JP5996435B2 - 半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は圧接構造用セラミックスヒートシンク材を用いた半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関する。

従来、パワーエレクトロニクスの実装分野では、絶縁・電極機能を付与したセラミックス金属回路基板が広く用いられている。このような技術分野では、セラミックス基板としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする基板が用いられている。

しかしながら、アルミナ基板は熱伝導率が１８Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低いため放熱性が不十分である。一方、ＡｌＮ基板は熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度と高いが機械的強度が低いことから耐熱サイクル特性が不十分である。

そこで熱伝導率および機械的強度の両方の特性が良好なセラミックス材料として、高熱伝導性窒化珪素基板が開発されている。例えば、特開２００９−１２０４８３号公報（特許文献１）では、粒界相中の気孔径を制御することにより、リーク電流を低減した窒化珪素製金属回路基板が開示されている。

ところで、この窒化珪素製金属回路基板は、窒化珪素基板上にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性金属ろう材を介して銅回路板を接合して形成されている。窒化珪素基板は窒化珪素を主成分としていることから３点曲げ強度は６００ＭＰａ以上と高強度が得られていることから、基板と銅板との接合構造において耐熱サイクル特性も良好であり、長期間に亘って熱サイクルを付加しても基板に割れや剥離等の欠陥が発生することが少ない。

例えば、特開２００３−１９２４６２号公報（特許文献２）で得られる窒化珪素製金属回路基板では、３０００サイクルの耐熱サイクル試験（ＴＣＴ試験）に耐えられることが開示されている。

一方で、セラミックス基板と金属回路板との接合体は、接合工程が必要であることから、製造原価のコストアップは避けられない。このため、絶縁性の確保を目的にして、特開２００３−１９７８３６号公報（特許文献３）に開示されているように、圧接構造用スペーサとして窒化珪素基板を使うことが提案されている。そして、この窒化珪素基板は機械的強度や破壊靭性値が高いことから、ねじ止め等の圧接構造にも十分に耐えられることが確認されている。

窒化珪素基板を構成する窒化珪素焼結体は主相がβ−窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）である。β−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子は、短径に対する長径の比（アスペクト比）が２以上の縦長の結晶粒子である。窒化珪素焼結体では平均粒径が２〜１０μｍ程度の多数のβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子が複雑に絡み合うことにより、機械的強度や破壊靭性値を向上させた組織を実現している。

上記の通り、窒化珪素基板はβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子を主相としていることから、基板表面には微視的に凹凸が存在する。これはβ−Ｓｉ_３Ｎ_４粒子が複雑に絡み合っていることに起因している。この基板表面の表面粗さＲａを０．０５μｍ以下に鏡面研磨を施しても上記凹凸を解消することは困難である。また、鏡面研磨を実施すること自体がコストアップの要因にもなる。

上記微視的な凹凸を有する窒化けい素基板において、特に凸部がある場合、圧接応力を基板にかけて長時間使用した際には、凸部を起点として窒化珪素基板にクラックが発生するという問題が懸念される。

また、上記の微視的な凹凸が存在するため、圧接構造において窒化珪素基板と接触する部材（接触部材）との間に微視的な隙間が生じてしまう。接触部材は一般的に金属板等の金属部材で構成されており、圧接構造を形成したときに窒化珪素基板の微視的な凹凸により金属部材との間に隙間が形成されると、その隙間が熱伝導の阻害要因となり、モジュールとしての放熱特性を低下させる要因となる。

特開２００９−１２０４８３号公報 特開２００３−１９２４６２号公報 特開２００３−１９７８３６号公報

上記のように従来の窒化珪素基板は表面に微視的な凹凸が存在し、圧接構造を採用したときに、窒化珪素基板と接触部材（押え部材）との間に隙間が生じ易く、その結果、モジュール構造体としたときに、伝熱抵抗が増加し放熱性が阻害される要因になっていた。

また、微視的な凸部は圧接時におけるクラック発生の要因ともなっていた。上記クラックの影響を回避するために、例えば窒化珪素基板の厚さを厚くすることも考えられる。しかし基板を厚くすることは窒化珪素基板自体が熱抵抗体になってしまうため好ましいことではない。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、窒化珪素基板表面の微視的な凹凸を原因とする接触部材との間での隙間形成の問題、および微視的な凸部に起因するクラック発生を低減した窒化珪素製絶縁基板（圧接構造用セラミックスヒートシンク）を提供することを目的とする。

本発明の第一の圧接構造用セラミックスヒートシンクは、セラミックス基板上に樹脂層を設けた圧接構造用セラミックスヒートシンク材において、上記樹脂層のデュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）が７０以下であり、上記セラミックス基板と樹脂層との界面に存在する空隙の平均値が３μｍ以下であることを特徴とするものである。

また、上記第一の圧接構造用セラミックスヒートシンクにおいて、前記樹脂層は６０℃で流動性を示す熱硬化型樹脂が固化して形成されていることが好ましい。

さらに、本発明の第二の圧接構造用セラミックスヒートシンク材は、セラミックス基板上に樹脂層を設けた圧接構造用セラミックスヒートシンク材において、上記樹脂層は６０℃で流動性を示す熱硬化型樹脂が固化して形成されていることを特徴とするものである。

