JP6797797B2 - セラミックス金属回路基板およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

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Description

実施形態は、概ね、セラミックス金属回路基板およびそれを用いた半導体装置に関する。
セラミックス金属回路板は、セラミックス基板上に金属板を接合して形成される。セラミックス基板としては、酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板などが用いられている。また、金属板としては銅板やアルミニウム板が用いられている。
セラミックス基板と金属板との接合は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉなどの活性金属を含有するろう材を用いた接合方法が広く用いられている。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選択される少なくとも１種の活性金属を用いたろう材は、ＡｇおよびＣｕを主成分としているろう材が例示される。また、Ｓｉを活性金属として用いたろう材例としては、Ａｌを主成分としたろう材が例示できる。
このようなセラミックス金属回路基板は、金属板上に半導体素子を実装して半導体装置として用いられている。従来のセラミックス金属回路板として、国際公開第９８／５４７６１号パンフレット（特許文献１）が例示される。特許文献１のセラミックス金属回路基板は金属板を覆うようにＮｉメッキが設けられている。このような構造とすることにより熱膨張率を調整して耐熱サイクル特性が向上することが記載されている。
国際公開第９８／５４７６１号パンフレット
金属板上への半導体素子の実装には半田が使用される。近年は、鉛の毒性に鑑みて、鉛フリー半田を使用することが主流である。日本工業規格（ＪＩＳ−Ｚ−３２８２）に示されているように、鉛フリー半田は、ＳｎＡｇ系、ＳｎＣｕ系、ＳｎＺｎ系などが使用されている。鉛フリー半田は、Ｎｉメッキ層との濡れ性は良好であるものの、それ以上の改善は見られなかった。そのため、半導体素子との接合の信頼性を、さらに向上させることには限界があった。
一方、半導体素子を搭載する面と反対側の面に接合された金属板（裏金属板）は、ヒートシンクや放熱フィンなどの放熱部材と接合される。放熱部材は銅やアルミニウムなどの金属（合金含む）が構成材として主に使用されている。裏金属板と放熱部材と接合にはグリースが用いられる。
しかしながら、金属板の表面にＮｉメッキを施さずにグリースを塗布すると、裏金属板とグリースとの密着性が悪化するという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためのものであり、表金属板と裏金属板とにおいて、接続させる部品等が異なった場合においても、それぞれ接合性を改善したセラミックス金属回路基板を提供するものである。
実施形態に係るセラミックス金属回路基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の両面にそれぞれ接合層を介して接合された金属板とを備えるセラミックス金属回路基板において、上記セラミックス基板の一方の面に設けられた金属板の表面に金属被膜が設けられる一方、他方の面に設けられた金属板の表面には金属被膜が設けられていない箇所があることを特徴とするものである。また接合層が金属板の側面からはみ出たはみ出し部が形成されていることが好ましい。また、金属板の側面およびはみ出し部を覆うように金属被膜が設けられていることが好ましい。
実施形態に係るセラミックス金属回路基板は、一方の金属板の表面に金属被膜を設け、もう一方の金属板の表面に金属被膜を設けない箇所を作っている。そのため、接合する部品に応じて表金属板および裏金属板を使い分けることができる。
また、裏金属板に金属被膜を設けることにより、グリースとの濡れ性を改善することができる。このため、グリース層を介して裏金属板と放熱部材とを一体化したときには、放熱性を向上させることができる。
また、金属板の側面を金属被膜で覆うことにより、接合層が反応性ガスと反応することを防止することができる。また、接合層のはみ出し部を金属被膜で覆うことにより、さらに耐熱サイクル（ＴＣＴ）特性を向上させることができる。
このため、信頼性が高いセラミックス金属回路基板およびそれを用いた半導体装置を提供することができる。
実施形態に係るセラミックス金属回路基板の一構成例を示す断面図である。 実施形態に係るセラミックス金属回路基板の他の構成例を示す断面図である。 実施形態に係るセラミックス金属回路基板の表金属板に金属端子を接合した構成例を示す断面図である。 実施形態に係るセラミックス金属回路基板の表金属板を２つ配置した構成例を示す断面図である。 実施形態に係る半導体装置の一構成例を示す断面図である。 実施形態に係る半導体装置の他の一構成例を示す断面図である。 実施形態に係る半導体装置のさらに他の構成例を示す断面図である。
実施形態に係るセラミックス金属回路基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の両面にそれぞれ接合層を介して接合された金属板とを備えるセラミックス金属回路基板において、上記セラミックス基板の一方の面に設けられた金属板の表面に金属被膜が設けられる一方、他方の面に設けられた金属板の表面には金属被膜が設けられていない箇所があることを特徴とするものである。
