは金属放熱板４の厚さよりも小さくなっている。また、はんだ濡れ性の確保やワイヤボンディングを容易にするために、金属回路板３の最表面にはＮｉ−Ｐメッキが施してあることが好ましい。

金属放熱板４は銅または銅合金であり、セラミックス基板２の他面（図１中では下面）に形成されている。金属放熱板４と半導体チップとは電気的に接続されないため、配線としての機能は有さない。一方、半導体チップから金属回路板３を介してこのセラミックス基板２に伝導した熱は、この金属放熱板４を介して放熱される。このため、金属放熱板４は、その放熱効率を高くするべく、セラミックス基板２のほぼ全面にわたり一様に形成されている場合が多く、一般的にはその総面積は金属回路板３よりも大きい。また、金属放熱板４の面積がセラミックス基板２の面積よりも大きくともよい。また、この回路基板１が半導体パッケージを構成して機器に搭載される場合には、金属放熱板４が放熱ベースに接合される。また、はんだ濡れ性の確保のために、金属回路板３と同様に、金属放熱板４の最表面にはＮｉ−Ｐメッキが施してあることが好ましい。

金属回路板３および金属放熱板４として用いられる銅または銅合金の例について、その種類および軟化点温度、熱伝導率、熱膨張係数、ヤング率を示したのが表１である。ここでは無酸素銅としてＡ（Ｃ１０２０−１／２Ｈ）、Ｂ（Ｃ１０２０−ＥＨ）の２種類と、銅合金としてＣ〜Ｇの５種類を例として示した。ここでは参考としてセラミックス基板２となる窒化珪素セラミックスについての値も示してある。ここに示したものは一例であるが、図２にその熱伝導率と軟化点温度の関係を示すように、無酸素銅を含めた一般的な傾向として、軟化点温度が高い材料ほど熱伝導率が低い。銅合金の軟化点温度を制御することは、銅にニッケル、スズおよび鉄などを微量添加し、熱処理にともなう再結晶粒子の成長を抑制することで達成される。この場合、銅の結晶粒子中に添加元素が固溶し、結晶自身の熱伝導率を低下させる。また、結晶粒子間の粒界相にも添加元素が析出するため、結果として銅合金の熱伝導率を低下させる。ただし、この場合においても、熱膨張係数とヤング率においては大差がない。また、電気伝導率においても大差がなく、いずれも高い値を示す。特にこれらの軟化点温度と熱伝導率によって、金属回路板３と金属放熱板４にこれらの材料を使い分けることができる。

これらの銅または銅合金は、圧延後の常温においては、いずれも硬度、引っ張り強度、降伏応力等の機械的性質において高い値を示す。これらに軟化点温度以上での熱処理を行った場合、前記の通り、これらの物性値は低下する。その後、この温度から常温になった状態においても、これらの物性値は熱処理前の値には戻らず、より低い値になるという性質がある。従って、熱処理前は、これらの材料は弾性変形をするが、軟化点温度以上の熱処理を施した場合には、塑性変形能が増す。この際、熱処理の温度が同じであっても、軟化点温度が高い場合は、この塑性変形能は小さくなる。また、熱処理温度が軟化点温度よりも低い場合には、硬度等は熱処理前の高い値を保つ。

ろう材５としては、例えばＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材が用いられ、これによって７００℃〜９００℃程度の温度範囲で金属回路板３と金属放熱板４がセラミックス基板２に強固に接合されている。その厚さは２０μｍ程度であり、金属回路板等と比べて薄く、熱伝導率も高いため、ろう材５による接合が強固であれば、この部分の熱抵抗は他の部分と比べて無視できる。一方、この接合部に破断が生ずると熱抵抗の増大の原因となる。また、ろう材５によって金属回路板３等（銅または銅合金）を接合する際の接合温度（ろう付け温度）は高いため、特にこの温度が前記の軟化点温度を超える場合には、回路基板１における金属放熱板４等の特性に影響を及ぼす。

この回路基板１における各材料の熱膨張係数は、例えば、セラミックス基板２となる窒化珪素セラミックスが２．５×１０^−６／Ｋ、金属回路板３および金属放熱板４となる銅が１８×１０^−６／Ｋである。従って、金属回路板３および金属放熱板４が前記の温度でろう材５によって接合され、常温に戻った時点で、この回路基板１には歪みや反りが生じる。また、冷熱サイクルに際しては、この歪み量およびその方向も変化することがある。金属回路板３が所定の配線パターンをなして形成されているのに対して、金属放熱板４はセラミックス基板２のほぼ全面にわたって形成されているため、これに対する影響は金属回路板３よりも大きい。

ろう付け温度と軟化点温度との関係によって、この歪みの状況は異なる。すなわち、ろう付け温度が軟化点温度よりも高い場合には、前記の通り、接合後に常温に戻った状態においては、金属回路板３または金属放熱板４の塑性変形能は高くなる。この塑性変形能は、ろう付け温度と軟化点温度の差が大きいほど高い。すなわち、軟化点温度の小さい銅合金は塑性変形能が高く、軟化点温度の高いものは塑性変形能が小さい。

この回路基板１において、金属回路板３の表面や金属放熱板４の表面で、冷熱サイクルの際の実際の歪み量を測定した結果、これらの値は前記の銅または銅合金の熱膨張係数（１８×１０^−６／Ｋ）から算出した値とは異なっていた。また、回路基板１を形成した状態においては、これらの歪み量は金属回路板３等の材質や厚さによって異なる値となった。この原因は、これらがセラミックス基板２に接合された状態においては、セラミックス基板２の影響と、ろう付け温度の影響とを受けるためである。

