JP6896734B2 - 回路基板および半導体モジュール - Google Patents

Description

実施形態は、回路基板および半導体モジュールに関する。

近年、産業機器の高性能化に伴い、それに搭載されるパワーモジュールの高出力化が進んでいる。これに伴い半導体素子の高出力化が進んでいる。半導体素子の動作保証温度は、１２５℃〜１５０℃であり、今後は１７５℃以上に上昇することが見込まれている。

半導体素子の動作保証温度の上昇に伴いセラミックス金属回路基板に対して高いサーマルサイクルテスト（ＴＣＴ）特性が要求される。ＴＣＴは、低温→室温→高温→室温を１サイクルとし、セラミックス金属回路基板の耐久性を測定する手法である。

従来のセラミックス金属回路基板の例は、空隙が無いろう材はみ出し部を有するセラミックス金属回路基板を含む。セラミックス基板として窒化珪素基板を使用した例は５０００サイクルの耐久性を有する。ろう材はみ出し部の空隙を無くすことにより、ＴＣＴ特性を改善することができる。しかしながら、半導体素子の高性能化に伴い動作保証温度が１７５℃以上に上昇することが見込まれている。

一方、半導体素子の高性能化に伴い、通電容量を増やすために、大きな外部端子を用いることが検討されている。例えば、外部端子の接合部の厚さは３ｍｍ以上である。外部端子は、リードフレーム、リードピンなど様々な形状を有する。通電容量を増やすためにはワイヤボンディングのような細線ではなく、比較的厚いリードフレームを用いることが有効である。

金属板の半導体素子を搭載する箇所のみを厚くして、素子の熱を逃がしやすくすることも有効である。半導体素子を搭載する箇所のみを厚くした金属板は凸部を有する。このように、金属板に凸部を設けることにより、通電容量の確保や放熱性の向上のために、金属板を凸部を有する立体構造に加工することが試みられている。

金属板に凸部を設けると、セラミックス回路基板が大きく湾曲してしまう。セラミックス回路基板が湾曲すると放熱部材に実装する際の実装不良が起きやすい。金属板に凸部を有するセラミックス回路基板にて高温側が１７５℃であるＴＣＴを行ったとき、必ずしも良い特性が得られない。これは、リード端子や金属板が厚くなるに従ってセラミックス回路基板にかかる応力が高くなるためである。このため、金属板に凸部を設けても湾曲せず、良いＴＣＴ特性を有するセラミックス回路基板が求められている。

国際公開第２０１１／０３４０７５号公報 特開２００４−１３４７０３号公報

実施形態にかかる回路基板は、第１の面と第２の面とを有する、厚さ０．５ｍｍ以下のセラミックス基板と、第１の面に接合された第１の金属板と、第１の金属板の表面から突出する凸部と、を有する第１の金属部と、第２の面に接合された第２の金属板を有する第２の金属部と、を具備する。第１および第２の金属板の少なくとも一つの厚さは０．６ｍｍ以上である。第２の金属板の合計体積に対する第１の金属板の合計体積の比が１．０よりも大きい。セラミックス基板が長辺方向に沿って第１ないし第３の分割部に等分割されるとき、第１の金属部は、第１の分割部に重畳する第１の領域と、第２の分割部に重畳する第２の領域と、第３の分割部に重畳する第３の領域と、を有する。第２の金属部は、第１の分割部に重畳する第４の領域と、第２の分割部に重畳する第５の領域と、第３の分割部に重畳する第６の領域と、を有する。第１の領域の体積Ｖ_１、第２の領域の体積Ｖ_２、第３の領域の体積Ｖ_３、第４の領域の体積Ｖ_４、第５の領域の体積Ｖ_５、および第６の領域の体積Ｖ_６は、（Ｖ_４／Ｖ_１）＋（Ｖ_６／Ｖ_３）≦２（Ｖ_５／Ｖ_２）と、０．５≦Ｖ_４／Ｖ_１≦２と、０．５≦Ｖ_５／Ｖ_２≦２と、０．５≦Ｖ_６／Ｖ_３≦２と、を満足する数である。