また、上記第二の圧接構造用セラミックスヒートシンクにおいて、前記樹脂層は無機フィラー粒子を含有していることが好ましい。また、前記樹脂層のデュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）が１０以上であることが好ましい。また、前記セラミックス基板が、窒化珪素基板、酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板のいずれか１種であることが好ましい。また、前記樹脂層の厚さが５０μｍ以下であることが好ましい。また、前記セラミックス基板の表面粗さＲａが０．１〜５μｍであることが好ましい。

また、本発明の圧接構造用セラミックスヒートシンクは半導体モジュールに好適であり、特に圧接構造用セラミックスヒートシンク材を押さえ部材を使って圧接した半導体モジュールに好適である。

また、本発明の半導体モジュールは、押さえ部材により圧接構造をとったとき、上記押さえ部材とセラミックス基板との表面が直接接触している部分があることが好ましい。また、直接接触している部分が、最大径１ｍｍ以下の点接触であることが好ましい。また、点接触が複数箇所存在することが好ましい。

本発明の第一の圧接構造用セラミックスヒートシンクは、デュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）が７０以下の樹脂層を設けているため、セラミックス基板と樹脂層との界面に存在する空隙の平均値が３μｍ以下と小さくすることができる。

また、本発明の第二の圧接構造用セラミックスヒートシンク材は、セラミックス基板上に樹脂層を設けた圧接構造用セラミックスヒートシンク材において、樹脂層は６０℃で流動性を示す熱硬化型樹脂が固化したしたものであることを特徴とするものである。

そのため、空隙による熱抵抗の増加を防ぐことができる。また、圧接構造を形成したときに、セラミックス基板表面の微視的凹凸を柔らかい樹脂層で覆うことでセラミックス基板表面の微視的凹凸に押圧力が作用することに起因してセラミックス基板にクラックが発生することを防止することができる。

また、柔らかい樹脂層は圧接構造による押圧力により変形し、押さえ部材とセラミックス基板とを直接接触させることができるので、セラミックス基板の放熱性の良さを生かすことができる。

本発明に係る圧接構造用セラミックスヒートシンクの一実施例を示す断面図である。 本発明に係る圧接構造用セラミックスヒートシンクの他の実施例を示す断面図である。 本発明に係る圧接構造用セラミックスヒートシンクのさらに他の実施例を示す断面図である。 圧接構造の一例を示す断面図である。 圧接構造を形成したときのセラミックス基板と押さえ部材との接触状態の一例を示す断面図である。 本発明に係る半導体パッケージの一実施例を示す断面図である。 本発明に係る半導体パッケージの他の実施例を示す断面図である。

本発明の実施形態に係る第一の圧接構造用セラミックスヒートシンクを用いた半導体モジュールは、セラミックス基板上に樹脂層を設けた圧接構造用セラミックスヒートシンク材において、上記樹脂層のデュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）が７０以下であり、上記セラミックス基板と上記樹脂層との界面に存在する空隙の平均値が３μｍ以下であり、上記セラミックス基板の表面粗さＲａが０．１〜５μｍであると共に、３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上である圧接構造用セラミックスヒートシンク材を押さえ部材によって圧接して、上記押さえ部材により圧接構造をとったときに、上記押さえ部材と上記セラミックス基板との表面が直接接触している部分があることを特徴とする半導体モジュールである。

図１、図２、図３は本発明の圧接構造用セラミックスヒートシンクの一例を示す断面図である。図中、１は圧接構造用セラミックスヒートシンク、２はセラミックス基板、３は樹脂層、である。

樹脂層３としては、図１に示すようにセラミックス基板２の片面のみに設けるタイプ、図２に示すようにセラミックス基板２の両面に設けるタイプがあるが、どちらでもよい。圧接構造をとるにあたって、押さえ部材との密着性を確保したい面に樹脂層３を設ければよい。また、図３に示すようにセラミックス基板２の側面をも包むようにセラミックス基板２の全体に樹脂層３を設けてもよい。

また、図４に示すように、樹脂層３は圧接構造用セラミックスヒートシンク１において圧接構造をとる部分、つまり押さえ部材４，４から押圧力を受ける部分に樹脂層３，３を設ければよい。また、圧接構造をとるにあたってセラミックス基板２にねじなどの挿入穴を設けても良い。

セラミックス基板２としては、酸化アルミニウム(Ａｌ_２Ｏ_３)基板、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)基板、窒化珪素(Ｓｉ₃Ｎ₄)基板など特に限定されるものではないが、圧接構造をとるので３点曲げ強度は３００ＭＰａ以上のセラミックス基板が好ましい。また、半導体モジュールなどの放熱基板として用いる場合、熱伝導率は６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。３点曲げ強度３００ＭＰａ以上かつ熱伝導率６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス基板としては、窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板が挙げられる。また、強い押圧力をかけるときは強度の高いセラミックス基板が好ましく、具体的には３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板が挙げられる。