セラミックス基板２は表１に示すように、銅または銅合金よりも高い弾性率を有するため、これらが接合された状態では、金属回路板３および金属放熱板４の歪みに影響を及ぼす。このため、金属回路板３または金属放熱板４の厚さが小さな場合、熱膨張に際しては、窒化珪素セラミックスの影響が強く現れ、熱膨張（歪み量）は小さくなる。逆に、金属回路板３または金属放熱板４の厚さが大きいほど、その熱膨張は、本来の銅に近い、大きなものとなり、歪み量が大きくなる。

また、ろう付け温度の影響としては、前記の通り、ろう付け温度が銅または銅合金の軟化点温度よりも高い場合には、銅または銅合金の塑性変形能が高くなり、この塑性変形能は、ろう付け温度と軟化点温度の差が大きいほど高くなる。このため、軟化点温度が低いほど、歪み量が大きく、回路基板１上における熱膨張は大きくなる。すなわち、軟化点温度の低い銅または銅合金は、回路基板１における熱膨張は大きくなり、軟化点温度の高いものは、回路基板１における熱膨張は小さくなる。

また、銅または銅合金の塑性変形能が高く、かつその厚さが大きな場合、セラミックス基板２と接する側の面と、その反対側の面（金属回路板３または金属放熱板４の表面）で異なった歪み量を示すこともある。従って、金属回路板３または金属放熱板４の軟化点温度が低く、その厚さが大きいほど、その表面の歪み量は大きくなり、逆の場合は歪み量は小さくなる。

特に実際の回路基板１上の金属回路板３および金属放熱板４における歪み量から測定した熱膨張係数を、以下では見かけの熱膨張係数と呼称する。この熱膨張係数は金属回路板３および金属放熱板４の表面に歪みゲ−ジを取り付け、冷熱サイクル時の歪み量を測定し、例えば、金属回路板の熱膨張係数＝（金属回路板歪み量）／（温度変化量）として算出した。冷熱サイクルとしては、回路基板を冷熱サイクル試験機に装入し、−４０℃〜＋１２５℃の温度変化を与えた。これらの見かけの熱膨張係数は、上記の通り、金属回路板３、金属放熱板４の材質や厚さ（Ｔ_１、Ｔ_２）を調節することによって、これらの見かけの熱膨張係数を調整することができる。なお、歪み量の校正には、石英をリファレンスとして用いた。

セラミックス基板２として０．３ｍｍ厚の窒化珪素セラミックス、金属回路板３として表１における前記の銅合金Ｃ（表１）、金属放熱板４として前記の無酸素銅Ａを用い、Ｔ_１とＴ_２を変えた回路基板１を多数作成した。これらの回路基板における前記の見かけの熱膨張係数を測定した。その後、これらの回路基板に半導体チップを搭載し、放熱ベースに接合して、後述する構造の半導体モジュールを作成した。この半導体モジュールにおいて−４０℃〜＋１２５℃の温度範囲の冷熱サイクルを３０００回加え、その放熱効率および耐久性を判定した。ここで、放熱効率を示す指標として、冷熱サイクル印加前後の半導体チップからの熱抵抗を測定した。ここで、熱抵抗は、ＪＩＳＡ１４１２で規定される量である。印加前の熱抵抗が０．１５℃／Ｗよりも大きな場合を不合格とした。また、３０００回印加後に、半導体チップと金属回路板３との接合部または金属放熱板４と放熱ベースとの接合部が破断したものと、熱抵抗が印加前よりも３０％以上上昇していたものを不合格とした。

金属回路板３の見かけの熱膨張係数を横軸に、金属放熱板４の見かけの熱膨張係数を縦軸にとり、以上の観点について合格だった回路基板については○印で、不合格だった回路基板については×印で表した結果を図３に示す。ここで、熱膨張係数の単位のｐｐｍ／Ｋは１０^−６／Ｋを表す。この結果、金属回路板３の表面の見かけの熱膨張係数を（３〜９）×１０^−６／Ｋとし、金属放熱板４の表面の見かけの熱膨張係数をこれよりも大きい（９〜１７）×１０^−６／Ｋの範囲とした場合に良好な耐久性が得られた。ここで、金属放熱板４についての値は、銅または銅合金の本来の熱膨張係数（１８×１０^−６／Ｋ）に近い。金属回路板３についての値は、半導体チップ（シリコン）およびセラミックス基板（窒化珪素セラミックス）の熱膨張係数（２．５×１０^−６／Ｋ）に近い。すなわち、この回路基板１においては、金属回路板３と金属放熱板４の表面の見かけの熱膨張係数を上記の範囲とすることによって、冷熱サイクルに対する高い耐久性と低い熱抵抗を得ることができる。

熱膨張係数をこの範囲にすることは、金属回路板３および金属放熱板４の材質と厚さを調整することによって可能である。特に、この回路基板１においては、金属回路板３と金属放熱板４の表面の見かけの熱膨張係数を異ならせ、特に金属放熱板４の表面の熱膨張係数を大きくしている。