セラミックス回路基板の一例を示す図。 セラミックス回路基板の他の一例を示す図。 セラミックス回路基板のさらに別の一例を示す図。 セラミックス回路基板の金属板の厚さを例示する図。 セラミックス基板の反り量を例示する図。 セラミックス基板の反り量を例示する図。 半導体モジュールの一例を示す図。 接合層はみ出し部と金属板側面の接触角を例示する図。 表銅板の配置位置を示す図。

図１〜図３は実施形態にかかるセラミックス回路基板の例を示す。図１〜３は、セラミックス回路基板１と、セラミックス基板２と、表金属板３と、裏金属板４と、凸部（外部端子または表金属板３の凸部）５と、を図示している。図１では、表金属板３にリードピン型の外部端子が接合されている。図２では、表金属板３にリードピン型およびリードフレーム型の外部端子が接続され凸部５を形成している。図２では、２つの表金属板３にそれぞれ２つの外部端子が接合され凸部５を形成している。図３は凸部５を有する表金属板３がセラミックス基板２に接合されている。

セラミックス基板２の厚さは０．５０ｍｍ以下であることが好ましい。セラミックス基板２の厚さが０．５０ｍｍを超えると、放熱性を低下させるおそれがある。後述するように、外部端子と接合する前のセラミックス回路基板の反り量の制御が難しくなる。

セラミックス基板２は、厚さが０．５０ｍｍ以下であれば、その材質は特に限定されない。セラミックス基板２は、厚さ０．３３ｍｍ以下、３点曲げ強度５００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。窒化珪素基板の厚さは、０．３３ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ未満まで薄型化できる。セラミックス基板２は、熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度５００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。セラミックス基板２を薄くすることにより放熱性を向上させることができる。熱伝導率を高くすることにより、さらに放熱性を向上させることができる。３点曲げ強度は５００ＭＰａ以上、さらには６００ＭＰａ以上であることが好ましい。基板の強度を上げることにより、後述するように凸部を有する金属板を接合したとしても、反り量を低減することができる。窒化珪素基板は、薄型化、高熱伝導化、高強度化を両立できる基板である。

表金属板３および裏金属板４の少なくとも一つの厚さは０．６ｍｍ以上であることが好ましい。表金属板３は外部端子や半導体素子を接合するための金属板である。裏金属板４は、放熱部材などに実装するために用いられる。表金属板３および裏金属板４の少なくとも一つは、銅、アルミニウムまたはそれらの合金を含むことが好ましい。銅およびアルミニウムは導電性が良い。銅およびアルミニウムの熱伝導率は高く、銅の熱伝導率は３９８Ｗ／ｍ・Ｋであり、アルミニウムの熱伝導率は２３７Ｗ／ｍ・Ｋである。このため、放熱性を上げることができる。

図４は表金属板３の厚さの測定基準を例示する図である。図４は、セラミックス基板２と、表金属板３と、リードピン型の外部端子５１と、凸部５２と、金属板３の厚さｔと、を図示する。図４に示すように、外部端子５１を接続する場合は、外部端子５１を接続する前の表金属板３の厚さを表金属板３の厚さｔと定義する。表金属板３に凸部５２を形成する場合、凸部５２を除いた部分の厚さを表金属板３の厚さｔと定義する。裏金属板４の厚さも同様に定義する。

金属板（表金属板３および裏金属板４）の厚さｔを０．６ｍｍ以上にすることにより、放熱性を向上させることができる。金属板の厚さｔは、０．６ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上であることが好ましい。金属板の厚さｔの上限は特に限定されないが、３ｍｍ以下であることが好ましい。実施形態にかかるセラミックス回路基板は、表金属板３に凸部を有する構造である。凸部は外部端子を接合した構造や金属板に凸部を設けた構造を有する。表金属板３が部分的に厚い構造であるため、金属板が厚すぎるとセラミックス基板の反り量を低減することが困難となる恐れがある。このため、金属板の厚さｔは０．６ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましい。