また、セラミックス基板上にはデュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）が７０以下の樹脂層が設けられている。デュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）はＪＩＳ−Ｋ−６２５３に準じた方法で測定され押圧時間１秒によりショア硬さを測定するものとする。デュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）が７０以下は、「Ａ７０以下」と表記される。

樹脂層のショア硬さはＡ７０以下であればその下限値は特に限定されるものではないが、Ａ１０以上が好ましい。より好ましくはＡ３０〜Ａ６０である。ショア硬さがＡ１０未満であると樹脂層が柔らか過ぎるので圧接構造をとったときの押圧力が強いと樹脂層の破断を招くおそれがある。

樹脂層を構成する樹脂は、固化したときショア硬さＡ７０以下のものであれば熱硬化型樹脂、光硬化型樹脂など特に限定されるものではないが、６０℃で流動性を示す熱硬化型樹脂であることが好ましい。６０℃で流動性を示す熱硬化型樹脂とは、ペースト状の樹脂が６０℃以上になると液状化して流動性を示すものである。

６０℃で流動性を示す熱硬化型樹脂を使用すれば、圧接構造をとるときに６０℃以上の熱を加えてペースト状の樹脂を一旦溶かして流動性を付与させることによりセラミックス基板表面の微視的な凹凸に樹脂が入り込んでいくため、セラミックス基板と樹脂層の界面に存在する空隙の平均値を１μｍ以下（０含む）とさらに小さくすることができる。樹脂の組成は特に限定されるものではないが、上記特性を示す樹脂として、いわゆるフェーズチェンジマテリアル等を挙げることができる。

また、本発明に係る第二の圧接構造用セラミックスヒートシンク材は、セラミックス基板上に樹脂層を設けた圧接構造用セラミックスヒートシンク材において、上記樹脂層が６０℃で流動性を示す熱硬化型樹脂を固化して形成したものであることを特徴とする。

この第二の圧接構造用セラミックスヒートシンク材は、後述するように、圧接構造を具備する半導体モジュールを製造するにあたり、押さえ部材により圧接構造をとり、熱をかけて樹脂層を固化する方法を適用して製造することもできる。

また、第一の圧接構造用セラミックスヒートシンク材および第二の圧接構造用セラミックスヒートシンク材の構成は、両方を満たすことが最も好ましいが、それぞれ独立して成立するものである。

セラミックス基板と樹脂層との界面に存在する空隙の平均値の求め方は、任意の断面において、セラミックス基板と樹脂層との界面を長さ２００μｍに渡って観察し、そこに写る空隙の最大径を求める。個々の空隙の最大径の平均値を「空隙の平均値」とする。

また、樹脂層は無機フィラー粒子を含有していることが好ましい。樹脂は、絶縁性は高いが熱伝導率が低いことから、樹脂中に金属粉末やセラミックス粉末などの無機フィラー粒子を添加して熱伝導率を向上させたものを用いてもよい。金属粉末としては、Ｃｕ粉末、Ａｌ粉末など、セラミックス粉末としては、ＡｌＮ粉末、Ｓｉ_３Ｎ_４粉末、ＭｇＯ粉末などが挙げられる。特に、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）粉末は絶縁性および熱伝導性が共に良好であるので好ましい。

また、無機フィラー粒子の粒径は樹脂層の厚さの１／２以下、さらには１／５以下が好ましい。粒子サイズが大きいと圧接構造を取ったときに樹脂層からフィラー粒子が飛び出て密着性を阻害するおそれがある。

さらに無機フィラー粒子の含有率も２０〜６０体積％の範囲が好ましい。２０体積％未満では添加の効果が小さく、６０体積％を超えると、圧接時に無機フィラー粒子が樹脂層の表面から飛び出て密着性を阻害するおそれがある。また、無機フィラー粒子は、粉末状の粒子が好ましい。無機フィラーとしては、繊維状、ウイスカ状などのように先の尖ったフィラーもある。樹脂層の厚さによっては、このような繊維状、ウイスカ状のフィラー粒子を使うことも可能であるが、先が尖ったフィラーでは、圧接構造をとったときに樹脂層の表面から飛び出した構造となった場合に、押さえ部材およびセラミックス基板表面への攻撃性が増してクラック発生の原因となる恐れがある。そのため、無機フィラー粒子は粉末状のものが好ましい。

また、樹脂層の厚さは５０μｍ以下であることが好ましい。樹脂層の厚さが５０μｍを超えても樹脂層とセラミックス基板の界面に存在する空隙を小さくすることはできるが、樹脂層があまり厚いと放熱性が低下するので５０μｍ以下、さらには３０μｍ以下が好ましい。また、樹脂層の厚さの下限値は特に限定されるものではないが５μｍ以上が好ましい。樹脂ペーストを５μｍ未満に薄く均一に塗布することは困難であり、製造性の観点から５μｍ以上、さらには１０μｍ以上が好ましい。なお、樹脂層の厚さの制御は、圧接構造をとる面に関して行えばよい。