この構造の回路基板においては、金属放熱板４の厚さＴ_２を金属回路板３の厚さＴ_１よりも大きくすることが好ましい。これにより、金属放熱板４の表面の見かけの熱膨張係数を金属回路板３よりも大きくすることが容易である。また、金属回路板３の軟化点温度を金属放熱板４の軟化点温度より高くすることが好ましい。この条件下で、Ｔ_２を一定としたときの、金属回路板の見かけの熱膨張係数のＴ_１依存性を調べた結果が図４である。ここで、セラミックス基板２は前記と同様であり、金属回路板３は銅合金Ｃ、金属放熱板４は無酸素銅Ａである。同様の場合の、金属放熱板４の見かけの熱膨張係数のＴ_１依存性を調べた結果が図５である。また、Ｔ_１を一定としたときの、金属回路板３の見かけの熱膨張係数のＴ_２依存性を調べた結果が図６であり、金属放熱板４の見かけの熱膨張係数のＴ_２依存性を調べた結果が図７である。これらの結果より、Ｔ_１とＴ_２を変えることによって、金属回路板３の表面の見かけの熱膨張係数を（３〜９）×１０^−６／Ｋ、金属放熱板４の表面の見かけの熱膨張係数を（９〜１７）×１０^−６／Ｋの範囲とすることが可能である。

この一例として、セラミックス基板２として０．３ｍｍの窒化珪素セラミックスを使用し、金属回路板３を０．６ｍｍ厚の銅合金Ｄ（表１）、金属放熱板４を１．５ｍｍ厚の無酸素銅Ａとした回路基板１を作成した。この場合の、冷熱サイクルに際しての金属回路板３と金属放熱板４の表面の歪み量を測定した結果が図８である。一方、同一のセラミックス基板と、金属回路板として０．８ｍｍ厚の無酸素銅Ａ、金属放熱板として１．０ｍｍ厚である同一の無酸素銅Ａを使用した回路基板を作成した。この場合の同様の測定結果が図９である。後者の場合には、金属回路板表面での歪み量と金属放熱板表面での歪み量はほぼ同等であるのに対して、前者においては、金属回路板３と金属放熱板４を上記の構成とすることにより、それぞれの表面の歪み量が異なる。従って、それぞれの見かけの熱膨張係数を上記の範囲とすることができる。

また、回路基板の熱抵抗を低減するためには、回路基板の反り量を低減し、回路基板と放熱ベース等との接触を良好にすることが必要である。この回路基板の最大反り量も、上記の耐久性と同様に、金属回路板および金属放熱板の材質や厚さによって異なったものとなった。ここで、最大反り量とは、常温において回路基板１の対角線上で測定した反り量の最大値をその対角線の長さで割った量であり、図１の断面図の方向において、上が凸となる方向の反りを＋とし、逆向きの反りを−とした。これらの回路基板に半導体チップを搭載し、放熱ベースに接合した場合の半導体チップから見た熱抵抗と、最大反り量との関係を調べた結果を図１０に示す。ここで、熱抵抗が０．１５℃／Ｗ以下となった回路基板を○印とし、熱抵抗がこれよりも大きくなった回路基板を×印で示してある。この回路基板１においては、常温におけるその最大反り量の絶対値を２００μｍ／ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈは０．０２５４ｍ）以下とすることによって、熱抵抗を０．１５℃／Ｗ以下と小さくすることができた。なお、最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈである金属回路板／放熱板の構成であっても、２００μｍ／ｉｎｃｈ以内となるように、放熱板に平面研削加工などの加工を施すことで、熱抵抗を０．１５℃／Ｗ以下とすることは可能である。

金属放熱板４の軟化点温度を金属回路板３よりも低くすることによって、回路基板１の最大反り量を前記の範囲とすることができる。これによって、ろう付けによって発生する歪みに際して金属放熱板４が塑性変形しやすくなるために、回路基板の最大反り量の絶対値が小さくなる。図１１に、セラミックス基板２として０．３ｍｍ厚の窒化珪素セラミックス、金属回路板３として０．６ｍｍ厚の銅合金Ｃ（軟化点温度７９０℃）を用いた場合の、最大反り量の金属放熱板４の軟化点温度依存性を示す。ここで、金属放熱板４の厚さＴ_１は１．５ｍｍである。金属放熱板４の材質を変え、その軟化点温度を金属回路板３の軟化点温度よりも低くとることによって、その最大反り量を上記の許容範囲である２００μｍ／ｉｎｃｈとすることができる。ただし、金属放熱板４の軟化点温度が３００℃よりも低くなると、金属回路板３と金属放熱板４の熱膨張のバランスが崩れるため、図１１に示すように、最大反り量が逆向きに増大して上記の範囲外となることがあった。従って、金属放熱板４の軟化点温度は金属回路板３の軟化点温度よりも低く、かつ３００℃以上であることが好ましい。

従って、金属回路板３の軟化点温度は金属放熱板４よりも高いことが好ましい。図１２に、金属回路板３を０．６ｍｍ厚とし、金属放熱板４を１ｍｍ厚の無酸素銅Ａとしたときの、最大反り量の金属回路板３の軟化点温度依存性を示す。金属回路板３の軟化点温度をこの範囲とすることによって、最大反り量を前記の範囲とすることができた。ただし、金属放熱板４（無酸素銅Ａ）の軟化点温度は３００℃であり、金属回路板３の軟化点温度がこれより高い場合でも、４００℃よりも低い場合には反り量は許容範囲外となった。また、金属回路板３の軟化点温度が９００℃よりも高くなった場合にも、これとは逆向きに反り量が大きくなり、許容範囲外となった。この原因は、４００℃よりも低い場合には、より厚い金属放熱板４の影響が特に大きくなり、９００℃よりも高い場合には、塑性変形能が小さな金属回路板３の影響が特に大きくなるため、熱膨張のバランスが崩れるためである。従って、金属回路板３の軟化点温度は、金属放熱板４よりも高く、かつ４００〜９００℃の範囲が好ましい。