表金属板３の合計体積に対する裏金属板４の合計体積の比（裏金属板４の合計体積／表金属板３の合計体積）は１．０よりも大きいことが好ましい。すなわち、裏金属板４の合計体積と表金属板３の合計体積の比を制御する。裏金属板４、表金属板３の個数はそれぞれ１つでもよいし、複数個でも良い。表金属板３の合計体積比を求めるとき、凸部はカウントしない。つまり、表金属板３の体積は厚さｔで示される範囲の体積を合計することにより求められる。

裏金属板４の合計体積／表金属板３の合計体積が１．０より大きいということは、裏金属板４の体積が大きいことを表す。裏金属板４の体積を大きくすることにより、表面金属板３に凸部５１を設けたとしてもセラミックス基板２の反り量を容易に小さくすることができる。

凸部５は表金属板３上に一つ以上設けられている。凸部５は、外部端子５１を接合した構造、金属板に凸部５２を設けた構造を示す。外部端子は、外部と導通を図るために設けられる。外部端子の形状の例は、リードフレーム型、リードピン型など様々な形状を含む。すなわち、凸部５は、金属板の一部、リードフレームの一部、またはリードピンの一部であってもよい。外部端子と表金属板３の接合方法例は、はんだ、ろう材などの接合層を介する接合方法、超音波接合や圧接接合など直接接合する方法を含む。金属板に凸部を設けた構造とは、金属板自体を断面凸状に加工したもの、凸部を接合したものが挙げられる。凸部を接合する方法例は、はんだ、ろう材などの接合層を介する接合方法、超音波接合や圧接接合など直接接合する方法を含む。表金属板３に設けた凸部は、半導体素子を搭載する台座部として用いられる。すなわち、半導体素子は、第１の金属部に搭載される。このため、外部端子と表金属板３に設けた凸部（台座部）は区別される。

外部端子の厚さは、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。外部端子がリードフレーム型のように平板形状を有する場合、平板の板厚が外部端子の厚さとなる。外部端子がリードピン型のように円柱形状を有する場合、直径が外部端子の厚さとなる。外部端子の厚さを０．２ｍｍ以上、さらには０．４ｍｍ以上にすることにより、通電容量を増やすことができる。通電容量を増やすことにより、高性能化された半導体素子の特性を活かすことができる。

台座部（表金属板３に設けた凸状部）の厚さは０．２ｍｍ以上であることが好ましい。台座部は半導体素子を搭載する場所として使用される。半導体素子を搭載する箇所を厚い金属板で構成することにより放熱性を向上させることができる。外部端子または台座部からなる凸部は、表金属板３上の任意の箇所に設けるものとする。設ける個数についても任意である。

セラミックス基板２が長辺方向に沿って第１の分割部（左側）、第２の分割部（中央側）、および第３の分割部（右側）に等分割される場合、凸部と表金属板３とを含む第１の金属部は、第１の分割部に重畳する第１の領域と、第２の分割部に重畳する第２の領域と、第３の分割部に重畳する第３の領域と、を有する。裏金属板４を含む第２の金属部は、第１の分割部に重畳する第４の領域と、第２の分割部に重畳する第５の領域と、第３の分割部に重畳する第６の領域と、を有する。

第１の領域の体積Ｖ_１、第２の領域の体積Ｖ_２、第３の領域の体積Ｖ_３、第４の領域の体積Ｖ_４、第５の領域の体積Ｖ_５、および第６の領域の体積Ｖ_６は、Ｖ_４／Ｖ_１＋Ｖ_６／Ｖ_３≦２（Ｖ_５／Ｖ_２）と、０．５≦Ｖ_４／Ｖ_１≦２と、０．５≦Ｖ_５／Ｖ_２≦２と、０．５≦Ｖ_６／Ｖ_３≦２と、を満たす数であることが好ましい。