図１に実施形態に係るセラミックス金属回路基板の一構成例を示す。図中、符号１はセラミックス金属回路基板であり、２はセラミックス基板であり、３は金属板（表金属板）であり、４は金属板（裏金属板）であり、５は接合層（表側接合層）であり、６は接合層（裏側接合層）であり、７は金属被膜（裏面側金属被膜）である。また、接合層５，６が金属板３，４の側面からはみ出たはみ出し部５ａ，６ａが形成されている。
セラミックス基板２は、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸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、基板の厚さは０．１０〜１．００ｍｍの範囲であることが好ましい。基板厚さが０．１０ｍｍ未満と薄いと強度や絶縁性が低下するおそれがある。一方、基板厚さが１．００ｍｍを超えて厚いと熱抵抗が高くなり放熱性が低下する。
窒化珪素基板は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とするものである。窒化珪素基板は熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であることが好ましい。また、３点曲げ強度を高くすることにより、基板厚さを０．４０ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ以下と薄型化が可能である。また、強度が高いため、薄型化したとしても耐熱サイクル特性（ＴＣＴ特性）を向上させることができる。また、基板の薄型化によりセラミックス金属回路基板として熱抵抗を低減することができる。また、強度の高いセラミックス基板であれば、ねじ止め構造などセラミックス基板に直接応力が作用する実装構造も可能である。
また、窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする基板である。窒化アルミニウム基板は、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である高熱伝導性を有するものが好ましい。また、窒化アルミニウム基板は、一般的に熱伝導率は高いが、３点曲げ強度は５５０ＭＰａ以下と低い。また、平均的な３点曲げ強度は２００〜４００ＭＰａである。そのため、基板厚さは０．５０ｍｍ以上と厚い方が好ましい。
また、酸化アルミニウム基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とする基板である。酸化アルミニウム基板は、熱伝導率が１０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋであり、３点曲げ強度は３００〜４５０ＭＰａとなる。酸化アルミニウム基板は窒化珪素基板や窒化アルミニウム基板と比較して安価である。また、強度があまり高くないため、基板厚さは０．５０ｍｍ以上が好ましい。
金属板は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金から選ばれる１種から成るものが好ましい。銅、アルミニウムは熱伝導率および導電性が高い材料である。金属板の厚さは０．２０ｍｍ以上が好ましい。金属板を厚くすることにより、放熱性を向上させることができる。なお、金属板の厚さの上限は特に限定されるものではないが、所定の回路パターン形状への加工のし易さを考慮すると、厚さが５．００ｍｍ以下であることが好ましい。
また、セラミックス基板と金属板とは、接合層を介して接合される。接合層はＡｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）から選ばれる少なくとも１種を含有することが好ましい。接合層としては、活性金属ろう材を用いて形成することが好ましい。活性金属としては、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（珪素）から選ばれる１種または２種以上が挙げられる。
また、活性金属としてＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆを用いる場合、ＡｇおよびＣｕを含有する活性金属ろう材とすることが好ましい。この場合、活性金属ろう材は、Ａｇが４０〜８０質量％、Ｃｕが１５〜５０質量％、活性金属が０．１〜６質量％から成るものが好ましい。また、必要に応じ、Ｓｎ（錫）およびＩｎ（インジウム）から選択される少なくとも１種を５〜３５質量％添加してもよい。
また、活性金属としてＳｉを用いる場合には、Ａｌを含有する活性金属ろう材が好ましい。この場合、活性金属ろう材は、Ａｌを９０〜９９．９質量％と、Ｓｉを０．１〜１０質量％とから成るろう材が好ましい。また、必要に応じ、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）から選択される少なくとも１種を０．０１〜３質量％添加してもよい。
これら活性金属ろう材としては、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系が好ましい。Ｔｉは窒化物セラミックスと反応してＴｉＮ（窒化チタン）相を形成する。これにより、セラミックス基板と金属板との強固な接合を得ることができる。
このようなセラミックス金属回路基板において、セラミックス基板の一方の面に設けられた金属板の表面に金属被膜が設けられ、他方の面に設けられた金属板の表面には金属被膜が設けられていない箇所があることを特徴とするものである。