以上より、金属回路板３の材質としては、軟化点温度が前記の範囲内であり、かつ無酸素銅よりも軟化点温度が高い銅合金（表１の例からは、銅合金Ｄ、銅合金Ｃ等）が好ましい。また、その厚さは金属放熱板４よりも小さいことが好ましい。前記の通り、これらの材料は無酸素銅と同等の熱膨張係数をもつが、その厚さを薄くすることにより、金属回路板３の表面の見かけの熱膨張係数を小さく、セラミックス基板２や半導体チップとなるシリコンに近くすることができ、（３〜９）×１０^−６／Ｋとすることができる。これは、冷熱サイクルに際しての回路基板１の歪みを小さくしていることを意味する。また、これらの銅合金の軟化点温度は高いために、これによって回路基板１の機械的強度も保たれる。表１に示したように、これらの銅合金の熱伝導率は無酸素銅と比べて劣るが、金属回路板３は薄いため、この部分の熱抵抗を小さくすることができる。

また、金属放熱板４は、軟化点温度が前記の範囲内にあってかつ銅合金よりも低い無酸素銅（例えば無酸素銅Ａ）、とし、その厚さは大きいことが好ましい。表１より、無酸素銅は高い熱伝導率を有しているため、厚い場合でも、金属放熱板４で高い熱伝導率で放熱ベースへ放熱を行うことができる。この際、無酸素銅は塑性変形能が高いため、金属放熱板４の上側（セラミックス基板２側）での熱膨張は弾性率の高いセラミックス基板の熱膨張の量に近づく。一方、下側では本来の無酸素銅の熱膨張係数によって決まる量に近い熱膨張をする。このため、金属放熱板４の表面の見かけの熱膨張係数を（９〜１７）×１０^−６／Ｋの範囲とすることができる。金属放熱板４の上部と下部では歪み量が異なるため、金属放熱板４内部で歪みが生ずるが、この歪みは厚い無酸素銅の塑性変形により吸収される。

上記の構成の回路基板１を用いた半導体モジュールにおいて、Ｔ_１を横軸、Ｔ_２を縦軸にとり、前記の冷熱サイクル試験結果と熱抵抗の測定結果について表示したものが図１３である。ここで、どちらかの測定結果が不合格であった点を×印とし、両方とも合格であった点を○印とした。この結果より、Ｔ_１、Ｔ_２共に０．１〜１０ｍｍの範囲が好ましいことがわかる。どちらかが０．１ｍｍより小さいと、金属回路板３および金属放熱板４の表面の見かけの熱膨張係数を上記の範囲とすることができず、冷熱サイクルに対する耐久性が劣化することがある。どちらかが１０ｍｍよりも大きいと、最大反り量が上記の範囲に入らなくなり、これによって熱抵抗が増大したり、耐久性が劣化することがある。また、図１４は、金属回路板３に銅合金Ｄ、金属放熱板４に無酸素銅Ａを用いたときの金属回路板３の表面の見かけの熱膨張係数と、比Ｔ_２／Ｔ_１との関係を示した図である。この結果より、Ｔ_２／Ｔ_１が１以下の場合は、金属回路板３表面の見かけの熱膨張係数が前記の範囲外となる。図１５は、回路基板１の最大反り量とＴ_２／Ｔ_１との関係を同様の回路基板１について調べた結果である。この結果より、Ｔ_２／Ｔ_１が１０よりも大きいと、最大反り量が前記の範囲外となる。Ｔ_２／Ｔ_１が１以下の場合は、金属放熱板４の影響が、Ｔ_２／Ｔ_１が１０よりも大きな場合は金属回路板３の影響が特に大きくなるために、熱膨張のバランスが崩れることがこれらの原因である。従って、Ｔ_２／Ｔ_１は１より大きく、１０以下の範囲が好ましい。

この回路基板１は、例えば、以下の通りにして製造できる。絶縁性セラミックス基板２（窒化珪素セラミックス）の両面に活性金属ろう材５として例えば、Ｔｉが添加されたＡｇ−Ｃｕ系合金に代表される活性金属を印刷形成する。次に、絶縁性セラミックス基板２とほぼ同じ長方形状の金属板である無酸素銅または銅合金を両面に６００℃〜９００℃の温度で加熱接合する。このうち一方は金属回路板３となり、他方は金属放熱板４となる。冷却後、一方の面の金属板上にレジストパターンを形成後に、例えば塩化第二鉄あるいは塩化第二銅溶液によってエッチング処理して回路パターンをなす金属回路板３を形成する。他方の面に接合された金属板をそのままエッチング処理無しで金属放熱板４としてもよいし、同様に所望の形状に加工して金属放熱板４としてもよい。この場合、金属回路板３と金属放熱板４はその主成分が同一（銅）であるため、これらのエッチングは同時に行われる。また、これによって露出した部分のろう材５のエッチングも、例えば塩化第二鉄あるいは塩化第二銅溶液によってエッチング処理して回路パターンをなす金属回路板３を形成する。さらには、半導体素子との接合信頼性（パワーサイクル特性）を向上させるため、銅および銅合金あるいは、銅とインバーとのクラッド材からなるリード板による接合を行ってもよい。一方、他方の面に接合された金属板をそのままエッチング処理無しで金属放熱板４としてもよいし、同様に所望の形状に加工して金属放熱板４としてもよい。この場合、金属回路板３と金属放熱板４はその主成分が同一（銅）であるため、これらのエッチングは同時に行われる。また、これによって露出した部分のろう材５のエッチングも、例えば過酸化水素とフッ化アンモニウムとの混合溶液によって引き続き行われる。さらに回路パターン形成後の金属回路板３及び金属放熱板４にＮｉ−Ｐメッキを施し、回路基板１が作製される。なお、このメッキ処理を施さないことも可能であり、この場合には、回路パターン形成後に化学研磨を行い、ベンゾトリアゾール等などの防錆剤を添付する。また、選択するはんだ材種に応じて、ロジンなどの濡れ性向上成分を含有した防錆剤を用いる。