また、セラミックス基板の表面粗さＲａが０．１〜５μｍであることが好ましい。表面に設けた樹脂層がセラミックス基板表面の微視的な凹凸に入り込むようにするためには表面粗さＲａが５μｍ以下であることが好ましい。一方、表面粗さＲａが０．１μｍ未満ではセラミックス基板表面が平坦すぎて、アンカー効果が十分得られず樹脂層の密着性が低下するおそれがある。

また、本発明の圧接構造用セラミックスヒートシンクは半導体モジュールに好適であり、特に圧接構造用セラミックスヒートシンク材を押さえ部材を使って圧接した半導体モジュールに好適である。

図４および図５に圧接構造の一例を示した。図中、１は圧接構造用セラミックスヒートシンク、４は押さえ部材、５はセラミックス基板２と押さえ部材４とが直接接触している部分である。

図４は、圧接構造の一例として、圧接構造用セラミックスヒートシンク１の上下面から押さえ部材４，４を介して押圧力により固定したものである。図４のように樹脂層３，３を設けたセラミックス基板２の表面を押さえ部材４，４表面により押圧して圧接構造をとったとき、本発明の圧接構造用セラミックスヒートシンク１は、ショア硬度がＡ７０以下と柔らかい樹脂層を設けていることから、図５のように押さえ部材４とセラミックス基板２の表面が直接接触している部分５を形成することができる。押さえ部材４とセラミックス基板２とが直接接触している部分５を設けることにより、熱抵抗体である樹脂層３を介さずに、熱を押さえ部材４とセラミックス基板２との間に伝えることができるため放熱性が向上する。つまり、セラミックス基板２の熱伝導率の高さを生かすことができる。

また、押さえ部材４とセラミックス基板２とが直接接触している部分５が、最大径で１ｍｍ以下の点接触であることが好ましい。直接接触している部分５が大きければ大きいほど放熱性は向上する。しかしながら、直接接触している部分があまり大きいと従来技術のように圧接構造によりセラミックス基板表面に存在する微視的凹凸に起因するクラックの発生が抑制できない。つまりは樹脂層を設ける効果が得られない。そのため、最大径１ｍｍ以下の点接触、さらには０．５ｍｍ以下、０．０１ｍｍ以下が好ましい。また、点接触の下限値は特に限定されるものではないが０．００１ｍｍ以上（１μｍ以上）が好ましい。また、点接触が複数箇所存在することが好ましい。小さな接触点が複数個所存在する方が、セラミックス基板の放熱性の良さを生かした上で樹脂層を設ける効果も得られるので相乗効果が得られる。

また、図６および図７に圧接構造を有する半導体パッケージの一例を示す。図中、符号１Ｄ、１Ｂおよび１Ｅは圧接構造用セラミックスヒートシンク、２および２Ｄはセラミックス基板、７は半導体素子、８および８Ａは押さえ部材、９および１０は絶縁性スペーサ、１１は放熱部材、１２および１３は挿通孔、１４は締め付け部材（ねじ）、１５はワッシャ、１６は孔部（ねじ止め孔）、を示す。また、図６はセラミックス基板２Ｄの片面に樹脂層３を設けた構造例を示し、図７はセラミックス基板２の両面に樹脂層３，３を設けた構成例である。

図６に示すように、半導体モジュール２０は、挿通孔１２、１２が設けられた圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄの樹脂層３に面して配置された板状の押さえ部材８と、押さえ部材８の表面のうち圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと反対の表面側に配置された半導体素子７と、半導体素子７の表面のうち押さえ部材８と反対の表面側に配置され半導体素子７で発生した熱を放熱する放熱部材（放熱フィン）１１と、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと放熱部材１１との間を締め付ける締め付け部材（ねじ）１４とを備える。

また、半導体素子７の一方の表面と押さえ部材８との間には、板状の絶縁性スペーサ９が介装される。また、半導体素子７の他方の表面と放熱部材１１との間には、板状の絶縁性スペーサ１０が介装される。また、半導体素子７は絶縁性スペーサ９と絶縁性スペーサ１０とで挟持される。また、絶縁性スペーサ９と半導体素子７と絶縁性スペーサ１０とは、絶縁性スペーサ９に面して配置された押さえ部材８と絶縁性スペーサ１０に面して配置された放熱部材１１とで挟持される。

圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと放熱部材１１とは、締め付け部材１４を用いて締め付けられる。この場合の締め付け部材１４はねじであるが、固定できるものであれば、ねじ止めに限定されるものではない。

図６に示す半導体モジュール２０では、締め付け部材１４を用いて圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと放熱部材１１とが締め付けられることにより、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと放熱部材１１との間に配置された押さえ部材８と絶縁性スペーサ９と半導体素子７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。このように圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄに締め付け部材を挿入するときは、セラミックス基板２Ｄに挿入孔１２,１２を設ければよい。