図１に示すセラミックス金属回路基板においては、表金属板３の表面には金属被膜を設けていない。それに対し、裏金属板４の表面に金属被膜７を設けている。金属被膜７は、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）またはこれらを主成分とする合金が好ましい。Ｎｉ合金としては、Ｎｉ−Ｐ（リン）合金、Ｎｉ−Ｂ（ホウ素）合金が挙げられる。ＮｉやＡｕは、グリースとの濡れ性が良好である。そのため、金属被膜７を、グリースを介して放熱部材と一体化したときに、グリース層において放熱性を低下させる気泡の形成を抑制できる。
また、裏面側金属板に、金属板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する金属被膜を設けることが好ましい。線膨張係数の小さい金属被膜を設けることにより、裏面側金属板をわずかに凸状にすることができる。線熱膨張係数を比較すると、銅（Ｃｕ）は１６．８ｐｐｍ／Ｋ、アルミニウム（Ａｌ）は２３ｐｐｍ／Ｋ、ニッケル（Ｎｉ）は１２．８ｐｐｍ／Ｋ、金（Ａｕ）は１４．３ｐｐｍ／Ｋとなる。
例えば、裏面側銅板の表面にＮｉ膜を設けると、Ｎｉ膜のない表面側銅板と比較してＮｉの線膨張係数が小さい分、裏面側銅板表面は凸状になり易くなる。このような構造になると、後述する図７に示すように、セラミックス基板に直接応力が作用する実装構造をとったときに、グリースが外側に均一に広がりながら実装させることができる。これにより、グリース層中における気泡の形成を抑制できる。この点からも、銅板またはアルミニウム板にＮｉまたはＡｕを主成分とする金属被膜を設けることが好ましい。これは、金属被膜とグリースとの濡れ性の良さ、金属板と金属被膜との線膨張係数の違いを利用した相乗効果である。
また、ＮｉやＡｕは耐食性が高いため、金属板が錆びることを防止できる。金属板の 錆びは酸化物が主体となる。これらの錆びは熱抵抗体となるため、発生させない方が好ましい。
また、金属被膜の平均厚さは１０μｍ以下であることが好ましい。金属被膜を過度に厚くしても、それ以上の効果が得られない。また、図４に示すように、複数の金属板を接合した場合、隣り合う金属板同士が導通するおそれがある。そのため、金属被膜の平均厚さは１０μｍ以下、さらには５μｍ以下が好ましい。
なお、金属被膜の膜厚の測定は、任意の３箇所の厚さを測定し、その平均値を平均膜厚とする。なお、後述するように金属板の側面に金属被膜を設けた場合、側面方向の厚さを求めるものとする。ここでの金属被膜形成方法は、メッキ法、スパッタ法など特に限定されるものではない。
また、金属被膜が設けられた金属板が再結晶組織を有していることが好ましい。前述のように金属板の構成材には、銅（銅合金）またはアルミニウム（アルミニウム合金）が使用される。セラミックス基板と金属板との接合温度は６００〜９００℃と高温になる。銅の再結晶温度は約２２０℃であり、アルミニウムは約２００℃である。このため、セラミックス基板と接合後の銅板やアルミニウム板は再結晶組織を有している。
再結晶組織には、１次再結晶と２次再結晶がある。１次再結晶は、金属板を加熱したときに、ひずみのない新しい結晶ができて金属板が軟化する現象を示す。また、２次再結晶は、１次再結晶を経た後、さらに大きな結晶粒が発生する現象を示す。金属板が再結晶すると、金属板表面に結晶が析出する。結晶が析出すると結晶粒および粒界で凹凸が形成される。特に２次再結晶粒は大きな結晶粒となるため、粒界の凹凸も大きくなる。再結晶組織を有している金属板の表面に金属被膜を設けておけば、再結晶組織による凹凸を解消させることができる。
前述のように接合温度が高い接合方法を用いた場合、銅板やアルミニウム板は２次再結晶まで起きる。２次再結晶粒は平均粒径が２００〜１０００μｍになる。この程度の大きな結晶粒となると金属板表面の最大高さ粗さＲｚが２μｍ以上となり、さらには４μｍ以上となってしまう。金属板表面に金属被膜を設けることにより、最大高さ粗さＲｚを１．５μｍ以下、さらには０．８μｍ以下にすることができる。最大高さ粗さＲｚを小さくすることにより、放熱部材との密着性を向上させることができる。
裏面側金属板４は、図５〜７に示すように放熱フィン１４などの放熱部材に実装される。裏面側金属板４の表面に凹凸があると、放熱部材１４との間に小さな隙間が形成されるため密着性が低下する。裏面金属板表面に金属被膜７を設けることにより、裏面側金属板４の表面を平坦面にすることができる。このため、放熱部材１４との密着性を向上させることができる。また、密着性の向上は接触熱抵抗の低減にも繋がる。
なお、金属板３，４の平均結晶粒径の測定方法は、金属板表面を光学顕微鏡で撮影する。このとき２０倍以上の倍率で測定する。長さ５ｍｍ相当を測定し、線インターセプト法で平均結晶粒径を求めるものとする。この作業を任意の３箇所（長さ５ｍｍ×３か所＝１５ｍｍ相当）の平均値を金属板の平均結晶粒径とする。なお、金属板３，４が銅板（銅合金板含む）またアルミニウム板（アルミニウム合金板含む）であるとき、平均結晶粒径が２００μｍ以上となった場合、２次再結晶していると判断してよいものとする。
また、熱抵抗低減に繋がる密着性の向上は、半導体装置のパワーサイクル特性の向上にも繋がる。
また、表金属板３の表面には金属被膜が設けられていない箇所が形成される。この金属被膜が設けられていない箇所は、後述するように半導体素子または金属端子を実装する箇所として使用される。つまり、半導体素子１１または金属端子９を実装する箇所に金属被膜が設けられていなければよいため、実装に使用されない箇所は金属被膜が設けられていてもよいし、金属被膜が設けられてなくてもよい。