０．５≦Ｖ_４／Ｖ_１≦２、０．５≦Ｖ_５／Ｖ_２≦２、０．５≦Ｖ_６／Ｖ_３≦２、を満たすことは、それぞれ向かい合う領域の金属板の体積比が所定の範囲内であることを示す。この範囲を外れると、表面側または裏面側の金属板体積が大き過ぎる。これにより、セラミックス基板の反り量が増加し、ＴＣＴ特性の低下を招く。表金属板３に凸部を設けている場合、凸部は体積Ｖ_１〜体積Ｖ_３に含まれる。図２のようにリードフレーム型外部端子がセラミックス基板の長辺からはみ出している場合、はみ出した部分はＶ_１、Ｖ_３にカウントしない。

Ｖ_４／Ｖ_１は０．８〜１．７の範囲内であることが好ましい。同様に、Ｖ_５／Ｖ_２およびＶ_６／Ｖ_３も０．８〜１．７の範囲内であることが好ましい。表金属板３に凸部を設けているにも関わらず、体積比が所定の範囲に調整されている。

Ｖ_１ないしＶ_６は、Ｖ_４／Ｖ_１＋Ｖ_６／Ｖ_３≦２（Ｖ_５／Ｖ_２）をさらに満たすことが好ましい。セラミックス基板２を長辺方向に沿って３等分したとき、（Ｖ_５／Ｖ_２）の２倍よりも、（Ｖ_４／Ｖ_１）と（Ｖ_６／Ｖ_３）との合計の方が小さいことを示している。これは、実質的に、Ｖ_４／Ｖ_１≦Ｖ_５／Ｖ_２かつＶ_６／Ｖ_３≦Ｖ_５／Ｖ_２であることを示している。

セラミックス回路基板１の反り量は、セラミックス基板２と金属板の線膨張率の差に影響を受ける。窒化珪素基板の線膨張係数（室温）は２〜３×１０^−６／Ｋである。Ｋはケルビンを表す。銅は０．１６２×１０^−４／Ｋ、Ａｌは０．２３７×１０^−４／Ｋである。窒化珪素基板と銅板またはＡｌ板とは線膨張係数が３桁異なっている。セラミックス基板２と金属板を加熱接合するときの熱により金属板が熱変形する。この熱変形によりセラミックス基板２が湾曲し、反りが生じる。金属板の体積が大きくなるほど熱変形の絶対量が増えることになる。熱変形の絶対量が増えるとセラミックス基板２の反り量が大きくなる。セラミックス基板２の反り量が増えると、放熱部材への実装不良やＴＣＴ特性の低下を招く。

反り量が大きい場合、反り直し工程を行うことが考えられる。反り直し工程は、セラミックス回路基板を平板で挟んで加熱加圧する工程である。実施形態にかかるセラミックス回路基板のように、凸部（外部端子、台座部）を有する構造では平板で挟みこむことができないため、反り直し工程を行いにくい。実施形態にかかるセラミックス回路基板は「Ｖ_４／Ｖ_１＋Ｖ_６／Ｖ_３≦２（Ｖ_５／Ｖ_２）」かつ「０．５≦Ｖ_４／Ｖ_１≦２、０．５≦Ｖ_５／Ｖ_２≦２、０．５≦Ｖ_６／Ｖ_３≦２」である。これにより、凸部（外部端子、台座部）を有する構造であるにも関わらず、セラミックス基板２の長辺および短辺の反り量を０．１ｍｍ未満（ゼロ含む）にすることができる。凸部構造を設けた後に反り直し工程を行わなくても反り量を０．１ｍｍ未満（ゼロ含む）にすることができる。