以上の通り、この回路基板１においては、常温、および冷熱サイクルにおける歪み量を小さくすることができる。従って、これに半導体チップを搭載し、放熱ベースに接合して半導体モジュールを形成した場合には、冷熱サイクルに対して高い耐久性を有する。特に、この回路基板１は、これを用いた半導体モジュールが実際に機器に搭載されて使用される状況において、高い耐久性を有する設計となっている。

この回路基板１に半導体チップを搭載した場合に、半導体チップからの放熱は金属回路板３や金属放熱板４等を介して高い効率で行われる。さらに、常温における反りが小さくなるために、放熱ベースとの間の熱伝導を良好にすることができる。

金属回路板３は電気抵抗率の小さな銅または銅合金であるため、その配線抵抗を小さくすることができる。従って、この回路基板１に搭載する半導体チップに大電流を流して使用することができる。

金属回路板３とセラミックス基板２はろう材５によって強固に接合される。従って、この部分の機械的強度は高く、熱抵抗も低い。その接合に銀ペーストや接着剤を使用しないため、絶縁耐圧も、本来のセラミックス基板２のもつ絶縁耐圧に近く、高い値となる。従って、この回路基板１に搭載する半導体チップを大電圧で動作させることができる。

従って、この回路基板１を用いた半導体モジュールは、高い放熱特性、冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備え、半導体チップを大電力で動作させることができる。

また、上記の製造方法においては、金属回路板３と金属放熱板４のエッチング処理を同時に行うことが可能である。従って、低コストでこの回路基板を製造することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールは、前記の回路基板１を用いて形成され、特に大電力で動作する半導体チップをこれに搭載する。この半導体モジュールの断面図が図１６である。この半導体モジュール１１は、前記の回路基板１における金属回路板３上に半導体チップ６がはんだ層７を介して接合して搭載されている。また、放熱ベース１３がはんだ層１２を介して金属放熱板４に接合されている。

半導体チップ６は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体デバイスが形成されたシリコンチップである。特にこの半導体デバイスは、大電力で動作するものとすることができる。これによる発熱がこの回路基板１によって放熱される。また、半導体チップ６と配線となる金属回路板３との電気的接続は、ボンディングワイヤ（図示せず）を用いてもよいし、フリップチップ接続を用いることにより、はんだ等のバンプにより行ってもよい。さらには、半導体素子との接合信頼性（パワーサイクル特性）を向上させるため、銅および銅合金あるいは、銅とインバーとのクラッド材からなるリード板による接合を行ってもよい。

はんだ層７は、例えば、Ｓｎ−５％Ｐｂはんだであり、その融点は２７０℃程度である。従って、これを用いて半導体チップ６と金属回路板３と２９０℃程度の温度で接合することができる。また、環境対応下Ｓｎ−３％Ａｇ、Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−５％ＢｉなどのＰｂフリーはんだを用いることが望ましい。この接合温度はろう材５の融点よりも大幅に低いため、この接合に際しては金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２との接合に影響を与えることはない。このはんだ層７は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ６と金属回路板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。フリップチップ接続を用いた場合には、このはんだ層７によって半導体チップ６と金属回路板３との電気的接続もなされる。

はんだ層１２は、例えば共晶Ｐｂ―Ｓｎはんだであり、その融点は１９０℃程度である。これを用いて金属放熱板４（回路基板１）と放熱ベース１３とを２１０℃程度の温度で接合することができる。また、Ｓｎ−３％Ａｇ、Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−５％ＢｉなどのＰｂフリーはんだを用いることがさらに望ましい。さらには、はんだ層１２の代わりに、熱伝導率の高いグリスやフィラーシートを用いることもできる。なお、半導体チップ６と回路基板１および放熱ベース１３をはんだ層７およびはんだ層１２を介して接合する場合の工程には、以下の２方法がある。一つは、回路基板１に半導体チップ６をはんだ層７で接合した後に、はんだ層１２を介して放熱ベース１３を接合する。この場合、はんだ層７には、はんだ層１２よりも高融点のはんだ材を選定する。もう一つの方法は、半導体チップ６と回路基板１および放熱ベース１３を一度のリフローで接合する。この際には、はんだ層７およびはんだ層１２の融点が近似したはんだ材を選定する。

放熱ベース１３は、機器側でこの回路基板１を搭載する部分である。放熱ベース１３は金属放熱板４に伝わった熱を放熱するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きい。これは例えば銅、アルミニウム、銅合金、またはアルミニウム合金からなる。放熱ベース１３の熱膨張係数は、例えば、銅が１７×１０^−６／Ｋ、アルミニウムが２２×１０^−６／Ｋ程度と大きい。銅合金およびアルミニウム合金の熱膨張係数もこれらに近い値となる。

この半導体モジュール１１においては、半導体チップ６となるシリコンの熱膨張係数は３．０×１０^−６／Ｋであり、これが接合される金属回路板３表面の見かけの熱膨張係数（（３〜９）×１０^−６／Ｋ）に近い。従って、冷熱サイクルに際しては、これらの間での熱膨張差は小さく、これに起因する歪みは生じない。従って、半導体チップ６に反りが生じたり、はんだ層７に応力が集中して破断することがない。