また、表金属板３と裏金属板４とで金属被膜７を設けた箇所が異なるため、外観から表面と裏面を区別できるため、セラミックス金属回路基板の取扱い性が向上する。
また、接合層５，６が金属板３，４の側面からはみ出たはみ出し部５ａ，６ａが形成されていることが好ましい。接合層のはみ出し部５ａ，６ａは金属板５，６の側面からはみ出た部分である。はみ出し部５ａ，６ａが存在することにより、セラミックス基板２と金属板３，４との接合端部の応力を緩和することができる。このため、耐熱サイクル特性を向上させることができる。
また、はみ出し部５ａ，６ａの長さは０．００５〜０．３ｍｍ（５〜３００μｍ）の範囲内が好ましい。はみ出し部の長さが０．００５ｍｍ（５μｍ）未満では、はみ出し部を設ける効果が十分得られない。また、０．３ｍｍ（３００μｍ）を超えて大きいと、それ以上の効果が得られないだけでなく、隣り合う金属板との隙間を大きくするといった回路設計上の制約を受けてしまう。そのため、はみ出し部５ａ，６ａの長さは０．００５〜０．３ｍｍ、さらには０．０１〜０．１ｍｍの範囲であることが好ましい。また、はみ出し部５ａ，６ａは金属板３，４の側面に、這い上がるように構成してもよい。
また、金属板３，４の側面およびはみ出し部を覆うように金属被膜が設けられていることが好ましい。図２に金属板３，４の側面およびはみ出し部を覆うように金属被膜７，８を設けたセラミックス金属回路板の一例を示した。図中、符号１はセラミックス金属回路基板であり、２はセラミックス基板であり、３は金属板（表金属板）であり、４は金属板（裏金属板）であり、５は接合層（表側接合層）であり、６は接合層（裏側接合層）であり、７は金属被膜（裏面側金属被膜）であり、８は金属被膜（表側面側金属被膜）である。図２では、裏面側金属被膜７が裏金属板４の表面と側面および接合層６のはみ出し部６ａを覆うように設けられている。また、表側面側金属被膜８が、表金属板３の側面および接合層５のはみ出し部５ａを覆うように設けられている。
このように接合層５，６のはみ出し部５ａ，６ａを金属被膜７，８で覆うことにより、はみ出し部５ａ，６ａが腐食されるのを防止することができる。実施形態に係るセラミックス金属回路基板は半導体素子を実装することにより半導体装置となる。半導体装置は、インバータなどのパワーモジュールに組み込まれる。インバータは、エレベータ、自動車、鉄道、ポンプ、工作機械、搬送装置などの機器のモータ制御装置や電源制御装置に使用されている。
例えば、ハイブリット自動車では排ガスにＳＯ２などの硫黄成分が含まれている。前述のように接合層にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いた場合、Ａｇ（銀）とＳ（硫黄）が反応してＡｇＳなどの反応物が形成されてしまう。つまり、排ガスに長期間接触していると、反応物（ＡｇＳなど）が接合層のはみ出し部に堆積していくようになってしまう。反応物が金属板のパターン間やセラミックス基板の沿面に堆積したり、剥離したりすると導通の原因となり絶縁不良を引き起こす。Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材のように、Ａｇを多く含んだものではこのような現象が生じ易い。
実施形態に係るセラミックス金属回路基板は、接合層のはみ出し部を金属被膜で覆っているので、硫黄成分との反応を防止することができる。接合層のはみ出し部を設けたまま、反応を防止することができるので、耐熱サイクル特性を向上させたまま、腐食に強い構造にすることができる。特に、ハイブリット自動車では、１０年以上の長期間に渡って使用され続けるので、接合層のはみ出し部を金属被膜で覆う構造が有効である。言い換えると、排気ガスを排出する車両や設備に用いる回路基板として好適なものである。
また、接合層５，６のはみ出し部を金属被膜で覆うことにより、耐熱サイクル（ＴＣＴ）特性を向上させることができる。半導体素子は高性能化が進んでいる。それに伴いジャンクション温度が上昇する。ＳｉＣ素子ではジャンクション温度が１５０℃以上の高温になる。高温環境下に長時間暴露されると、接合層のはみ出し部が変形してしまう恐れがある。金属被膜ではみ出し部５ａ，６ａを覆うことにより、はみ出し部５ａ，６ａの変形を抑制することができる。特に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの軟質金属を含有する接合層では、はみ出し部が変形する恐れが高い。このはみ出し部５ａ，６ａを金属被膜で覆うことにより、はみ出し部の変形を抑制することができる。そのため、ＴＣＴ特性を向上させることができる。
また、はみ出し部５ａ，６ａの変形を防げるので、パターン間の導通不良を防ぐことも可能となる。
また、金属板表面の金属被膜が設けられていない箇所に金属端子を接合してもよい。図３に金属端子９を接合したセラミックス金属回路基板の一構成例を示す。図中、符号１はセラミックス金属回路基板であり、２はセラミックス基板であり、３は金属板（表金属板）であり、４は金属板（裏金属板）であり、５は接合層（表側接合層）であり、６は接合層（裏側接合層）であり、７は金属被膜（裏面側金属被膜）であり、８は金属被膜（表側面側金属被膜）であり、９は金属端子である。
金属端子９は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金から選ばれる１種から成ることが好ましい。また、表金属板３の表面に金属端子９が接続されている。金属端子９と表金属板３の接合は、半田付け法、超音波接合法、圧接接合法などが適用できる。