なお、押さえ部材８は、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄの樹脂層３と接触する板状の部材である。押さえ部材８としては、たとえば銅板等の金属板が用いられる。押さえ部材８は、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと絶縁性スペーサ９等の他の部材との間に介装される。押さえ部材８は、締め付け部材１４を用いて圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと放熱部材１１とが締め付けられることにより、絶縁性スペーサ９を介して半導体素子７と圧接される。

また、半導体素子７は、半導体素子単体または複数の半導体素子を含む集合体である。半導体素子７の上下方向には、絶縁性スペーサ９と絶縁性スペーサ１０とが配置される。絶縁性スペーサ９、１０としては、たとえば、セラミックス基板等の板状の絶縁物が用いられる。

また、放熱部材１１は、半導体素子７で発生した熱を放熱する部材である。放熱部材１１の図中上方には、締め付け部材としてのねじ１４の先端部が羅合可能な孔部１６が設けられている。放熱部材１１としては、たとえば、放熱フィンが用いられる。

また、締め付け部材１４は、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと放熱部材１１とを締め付けるものである。締め付け部材１４としては、例えば、ねじが用いられる。

図６に示す半導体モジュール２０では、締め付け部材としてのねじ１４の胴部が圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄの挿通孔１２に挿通されるとともに、ねじ１４の先端部が放熱部材１１の孔部１６に羅合されることにより、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと放熱部材１１とが締め付けられる。また、ねじ１４の頭部と圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄとの間には、ワッシャ１５が介装される。これにより、半導体モジュール２０では、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと放熱部材１１との間に配置された、押さえ部材８と絶縁性スペーサ９と半導体素子７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。

図６に示すような圧接構造を形成した場合には、ショア硬度がＡ７０以下の柔らかい樹脂層３を設けたセラミックス基板２Ｄと押さえ部材８の表面との間が強く圧接される。しかし、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄの柔軟性を有する樹脂層３が、セラミックス基板２Ｄの表面に存在する微視的な凹凸を包み込むため、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄと押さえ部材８との樹脂層３を介した密着接触が可能になる。

また、さらに圧接時の押圧力を５ＭＰａ以上にすれば、柔軟性を有する樹脂層３を変形させてセラミックス基板と押さえ部材を直接接触させることができる。なお、押圧力が過度に高いと、セラミックス基板が割れる恐れがあるため、セラミックス基板２Ｄの３点曲げ強度の５％以下の押圧力を目安とする。このような圧接構造とすることにより、セラミックス基板２Ｄと樹脂層３との界面に空隙を設けない構造をとることができるため絶縁性および放熱性を向上させることができる。

次に、セラミックス基板２の両面に樹脂層３，３を設けた圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂを用いた半導体モジュールの一例を図７に示す。

図７に示すように、半導体モジュール３０は、表裏両面に樹脂層３、３が設けられた圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂと、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂの一方の表面の樹脂層３に面して配置された板状の押さえ部材８Ａと、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂの他方の表面の樹脂層３に面して配置された半導体素子７と、半導体素子７の表面のうち圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂと反対の表面側に配置され、半導体素子７で発生した熱を放熱する放熱部材１１と、押さえ部材８Ａと放熱部材１１との間を締め付ける締め付け部材１４とを備える。

上記半導体素子７の一方の表面と押さえ部材８Ａとの間には、板状の絶縁性スペーサ９が介装される。また、半導体素子７の他方の表面と放熱部材１１との間には、板状の絶縁性スペーサ１０が介装される。

上記半導体素子７は絶縁性スペーサ９と絶縁性スペーサ１０とで挟持される。また、絶縁性スペーサ９と半導体素子７と絶縁性スペーサ１０とは、絶縁性スペーサ９に面して配置された圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂと絶縁性スペーサ１０に面して配置された放熱部材１１とで挟持される。押さえ部材８Ａと放熱部材１１とは、締め付け部材１４を用いて締め付けられる。

図７に示す半導体モジュール３０では、締め付け部材１４を用いて押さえ部材８Ａと放熱部材１１とが締め付けられることにより、押さえ部材８Ａと放熱部材１１との間に配置された圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂと絶縁性スペーサ９と半導体素子７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。

また、図７に示した半導体モジュール３０は、図６に示した半導体モジュール２０と比較して、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｄに代えて挿通孔１２が設けられた押さえ部材８Ａを用いるとともに、押さえ部材８に代えて表裏両面に樹脂層３が設けられた圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂを用いる点で異なり、他の点は同じである。このため、図７に示した半導体モジュール３０と、図６に示した半導体モジュール２０との間で同一の構成要素には同一の符号を付し、それらの構成および作用の説明を省略または簡略化する。

また、挿通孔１３は、ねじ等の締め付け部材１４を挿通または螺合可能である限り、形状や大きさは特に限定されない。また、挿通孔１３は、押さえ部材８Ａに設けられる位置や数についても特に限定されない。押さえ部材８Ａは、締め付け部材１４を用いて押さえ部材８Ａと放熱部材１１とが締め付けられることにより、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂを介して絶縁性スペーサ９等の他の部材を押圧する。