また、放熱ベース１３と接合する金属放熱板４の見かけの熱膨張係数は、（９〜１７）×１０^−６／Ｋであり、放熱ベース１３の熱膨張係数に近い。従って、冷熱サイクルに際しては、これらの間での熱膨張差は小さく、これに起因する歪みは生じない。従って、はんだ層１２に応力が集中して破断することがない。

従って、この半導体モジュール１１は、冷熱サイクルに対する高い耐久性を有する。特に、この半導体モジュール１１においては、これが機器に搭載された状態で高い耐久性が得られる。

また、この半導体モジュール１１においては、回路基板１の最大反り量を小さくすることができるので、放熱ベースとの接合状態が常に良好に保たれる。従って、高い放熱効率を得ることができ、大電力で動作する半導体チップを搭載して動作させることができる。

この半導体モジュール１１の最も優れる点は、回路基板１を構成する金属回路板３および金属放熱板４の個々の熱膨張挙動を制御することで、半導体モジュール１１の高放熱性を確保した上で耐久性を飛躍的に向上させたことにある。

また、この半導体モジュール１１においては、単一のセラミックス基板２上に金属回路板３による配線パターンが設けられているため、配線パターンに対応して多数の半導体チップ６を搭載することができる。すなわち、高集積化にも適応する。この際、この半導体モジュール１１の基体は絶縁性の高いセラミックス基板２となるため、半導体チップ６とこれと分離して形成された配線（金属回路板３）との絶縁性も良好である。従って、半導体チップ６を大電力で動作させることができる。

なお、上記の例ではセラミックス基板２として窒化珪素セラミックスを用いていたが、これに限られるものではなく、同等以上の熱伝導率、３点曲げ強度、破壊靱性値、絶縁性をもつものであれば、同様に用いることができる。

また、上記の例では金属回路板３および金属放熱板４として銅または銅合金を用いていたが、これに限られるものではなく、金属回路板３と金属放熱板４で主成分を同一とし、その軟化温度が異なる合金を同様に用いることが可能である。この際、銅合金と同等以上の熱伝導率および電気伝導度を有していれば好ましい。

（実施例１〜２５、比較例１〜１３）
実施例１〜２５として、上記の構成の回路基板を作成し、これに半導体チップを搭載して上記の構造の半導体モジュールを作成して冷熱サイクルを印加し、その耐久性能を調べた。同時に、比較例となる回路基板も作成し、同様の特性を調べた。

実施例１〜２５および比較例１〜１３においては、使用したセラミックス基板はすべて３０ｍｍ×５０ｍｍの窒化珪素セラミックス板（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度）である。金属回路板および金属放熱板としては、表１に示した銅または銅合金の中から選択した。金属回路板のパターンはすべて同一であり、図１８に示す形状である。使用したろう材はＴｉを活性金属として含有し、組成はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系のものである。また、接合温度７６０℃である。

実施例１〜８は、金属回路板に銅合金Ｃ、金属放熱板には無酸素銅Ａを用い、Ｔ_１、Ｔ_２をＴ_２＞Ｔ_１の範囲で、かつこれらを０．１〜１０ｍｍとなる範囲で変化させた。実施例９〜１１は、金属回路板に銅合金Ｄを用い、実施例１２〜１３は、金属回路板に銅合金Ｅを用いている。なお、上記の実施例１〜１３においては、いずれもセラミックス基板の厚さは０．３ｍｍとした。

実施例１４〜１９では、セラミックス基板の厚さと金属回路板の材質を変化させ、金属放熱板はいずれも１．５ｍｍ厚の無酸素銅Ａとし、金属回路板の厚さは０．６ｍｍとした。実施例１４〜１６ではセラミックス基板の厚さを０．２ｍｍとし、実施例１７〜１９では０．１ｍｍとした。金属回路板は、実施例１４、１７では銅合金Ｃ、実施例１５、１８では銅合金Ｄ、実施例１６、１９では銅合金Ｅ（表１）とした。

実施例２０〜２５においては、金属放熱板を銅合金とし、金属回路板と金属放熱板の材質（組み合わせ）を変えている。ここで、実施例２０〜２２においては、Ｔ_１を０．６ｍｍ、Ｔ_２を１．５ｍｍとし、実施例２３〜２５においてはＴ_１を０．８ｍｍ、Ｔ_２を２．０ｍｍとした。金属回路板と金属放熱板の組み合わせは、実施例２０、２３では（銅合金Ｃ、銅合金Ｄ）、実施例２１、２４では（銅合金Ｃ、銅合金Ｅ）、実施例２２、２５では（銅合金Ｄ、銅合金Ｅ）とした。なお、セラミックス基板の厚さはいずれも０．３ｍｍとした。

比較例１〜５はいずれも金属回路板に銅合金Ｃ、金属放熱板に無酸素銅Ａを用いているが、これらの厚さを０．１ｍｍより小さく、あるいは１０ｍｍよりも大きくした。比較例１、２では金属回路板と金属放熱板の厚さをいずれも０．１ｍｍよりも小さくし、比較例３では金属回路板のみを小さくした。比較例４、５では金属放熱板の厚さのみを１０ｍｍよりも大きくした。