また、表金属板は複数個接合した構造であってもよい。図４に、実施形態に係る複数個の表金属板を接合したセラミックス金属回路基板の一構成例を示す。図中、符号１はセラミックス金属回路基板であり、２はセラミックス基板であり、３−１は第一の金属板（表金属板）であり、３−２は第二の金属板（表金属板）であり、４は金属板（裏金属板）であり、５は接合層（表側接合層）であり、６は接合層（裏側接合層）であり、７は金属被膜（裏面側金属被膜）であり、８は金属被膜（表側面側金属被膜）である。図４は表金属板を２個（３−１，３−２）配置した構成例である。実施形態に係るセラミックス金属回路基板１の表金属板（３−１，３−２）の数は２個に限らず、必要な個数に増やしてよいものとする。
また、複数個の表金属板を設けた構造であっても、それぞれ接合層のはみ出し部およびそれを覆うように金属被膜を設けた構造であることが好ましい。これにより、接合層のはみ出し部の腐食を防止することができるので、隣り合う金属板の間隔を０．３〜１．０ｍｍと狭くした箇所を作ることができる。この構成は回路設計の自由度が上がることを示している。
以上のようなセラミックス金属回路基板１は半導体素子を実装した半導体装置に有効である。また、金属板表面の金属被膜が設けられていない箇所に半田層を介して半導体素子を実装することが好ましい。また、前記半田層は鉛フリー半田で構成することが好ましい。
図５に実施形態に係る半導体装置の一構成例を示す。 図中、符号１はセラミックス金属回路基板であり、２はセラミックス基板であり、３は金属板（表金属板）であり、４は金属板（裏金属板）であり、５は接合層（表側接合層）であり、６は接合層（裏側接合層）であり、７は金属被膜（裏面側金属被膜）であり、８は金属被膜（表側面側金属被膜）であり、１０は半導体装置であり、１１は半導体素子であり、１２は半田層であり、１４は放熱フィンである。
図５では、表金属板３上に半田層１２を介して半導体素子１１を実装している。半田層１２は表金属板３上の金属被膜が設けられていない箇所に設けられている。また、半田層１２は鉛フリー半田で構成することが好ましい。
また、図６には、半導体装置の他の構成例を示す。図中、符号１はセラミックス金属回路基板であり、２はセラミックス基板であり、３は金属板（表金属板）であり、４は金属板（裏金属板）であり、５は接合層（表側接合層）であり、６は接合層（裏側接合層）であり、７は金属被膜（裏面側金属被膜）であり、８は金属被膜（表側面側金属被膜）であり、９は金属端子であり、１０は半導体装置であり、１１は半導体素子であり、１２は半田層であり、１４は放熱フィンであり、１５はねじである。
図６は、２枚の金属板３にそれぞれ半田層１２を介して半導体素子１１を実装した半導体装置１０を例示したものである。また、半導体素子１１への導通に金属端子９を用いたものである。また、放熱フィン１４をねじ１５で固定した構造である。
半導体素子１１への導通は図６のように金属端子９を使う方法に限らず、ワイヤボンディングを用いても良い。
また、図７に半導体装置のさらに別の構成例を示す。図中、符号１はセラミックス金属回路基板であり、２はセラミックス基板であり、３は金属板（表金属板）であり、４は金属板（裏金属板）であり、５は接合層（表側接合層）であり、６は接合層（裏側接合層）であり、７は金属被膜（裏面側金属被膜）であり、１０は半導体装置であり、１１は半導体素子であり、１２は半田層であり、１３はグリース層であり、１４は放熱フィンであり、１５はねじである。
図７はセラミックス基板２を放熱フィン１４にねじ止めする構造である。図７ではセラミックス基板２にねじ止め用の穴を設けた構造である。セラミックス基板２のねじ止め構造として、セラミックス基板を止め具で固定し、その止め具をねじ止めする方法もある。
前記鉛フリー半田はＪＩＳ−Ｚ−３２８２（２００６）に例示されている。鉛フリー半田は、Ｓｎ（錫）を主成分としている。ここでいう主成分とは、半田成分の中で質量％にて最も多く含む成分のことを意味する。また、鉛フリー半田では添加物を調整して高温系、中高温系、中温系などの特性を使い分けている。 鉛フリー半田中にも、Ａｇを５質量％以下含有しているが、硫黄成分と反応し難いＳｎを多く含んでいるので、反応物（ＡｇＳ）の生成は生じない。なお、実施形態に係る半導体装置では、鉛フリー半田に限らず、様々な接合材を用いてもよいものとする。この様々な接合材には、鉛系半田も含まれるものとする。
また、裏金属板４は、半田層１２またはグリース層１３を介して放熱フィン１４が接合されている。図５では放熱フィン１４を使った半導体装置を例示したが、放熱フィンに限らず、放熱板（ヒートシンク）、ケーシングなど様々な放熱部材を用いることができる。また、グリース層の代わりに、半田層、接着剤層を用いてもよい。また、必要に応じ、ねじ止め構造や圧接構造を用いるものとする。
また、放熱部材の構成材としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、セラミックスなどが挙げられる。また、必要に応じ、半導体装置１０を樹脂モールドするものとする。
また図７において、グリース層１３を介して放熱フィン１４に実装する構造を採用したとき、裏金属板４表面に金属被膜７を設けることにより、グリース層１３中における気泡の形成を抑制することができる。気泡を低減し、密着性を向上させることは熱抵抗の低減となり、放熱性がさらに向上する。この放熱性の向上は、さらに半導体装置のパワーサイクル特性を向上させることに繋がる。