締め付け部材１４は、押さえ部材８Ａと放熱部材１１とを締め付ける部材である。締め付け部材１４としては、たとえば、ねじが用いられる。

図７に示す半導体モジュール３０では、締め付け部材としてのねじ１４の胴部が、ワッシャ１５と押さえ部材８Ａの挿通孔１３とに挿通されると共に、ねじ１４の先端部が放熱部材１１の孔部１６に羅合されることにより、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂと放熱部材１１とが締め付けられる。また、ねじ１４の頭部と押さえ部材８Ａとの間には、ワッシャ１５が介装される。

上記圧接構造により、半導体モジュール３０では、押さえ部材８Ａと放熱部材１１との間に配置された、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂと絶縁性スペーサ９と半導体素子７と絶縁性スペーサ１０とが圧接される。このとき、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂの一方の表面の樹脂層３と押さえ部材８Ａの表面との間、および圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂの他方の表面の樹脂層３と絶縁性スペーサ９の表面との間が強く圧接される。しかし、圧接構造用セラミックスヒートシンク１Ｂの柔軟性を有する樹脂層３が、セラミックス基板表面に存在する微視的な凹凸を包み込むため、密着接触が可能になる。

また、さらに圧接時の押圧力を５ＭＰａ以上に設定した場合には、柔軟性を有する樹脂層を変形させてセラミックス基板と押さえ部材とを直接接触させることができる。なお、押圧力が過度に高いとセラミックス基板が割れる恐れがあるため、セラミックス基板の３点曲げ強度の５％以下の押圧力を目安とする。このような圧接構造を形成することにより、セラミックス基板と樹脂層との界面に空隙を設けない構造をとることができるため絶縁性および放熱性を向上させることができる。

なお、図６および図７に示す半導体モジュールでは、ねじ止めの例を示したが、本発明の半導体モジュールはねじ止めに限定されるものではない。ねじ以外の締め付け部材として、例えば、締め付け部材として、放熱部材１１と圧接構造用セラミックスヒートシンクとを、または放熱部材１１と押さえ部材とを挟持するクランプ等を用いることができる。このように締め付け部材としてクランプを用いる場合は、圧接構造用セラミックスヒートシンクや押さえ部材に挿通孔を設ける必要が無くなる。

また、本発明に係る半導体モジュールでは、放熱フィン以外の放熱部材として、半導体モジュールから発生する熱を放熱可能な部材を用いてもよい。例えば、放熱部材として、放熱シート等を用いることができる。このように放熱部材として放熱シートを用いる場合は、締め付け部材としてたとえばクランプを用いることにより、放熱シートと圧接構造用セラミックスヒートシンクとを挟持したり、または放熱シートと押さえ部材とを挟持したりして、圧接構造を有する半導体モジュールを形成することが可能であり、圧接構造用セラミックスヒートシンクや押さえ部材に挿通孔を設ける必要が無くなる。

また、図６および図７に示す半導体モジュール２０，３０は、本発明の半導体モジュールの一例である。本発明の半導体モジュールは、半導体素子を用いると共に樹脂層が設けられたセラミックス基板と押さえ部材とが圧接可能な構造体の全てを含むものである。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、一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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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。

次に本発明の圧接構造用セラミックスヒートシンクの製造方法について説明する。本発明の圧接構造用セラミックスヒートシンクはその製造方法は特に限定されるものではないが効率よく得るための方法として次の方法が挙げられる。

まず、セラミックス基板を用意する。セラミックス基板としては３点曲げ強度５００ＭＰａ以上、熱伝導率６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好ましい。この範囲であればセラミックス基板の厚さは０．２〜１．０ｍｍが好ましい。厚さが０．２ｍｍ未満の場合、圧接構造を形成したときにセラミックス基板に割れが発生する恐れがある。一方、厚さが１．０ｍｍを越えるとセラミックス基板自体が熱抵抗体となり放熱性を阻害する恐れがある。

また、セラミックス基板の表面粗さはＲａ基準で０．１〜５μｍであることが好ましい。そのため、必要に応じ、ホーニング加工などの研磨加工を施すものとする。言い換えれば、焼き上がり面で表面粗さＲａが０．１〜５μｍの範囲であれば、特に研磨加工は行わなくても良い。

次に樹脂層となる樹脂ペーストを用意する。樹脂層に無機フィラー粒子を添加する場合は、樹脂ペーストに無機フィラー粒子を添加する。無機フィラー粒子の平均粒径は形成する樹脂層の厚さの１／２以下、さらには１／５以下が好ましい。

樹脂ペーストをセラミックス基板上に塗布して、固化させることにより樹脂層が形成される。樹脂が熱硬化性樹脂の場合は熱を加えて固化させる一方、紫外線硬化型のときは紫外線を照射して硬化させるものとする。また、樹脂層を構成する樹脂が６０℃で流動性を示す熱硬化性樹脂の場合は、ペースト状のまま自然乾燥させる。いずれにしても固化後にショア硬度がＡ７０以下となる樹脂を使うものとする。また、ショア硬度がＡ７０以下であれば樹脂層として樹脂フィルムを用いてもよく、樹脂フィルムを熱圧着により表面に設けても良い。