比較例６、７では、金属回路板を０．６ｍｍ厚の銅合金Ｃ、金属放熱板を１．５ｍｍ厚の無酸素銅Ｂとし、金属放熱板の軟化温度を３００℃よりも低くした。

比較例８、９では、金属回路板を０．６ｍｍ厚の銅合金Ｃとし、金属放熱板をこれよりも軟化温度の高い銅合金Ｇ（表１）とした。

比較例１０では、金属放熱板を無酸素銅Ａとし、その軟化温度がこれよりも高いが、４００℃未満である銅合金Ｆ（表１）を金属回路板に用いた。

比較例１１では、金属回路板と金属放熱板に同じ無酸素銅Ａを用いた。

比較例１２では、金属回路板に銅合金Ｄ、金属放熱板に無酸素銅Ａを用い、Ｔ_２／Ｔ_１を１よりも小さくした。比較例１３では、同じ材料構成で、Ｔ_２／Ｔ_１を１０よりも大きくした。

以上の実施例および比較例について、−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクルにおける特性を調べた。まず、この温度範囲での金属回路板および金属放熱板の表面の見かけの熱膨張係数を測定した。この測定は、金属回路板および金属放熱板表面に歪みゲージを取り付け、この温度範囲での歪み量を測定することにより算出した。また、回路基板の反りについては、常温におけるこの回路基板において、図１８中の点線で示す対角線上における金属放熱板の反り量を３次元形状測定器により測定し、対角線の長さで割った量を最大反り量（μｍ／ｉｎｃｈ）とした。ここで、金属回路板側が凸になる方向を＋とした。

図１６に示すように、この回路基板に半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴ）をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕはんだで接合して搭載し、さらに無酸素銅の放熱ベースにＰｂ−Ｓｎ共晶はんだでこの金属放熱板を接合した半導体モジュールを作成し、冷熱サイクルを印加した。−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクル（１サイクルは７０分）を３０００回印加し、その後での半導体チップ下のはんだ層および金属放熱板下のはんだ層の破損の状況を超音波画像診断装置（日立建機製Ｈｉ−Ｆｏｃｕｓ）を用い、ボイド率（ボイドの面積／半導体チップ面積×１００）を算定した。調べた。はんだ層の破損は、これらにおける界面のボイド率が３０００サイクル後に３０％以上となっていた場合を、破損や剥離が発生したと認定した。いずれかの箇所で破損や剥離が発生したものを不合格とした。

また、冷熱サイクルの印加の前後で、半導体チップ側から見た熱抵抗（℃／Ｗ）を測定した。この測定は、半導体チップに通電することによってこれを発熱させ、そのとき温度上昇を熱抵抗評価装置（キャッツ電子製、ＭＯＤＥＬ ＤＶＦ２４０）によって電圧換算により測定した。ここでは、単位断面積当たりの量ではなく、単位を（℃／Ｗ）として測定した。初期（冷熱サイクル印加前）の熱抵抗の値が０．１５℃／Ｗ以上であったものは放熱特性が悪いために不合格と判定した。また、初期の熱抵抗がこの値より小さくとも、冷熱サイクル印加後の熱抵抗の値が３０％以上増加していたものは、はんだ層において上記の観察では判別できない程度の破損やセラミックス基板のクラック等が発生したものと考えられるため、不合格とした。以上の結果を表２にまとめて示す。

実施例１〜２５の半導体モジュールにおいては、３０００回の冷熱サイクルによってもはんだ層の破損を生じることがなく、冷熱サイクルの前後で低い熱抵抗値を保つことが確認できた。また、これらの回路基板における金属回路板および金属放熱板の表面の見かけの熱膨張係数は、それぞれ（３〜９）×１０^−６／Ｋ、（９〜１７）×１０^−６／Ｋの範囲内であった。また、常温における最大反り量の絶対値は２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であった。

これに対し、金属回路板および／または金属放熱板が薄い比較例１〜３は、３０００サイクル前に金属放熱板下のはんだ層の破損が発生した。金属回路板および金属放熱板の表面の見かけの熱膨張係数はいずれも上記の範囲よりも小さくなっていた。

金属放熱板が厚い比較例４、５は初期の熱抵抗値が大きく、３０００サイクル後には半導体チップ下のはんだ層の破損が生じ、熱抵抗の増加率も大きくなった。回路基板の最大反り量の絶対値は大きくなっていた。

金属放熱板の軟化温度が低い比較例６、７は、初期の熱抵抗および冷熱サイクル印加後の熱抵抗の増加率共に大きくなった。このとき、金属放熱板表面の見かけの熱膨張係数が上記の範囲よりも大きく、最大反り量の絶対値が大きくなっていた。

金属放熱板の軟化温度が金属回路板よりも高い比較例８、９は、初期の熱抵抗が大きくなった。このとき、最大反り量が比較例１〜７とは逆向きに大きくなっていた。

金属放熱板の軟化温度が低い比較例１０は、冷熱サイクル印加後に半導体チップ下のはんだ層に破損を生じた。このとき、回路基板の最大反り量の絶対値が大きくなっていた。

金属回路板と金属放熱板に同じ無酸素銅を用いた比較例１１は、冷熱サイクル印加後に半導体チップ下のはんだ層に破損を生じた。このとき、回路基板の最大反り量の絶対値が大きくなっていた。

Ｔ_２／Ｔ_１が１よりも小さい比較例１２は、冷熱サイクル印加後に半導体チップ下のはんだ層に破損を生じ、熱抵抗も増大した。このとき、金属回路板の表面の見かけの熱膨張係数は上記の範囲よりも小さくなっていた。Ｔ_２／Ｔ_１が１０よりも大きい比較例１３は、初期の熱抵抗が大きくなっていた。このとき、回路基板の最大反り量の絶対値が大きくなっていた。