ここでパワーサイクル特性試験とは、半導体装置の温度が比較的安定した状態でスイッチング動作を繰り返して行う耐久性試験である。オンオフを繰り返しながら行う故障モードを再現する試験である。放熱性が不十分であると、半導体素子の熱が十分に逃げないため、接合不良が生じ易くなる。なお、半導体素子がパワー素子の場合は断線通電試験と呼ぶこともある。
次に実施形態に係るセラミックス金属回路基板および半導体装置の製造方法について説明する。実施形態に係るセラミックス金属回路基板の製造方法は、特に限定されるものではないが効率よく製造するための方法として次の手順が挙げられる。
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、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板のいずれか１種が好ましい。窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板は、前述に示した基板であることが好ましい。また、基板の厚さは０．１〜１．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。また、基板の強度や熱伝導率に応じて基板厚さを選択するものとする。
次に、金属板を用意する。金属板は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金から選択される１種であることが好ましい。金属板の厚さは０．２〜５．０ｍｍの範囲であることが好ましい。
次に、活性金属ろう材を用意する。活性金属はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉから選択される１種であることが好ましい。
金属板が銅板または銅合金板である場合は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選択される１種の活性金属と、ＡｇおよびＣｕを含有する活性金属ろう材が好ましい。また、必要に応じ、ＳｎおよびＩｎの１種または２種を含有させるものとする。
また、金属板がアルミニウム板またはアルミニウム合金板である場合は、ＳｉとＡｌを含有する活性金属ろう材であることが好ましい。また、必要に応じ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａから選択される１種または２種以上を含有させるものとする。
一方、活性金属ろう材にバインダーを混合して活性金属ろう材ペーストを調製する。活性金属ろう材ペーストをセラミックス基板上に塗布し、その上に金属板を配置する。活性金属ろう材ペーストは、ベタ塗りであってもよいし、パターン形状に塗布してもよい。また、金属板のサイズも、ベタ板であってもよいし、予めパターン形状に加工したものを用いてもよい。また、ベタ板を接合した場合はエッチング加工によりパターン形状にするものとする。
また、接合層のはみ出し部を形成する方法としては、活性金属ろう材ペーストの塗布領域を予めはみ出し部を考慮して広く塗布する方法が挙げられる。また、別の方法としては、接合後の金属板の端部をエッチング加工して、端部の接合層を残してはみ出し部を形成する方法が挙げられる。この工程により、セラミックス基板の両面に金属板を接合する。
次に、金属被膜を設ける工程を行う。金属被膜は、ＮｉまたはＡｕを主成分とすることが好ましい。また、金属被膜は平均厚さを１０μｍ以下にする、さらには５μｍ以下にすることが好ましい。
また、金属被膜を設けたくない箇所にはマスク材を設ける。マスク材はエッチングレジストまたは耐メッキレジストを用いることが好ましい。エッチングレジストを用いることにより、金属板の側面をエッチングする工程を行った後に、金属被膜を設ける工程を実施することもできる。また、裏面または表面のどちらか一方から金属被膜を設ける工程を実施することが好ましい。また、金属被膜を設けた後、薬液や研磨などにより金属被膜を除去する工程であってもよい。この工程により、金属被膜を設けたセラミックス金属回路基板を作製することができる。
次に半導体素子を実装する工程を実施する。まず、表金属板の表面の金属被膜が設けられていない箇所に半田層を設ける。半田層上に半導体素子を載せて、熱処理することにより接合する。
半田層は鉛フリー半田で構成することが好ましい。また、鉛フリー半田としてはＪＩＳ−Ｚ−３２８２に示された半田であることが好ましい。ＪＩＳ−Ｚ−３２８２に示された鉛フリー半田は、Ａｇの含有量が５．２質量％以下である。Ａｇ含有量が１０質量％以下と少ないので半田層表面にＡｇがむき出しになり難い。そのため、硫黄成分との反応物は形成され難い。
また、セラミックス金属回路基板をモジュール化する際は、裏金属板被膜７を設けた裏金属板４にグリース層１３を介して放熱部材に実装する。また、グリース層の代わりに、半田層、接着剤層を用いてもよい。また、必要に応じ、ねじ止め構造や圧接構造を用いてよいものとする。裏金属板４に裏金属被膜７を設けてあるので、グリース層、半田層、接着剤層との密着性がよい。
また、モジュール構造の複雑化に伴い半導体素子の実装工程と、セラミックス回路基板を放熱部材に一体化する実装工程を別々に実施することがある。裏金属板に金属被膜を設けておくことにより、半導体素子実装工程中の熱処理にて、裏金属板表面が酸化されるのを抑制することができる。同様に、大型のセラミックス回路基板から多数個取りする際に、予め半導体素子を実装してから分割する方法もある。
このように半導体素子を先に実装してから、放熱部材に実装する工程を実施するためのセラミックス回路基板に有効である。
（実施例）
（実施例１〜１０および比較例１〜２）