また、圧接構造をとって半導体モジュールを作製する場合は、押さえ部材で圧接構造用セラミックスヒートシンクを挟み込んで押圧する。

また、樹脂層として６０℃以上で流動性を示す熱硬化性樹脂を用いた場合は、６０℃以上で流動性を示す熱硬化性樹脂層をセラミックス基板上に形成した後、熱処理して固化させて圧接構造を形成する。このような方式であれば、一旦、樹脂層に流動性を付与した後、固化させるので押さえ部材とセラミックス基板との隙間に樹脂層を充填できるのでセラミックス基板と樹脂層との界面に存在する空隙をゼロにすることもできる。さらに、半導体モジュールでの実装工程において、真空中でこの作業を行えば、樹脂層と接触部材との隙間をゼロにすることもできる。

［実施例］
（実施例１〜９および比較例１）
セラミックス基板として、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板（熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度６００ＭＰａ）を用意した。次にホーニング加工やダイヤモンド砥石を使った研磨などの表面加工により表面粗さＲａを変えた。このような窒化珪素基板の両面に硬化後のショア硬度がＡ７０以下となるシリコーン樹脂層を形成することにより、各実施例に係る圧接構造用セラミックスヒートシンクを用意した。

また、比較のためにショア硬度がＡ１００の樹脂層を設けた以外は実施例１と同じ構造を有する圧接構造用セラミックスヒートシンクを用意した。

各実施例および比較例に係る圧接構造用セラミックスヒートシンクに関して、セラミックス基板と樹脂層との界面に存在する隙間（ボイド）の平均値を求めた。隙間の平均値の測定方法は、セラミックス基板と樹脂層との任意の界面を長さ２００μｍに渡って観察し、そこに写る空隙の最大径を求めた。個々の空隙の最大径の平均値を「空隙の平均値」とした。

その測定結果を下記の表１に示す。

上記表１に示す結果から明らかなように、表面粗さＲａを０．１〜５μｍの範囲に規定した場合は、ショア硬度がＡ７０以下となる樹脂層を設けることにより、セラミックス基板と樹脂層との界面に存在する空隙の平均値を３μｍ以下にすることが可能であった。一方、比較例１のようにショアＡ硬度が１００の硬い樹脂層では平均値が５．７μｍの大きな空隙が形成されていた。

（実施例１０〜１２）
セラミックス基板として、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板（熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度７００ＭＰａ）を用意した。次にホーニング加工やダイヤモンド砥石を使った研磨などの表面加工により表面粗さＲａを変えた。このような窒化珪素基板の両面に６０℃で流動性を示す熱硬化性樹脂ペーストを塗布した。塗布した樹脂層を自然乾燥させて樹脂ペースト層とした。樹脂層上に押さえ部材相当として銅板を押圧力２ＭＰａで押さえた状態で温度６０〜１２０℃×１５〜３０分に加熱して樹脂ペースト層を溶かして、その後、自然乾燥により固化させ樹脂層とした。各実施例について実施例１と同様にセラミックス基板と樹脂層との界面にある隙間の平均値を求めた。その結果を下記表２に示す。

上記表２に示す結果から明らかなように、圧接構造をとった状態で樹脂に流動性を持たせ、その後、固化させる方法であれば基板表面の微視的な凹凸に樹脂が入り込んでいくのでセラミックス基板と樹脂層との界面の隙間の平均値を１μｍ以下（ゼロ含む）と非常に小さくすることができた。

（実施例１３〜１６）
縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍの酸化アルミニウム基板（熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度４００ＭＰａ）を用いたものを実施例１３〜１４とする一方、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板（熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度５００ＭＰａ）を用いたものを実施例１５〜１６として、各基板の両面にショア硬度がＡ７０以下の樹脂層を設けた。実施例１と同様にセラミックス基板と樹脂層との界面に存在する隙間の平均値を求めた。その結果を下記表３に示す。

上記表３に示す結果から明らかなように、固化後のショア硬度がＡ７０以下となる樹脂層を形成することにより、セラミックス基板と樹脂層との界面における空隙の平均値を３μｍ以下にすることができた。

（実施例１７〜１８）
セラミックス基板の厚さを０．２０ｍｍ、１．０ｍｍに変えた以外は実施例２と同様の圧接構造用セラミックスヒートシンク材を用意した。具体的には、実施例１７として、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ０．２０ｍｍの窒化珪素基板（熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度６００ＭＰａ）を用意した。実施例２と同様の測定を行った。下記表４にその測定結果を示す。