（実施例２６、比較例１４〜２１）
実施例２６と比較例１４〜２１としては、金属回路板と金属放熱板の組み合わせを同一とし、セラミックス基板の材質を変化させ、前記と同様の特性を調べた。

実施例２６および比較例１４〜２１においては、金属回路板は０．６ｍｍ厚の銅合金Ｃ、金属放熱板は１．５ｍｍ厚の無酸素銅Ａとした。また、セラミックス基板の厚さは０．３ｍｍとした。金属回路板のパターンおよび使用したろう材、回路基板の製造方法については前記の実施例と同様である。

実施例２６におけるセラミックス基板は、熱伝導率が８９Ｗ／ｍ／Ｋ、３点曲げ強度が７４０ＭＰａ、破壊靱性値が６．３ＭＰａ・ｍ^１／２である標準的な窒化珪素セラミックスであり、実施例１〜２５におけるものと同等である。

比較例１４、１５におけるセラミックス基板は、同じ窒化珪素セラミックスであるが、その製造条件が異なり、特に熱伝導率が４０Ｗ／ｍ／Ｋ（比較例１６）、２０Ｗ／ｍ／Ｋ（比較例１７）と小さくなっている。比較例１６、１７におけるセラミックス基板も、同じ窒化珪素セラミックスであるが、その製造条件が異なり、特に３点曲げ強度が５５０ＭＰａ（比較例１６）、４８０ＭＰａ（比較例１７）と小さくなっている。比較例１８、１９におけるセラミックス基板も、同じ窒化珪素セラミックスであるが、その製造条件が異なり、特に破壊靱性が４．５ＭＰａ・ｍ^１／２（比較例１８）、３．０ＭＰａ・ｍ^１／２（比較例１９）と小さくなっている。比較例２０、２１は、同じ厚さである他のセラミックス基板を窒化珪素セラミックスの代わりに用いた場合であり、アルミナ・ジルコニアセラミックス（比較例２０）、窒化アルミニウムセラミックス（比較例２１）を用いている。アルミナ・ジルコニアセラミックスは窒化珪素セラミックス（標準）と比べて３点曲げ強度は高いが、熱伝導率および破壊靱性が低く、窒化アルミニウムセラミックスは、熱伝導率は高いが、３点曲げ強度および破壊靱性が低い。

上記の構成で、実施例１〜２５と同様に、回路基板を作成したところ、金属回路板および金属放熱板の形成後に、セラミックス基板にこれらによって応力が発生し、クラックが発生することがあった。クラックの発生しなかった回路基板に半導体チップを搭載して、同様に冷熱サイクル試験を行った。これらの結果を表３にまとめて示す。

実施例２６は、実施例１〜２５と同様に、良好な放熱特性および耐久性を示した。

セラミックス基板の熱伝導率の小さな比較例１４、１５は、初期の熱抵抗が高くなった。セラミックス基板の３点曲げ強度が小さな比較例１６、１７は熱サイクル後に大きく熱抵抗が増大した。破壊靱性が低い窒化珪素セラミックス、あるいは他の材料を用いた比較例１８〜２１は、いずれも、回路基板作成後にセラミックス基板にクラックが発生したため、半導体モジュールの評価に至らなかった。

従って、本発明の回路基板および半導体モジュールにおけるセラミックス基板としては、特に、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度以上、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度以上である窒化珪素セラミックスが好ましい。

１ 回路基板
２、４０ セラミックス基板
３ 金属回路板
４ 金属放熱板
５ ろう材
６、３３ 半導体チップ
７、１２ はんだ層
３９ モールド樹脂
１１、３１ 半導体モジュール
１３ 放熱ベース
３２ 金属ブロック
３４ フレーム
３５ リード
３６ ボンディングワイヤ
３７ ケース
３８ 外部端子

Claims (10)

1. セラミックス基板の一面に金属回路板が形成され、他面に金属放熱板が形成された回路基板であって、
   前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、
   冷熱サイクル時における前記回路基板上の前記金属回路板の表面の歪み量／温度変化量、で定義される、前記金属回路板の表面の見かけの熱膨張係数が（３〜９）×１０^−６／Ｋ、
   冷熱サイクル時における前記回路基板上の前記金属放熱板の表面の歪み量／温度変化量、で定義される、前記金属放熱板の表面の見かけの熱膨張係数が（９〜１７）×１０^−６／Ｋの範囲であることを特徴とする回路基板。
2. 前記金属回路板の厚さは前記金属放熱板の厚さよりも小さく、
   前記金属回路板の軟化点温度は前記金属放熱板の軟化点温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記金属回路板の軟化点温度は４００〜９００℃の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の回路基板。
4. 前記金属放熱板の軟化点温度は３００℃以上であることを特徴とする請求項２又は３に記載の回路基板。
5. 前記金属回路板および前記金属放熱板の厚さが０．１〜１０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板。
6. 前記金属回路板の厚さをＴ_１、前記金属放熱板の厚さをＴ_２としたとき、１＜Ｔ_２／Ｔ_１≦１０であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路基板。
7. 常温における最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回路基板。
8. 前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回路基板。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回路基板に半導体チップが搭載された半導体モジュールであって、
   前記金属回路板に前記半導体チップが接合され、前記金属放熱板に放熱ベースが接合されたことを特徴とする半導体モジュール。
10. 前記放熱ベースが銅、アルミニウム、銅合金、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項９に記載の半導体モジュール。

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