セラミックス金属回路基板の構成材として、表１に示す各試料を用意した。窒化珪素基板は、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋであり、３点曲げ強度が６５０ＭＰａの基板を使用した。ＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板は、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋであり、３点曲げ強度が３５０ＭＰａである基板を用いた。アルミナ（酸化アルミニウム）基板は、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、３点曲げ強度が４００ＭＰａである基板を用いた。アルジル（ＺｒＯ２を２０ｗｔ％含有したＡｌ２Ｏ３）基板は、熱伝導率が２５Ｗ／ｍ・Ｋであり、３点曲げ強度が４５０ＭＰａである基板を用いた。
また、接合ろう材の「Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ」組成は、Ａｇ６８ｗｔ％と、Ｃｕ３０ｗｔ％と、Ｔｉ２ｗｔ％とから成るものである。また、「Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ」組成は、Ａｇ５８ｗｔ％と、Ｃｕ２５ｗｔ％と、Ｓｎ１４ｗｔ％と、Ｔｉ３ｗｔ％とから成るものである。また、「Ａｌ−Ｓｉ」組成は、Ａｌ９９ｗｔ％と、Ｓｉ１ｗｔ％とから成るものである。これら接合ろう材は、ＴｉまたはＳｉを含有していることから活性金属接合ろう材である。
それぞれの接合ろう材をバインダーと混合して、接合ろう材ペーストを調製した。セラミックス基板上に接合ろう材ペーストを厚さ４０μｍで塗布した。その上に金属板を配置する。セラミックス基板の両面について、この工程を行い、熱処理してセラミックス金属回路基板を調製した。熱処理温度は「Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ」ろう材または「Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ」ろう材は８００〜９００℃であり、「Ａｌ−Ｓｉ」ろう材は６００〜８００℃の範囲内とした。なお、表金属板は金属板間の距離を１ｍｍにして接合した。
Figure 0006797797
次に、各セラミックス金属回路基板（試料１〜６）にメッキ処理を実施し、所定の箇所に金属被膜を設けた。これにより、表２に示す実施例１〜１０に係るセラミックス金属回路基板を調製した。比較例１は試料１のまま（金属被膜を全く設けないもの）とした。また、比較例２は、表裏の金属板の表面に金属被膜を設けたものを用意した。また、金属板の側面に金属被膜を設けたものは接合層のはみ出し部を覆うように設けたものである。
また、金属被膜を設けた面の最大高さ粗さＲｚを求めた。Ｒｚの測定はＪＩＳ−Ｂ−０６０１に準じて実施した。
Figure 0006797797
上記実施例および比較例に係る各セラミックス金属回路基板に半導体素子を実装した。半導体素子の実装は鉛フリー半田を用いて、２つの表金属板にそれぞれ実装した。なお、鉛フリー半田層の厚さは５０ μｍで統一した。半導体素子にワイヤボンディングを実施して通電回路を形成した。
次に、ケースジョイニング後、ポッティングゲルを充填してベースレスタイプのパワーモジュールを作製した。次に、裏金属板側にシリコーングリース層（厚さ１００μｍ）を介してＡｌ放熱板をねじ止めした。これによりインバータ（半導体装置）を作製した。
このようなインバータを用いて熱抵抗、ＴＣＴ特性を測定した。熱抵抗に関しては、半導体素子を発熱（駆動）させ、熱抵抗（Ｋ／Ｗ）を測定した。また、ＴＣＴ試験は、温度−４０℃×３０分保持 →２５℃×１０分 →１７５℃×３０分 →温度２５℃×１０分保持を１サイクルとして、１０００サイクル後の熱抵抗を測定した。
また、ＴＣＴ試験後の表金属板間（パターン間）の不良発生率を測定した。不良発生率は、それぞれ１００個ずつＴＣＴ試験を実施し、パターン間の導通不良が発生した割合を測定した。
また、ＴＣＴ試験後のはみ出し部の変形の有無は、上記ＴＣＴ試験の前と後で上からＳＥＭ写真を撮影して変形の有無を確認した。その結果を下記表３に示す。
Figure 0006797797
上記表３に示す結果から明らかなように、各実施例に係る半導体装置によれば、ＴＣＴ試験後も熱抵抗の変化が小さい。これは、ＴＣＴ特性が良好であるためである。また、パターン間の不良も発生しなかった。
次に、各実施例および比較例に係るセラミックス金属回路板に対し、ＳＯ２を含む雰囲気中に１００時間放置した。その後、前述と同様のＴＣＴ試験を１０００サイクル実施し、熱抵抗およびパターン間の不良率を測定した。それらの測定結果を下記表４に示す。
Figure 0006797797
上記表４に示す結果から明らかなように、実施例２−１０に係るセラミックス金属回路基板によれば、側面に金属被膜を設けたものでは、ＳＯ２含有雰囲気による腐食が起きていないため、ＴＣＴ特性およびパターン間の不良発生率がゼロであった。それに対し、側面に金属被膜を設けていない箇所が存在する実施例１、比較例１、比較例２はＳＯ２と接合層とが反応してＡｇＳが形成されていた。このため、側面に金属被膜を設けたセラミックス金属回路基板は、ＳＯ２による腐食に対して、強い耐久性を有することが判明した。
（実施例１Ａ〜１０Ａおよび比較例１Ａ〜２Ａ）