上記表４に示す結果から明らかなように、セラミックス基板の板厚を変えても同様の特性が得られた。

（実施例１Ａ〜１８Ａおよび比較例１Ｂ、比較例２〜４）
次に実施例１〜１８および比較例１の圧接構造用セラミックスヒートシンクを用いて熱抵抗の測定を行った。

熱抵抗の測定は、各実施例および比較例の圧接構造用セラミックスヒートシンクの両面に、直径４０ｍｍ×高さ１６ｍｍの無酸素銅製ブロックにて上下から挟み、上方の銅ブロックにはヒーターを、下方の銅ブロックには水冷式冷却フィンを接触させた。この状態で５ＭＰａの加重を印加し、ヒーターを加熱し７０℃に維持し、また冷却フィンには冷却水を流し３０℃に維持した。各銅ブロックの上および下部には温度測定用の測温孔を設け、熱流束の算出を行った。また、比較のために、樹脂層を設けない以外は実施例１と同じ窒化珪素基板を用いたものを比較例２、樹脂層を設けない以外は実施例１３と同じ酸化アルミニウム基板を比較例３、樹脂層を設けない以外は実施例１５と同じ窒化アルミニウム基板を比較例４、として、実施例と同様の測定を行った。その結果を下記表５に示す。

上記表５に示す結果から明らかなように、各実施例に係る圧接構造用セラミックスヒートシンクは熱抵抗が小さく放熱性に優れていることが判明した。これはセラミックス基板と樹脂層との界面に存在する空隙を小さくしているためである。

（実施例１Ｂ〜１８Ｂ）
次に、実施例１〜１８の圧接構造を用いて半導体モジュールを作製した。半導体モジュールは図７の構造のものとした。ねじ止めによる圧力は３ＭＰａとした。各半導体モジュールについて耐久性を測定した。耐久性は半導体モジュール構造体を、５０ｃｍ間を一分間で５００回往復する振動を１００時間連続で付加したときの窒化珪素基板のクラックの発生の有無で確認した。

また、押さえ部材とセラミックス基板が直接接触している部分の最大径を求めた。最大径の測定は、ねじ止め押圧力３ＭＰａを付加した状態で断面観察を行い空隙の平均値を求めた。その結果を表６に示す。

上記表６に示す結果から明らかなように、各実施例に係る半導体モジュールは耐久性に優れていた。また、押さえ部材とセラミックス基板が直接接触する部分の最大径（ｍｍ）も１ｍｍ以下と小さかった。なお、押さえ部材とセラミックス基板とが直接接触する部分はいずれの実施例でも複数個所確認された。

１、１Ｂ、１Ｄ…圧接構造用セラミックスヒートシンク
２、２Ｄ…セラミックス基板
３…樹脂層
４…押え部材
５…セラミックス基板表面と押さえ部材が直接接触した部分
７…半導体素子
８、８Ａ…押え部材
９、１０…絶縁性スペーサ
１１…放熱部材（放熱フィン）
１２…セラミックス基板の挿通孔
１３…押え部材の挿通孔
１４…ねじ（締め付け部材）
１５…ワッシャ
１６…孔部
２０、３０…半導体モジュール

Claims (9)

1. セラミックス基板上に樹脂層を設けた圧接構造用セラミックスヒートシンク材において、上記樹脂層のデュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）が７０以下であり、上記セラミックス基板と上記樹脂層との界面に存在する空隙の平均値が３μｍ以下であり、上記セラミックス基板の表面粗さＲａが０．１〜５μｍであると共に、３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上である圧接構造用セラミックスヒートシンク材を押さえ部材によって圧接して、上記押さえ部材により圧接構造をとったときに、上記押さえ部材と上記セラミックス基板との表面が直接接触している部分があることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記樹脂層は無機フィラー粒子を含有していることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
3. 前記樹脂層のデュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）が１０以上であ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項に記載の半導体モジュール。
4. 前記セラミックス基板が、窒化珪素基板、酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板のいずれか１種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項に記載の半導体モジュール。
5. 前記樹脂層の厚さが５０μｍ以下で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項に記載の半導体モジュール。
6. 前記直接接触している部分が、最大径１ｍｍ以下の点接触である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項に記載の半導体モジュール。
7. 前記点接触が複数箇所存在することを特徴とする請求項６記載の半導体モジュール。
8. 圧接構造用セラミックスヒートシンク材を押さえ部材により圧接する構造を有する半導体モジュールの製造方法において、
   樹脂層のデュロメーター（ショア）硬さ（Ａ型）が７０以下であり、セラミックス基板と樹脂層との界面に存在する空隙の平均値が３μｍ以下であるセラミックス基板上に樹脂層を設けた圧接構造用セラミックスヒートシンク材を用意し、
   この圧接構造用セラミックスヒートシンク材を押さえ部材で圧接するときに、上記押さえ部材とセラミックス基板との表面が直接接触している部分が形成される圧力で圧接することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
9. 圧接構造用セラミックスヒートシンク材を押さえ部材により圧接する構造を有する半導体モジュールの製造方法において、
   セラミックス基板上に６０℃で流動性を示す熱硬化樹脂層を形成して圧接構造用セラミックスヒートシンク材を作製する工程と、
   押さえ部材によって圧接構造用セラミックスヒートシンク材を圧接する圧接工程と、
   ６０℃以上の熱を付加して６０℃で流動性を示す熱硬化樹脂層を固化させる固化工程と、を具備し、上記押さえ部材とセラミックス基板との表面が直接接触している部分を形成することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。

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