セラミックス基板の長辺の長さを２０ｍｍ長くした点以外は実施例１〜１０および比較例１〜２のセラミックス金属回路基板を用いて、図７に示すように、ねじ止め構造を有する半導体装置をそれぞれ作製した。ねじ止め構造はセラミックス基板２にねじ穴を設けて、直接放熱板（放熱フィン１４）にねじ１５を挿通してねじ止めを行った。各半導体装置に対してパワーサイクル試験を実施した。パワーサイクル試験は、温度８０〜１５０℃（ΔＴ＝７０℃）の条件で実施し、故障発生までのサイクル回数を測定した。そして故障発生までのサイクル回数が１０万回以上を○で表示し、１万回以上１０万回未満を△で表示し、１万回未満を×で表示した。その測定結果を下記表５に示す。
Figure 0006797797
 上記表５に示す結果から明らかなように、各実施例１Ａ−１０Ａに係る半導体装置は耐久性に優れていた。特にグリース層を介する接合構造が有効であることが確認された。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、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、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、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。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１ …セラミックス金属回路基板
２ …セラミックス基板
３ …金属板（表金属板）
３−１ …第一の金属板（表金属板）
３−２ …第二の金属板（表金属板）
４ …金属板（裏金属板）
５ …接合層（表側接合層）
５ａ…接合層のはみ出し部
６ …接合層（裏側接合層）
６ａ…接合層のはみ出し部
７ …金属被膜（裏面側金属被膜）
８ …金属被膜（表側面側金属被膜）
９ …金属端子
１０ …半導体装置
１１…半導体素子
１２ …半田層
１３ …グリース層
１４ …放熱フィン（放熱部材）
１５ …ねじ

Claims (12)

  1. セラミックス基板と、このセラミックス基板の第１の面及び第２の面にそれぞれ接合層を介して接合された第１の金属板及び第２の金属板とを備えるセラミックス金属回路基板において、
    前記第１の金属板の、前記セラミックス基板との接合面の反対側の面に金属被膜が設けられ、
    前記第２の金属板の、前記セラミックス基板との接合面の反対側の面の一部には半導体素子又は金属端子を実装するために金属被膜が設けられていない箇所が存在し、
    前記第１の金属板及び前記第２の金属板は、それぞれ、銅と、銅合金と、アルミニウムと、アルミニウム合金とから選ばれた１種類からなり、
    前記第１の金属板及び／又は前記第２の金属板の、前記金属被膜が設けられた面の最大高さＲｚは、１．５μｍ以下であり、
    前記金属被膜の平均膜厚は、１０μｍ以下である、
    ことを特徴とするセラミックス金属回路基板。
  2. 前記接合層には前記第１の金属板及び前記第２の金属板の側面からはみ出たはみ出し部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のセラミックス金属回路基板。
  3. 前記第１の金属板及び前記第２の金属板の側面および前記はみ出し部を覆うように金属被膜が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のセラミックス金属回路基板。
  4. 前記接合層はＡｇ、Ｃｕ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種を含有す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項に記載のセラミックス金属回路基板。
  5. 前記金属被膜がニッケル、金、またはこれらを主成分とする合金から選択される選ばれる１種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項であることを特徴とするセラミックス金属回路基板。
  6. 前記セラミックス基板が、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板から選択される１種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項に記載のセラミックス金属回路基板。
  7. 前記第２の金属板の表面の前記金属被膜が設けられていない箇所に前記金属端子を接合したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  8. 前記第１の金属板が再結晶組織を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  9. 前記第１の金属板及び前記第２の金属板の平均結晶粒径は、２００μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の前記セラミックス金属回路基板に半導体素子を実装したことを特徴とする半導体装置。
  11. 前記第２の金属板の表面の金属被膜が設けられていない箇所に半田層を介して前記半導体素子を実装したことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 前記半田層は鉛フリー半田で構成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
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