図５および図６はセラミックス回路基板の反り量を例示する図である。図５および図６は、セラミックス基板２と、反り量Ｓと、を図示する。図５および図６では表金属板３、裏金属板４、凸部の図示は省略している。図５では、セラミックス基板２が表金属板３側に凸状に反っており、図６ではセラミックス基板２が裏金属板４側に凸状に反っている。図５に示すように表金属板３側に凸状に反った場合は、セラミックス基板２の端から端に引いた直線と、セラミックス基板２の裏面とで一番離れた距離を反り量とする。図６のように裏金属板４側に凸状に反った場合は、セラミックス基板２の端から端に引いた直線と、セラミックス基板の表面とで一番離れた距離を反り量とする。

実施形態にかかるセラミックス回路基板１は、長辺および短辺の両方共に反り量が０．１ｍｍ未満、さらには０．０１ｍｍ以下（ゼロ含む）であることが好ましい。凸部（外部端子、台座部）を有する上でセラミックス回路基板１の反り量を低減することにより、放熱部材に容易に実装することができる。

セラミックス基板２の長辺および短辺の長さは１０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲内が好ましい。長辺および短辺の長さが１０ｍｍ未満では小さな金属板しか接合できないため、外部端子などを接合するスペースを十分に確保できなくなる恐れがある。２００ｍｍを超えて大きいと、反り量の制御が難しくなる。

図７は半導体モジュールの一例を示す。図７は、半導体モジュール１０と、セラミックス回路基板１と、半導体素子６と、放熱部材７と、を図示している。半導体モジュール１０は、表金属板３上に搭載された半導体素子６を具備する。図７では２個の半導体素子６が搭載されているが、半導体素子６の搭載個数は１個以上であれば特に限定されない。裏金属板４は放熱部材７に実装される。図７では放熱部材７が板状のヒートシンクであるが、くし歯状、溝型やピン型など様々な形状であってもよい。放熱部材７はセラミックス回路基板１を実装することができる。

裏金属板４と放熱部材７の間には、グリース、はんだ、ろう材、接着剤などの介在物を介することが好ましい。セラミックス回路基板１を放熱部材７に実装する際、セラミックス回路基板１をねじ止めなど応力を負荷した方法により固定することが好ましい。応力を負荷した固定方法は、セラミックス基板２にねじ止めの孔を設けてねじ止めする方法が挙げられる。セラミックス基板２を固定治具で挟んで固定治具をねじ止めする方法も挙げられる。

セラミックス回路基板１の裏金属板４と放熱部材７との間に隙間があると、半導体素子６の熱を放熱部材７に逃がし難い。裏金属板４と放熱部材７の間の介在物（例えば、グリース層）中に隙間（気泡）が形成された場合も、半導体素子６の熱を放熱部材７に逃がし難くなる。このため、裏金属板４と放熱部材７の密着性を高める必要がある。実施形態にかかるセラミックス回路基板は反り量が低減されているため、放熱部材７に実装する際に裏金属板４との密着性を高めることができる。これにより介在物中の隙間を低減することができる。セラミックス回路基板１に応力をかけた固定構造を設けても、裏金属板４と放熱部材７の密着性を低下させることがない。介在物を介して固定構造を設けるときは、セラミックス基板２が裏面側に凸状に反った形状であることが好ましい。図６のように裏面側に凸状に反った構造でセラミックス回路基板の両サイドをねじ止めすると、裏金属板４と放熱部材の間の介在物が中央から外側に広がりながら固定することができる。グリースなどの介在物が外側に広がることにより、介在物層中に気泡が形成されるのを防ぐことができる。

図５のように表面側に凸状に反った場合であっても反り量を低減してあるため、介在物層中の気泡が多く形成されることを防ぐことができる。はんだなどの導電性のある介在物を用いるとき、ねじ止め応力によって必要以上にはんだがはみ出ることを防ぐことができる。はんだやろう材のように熱によって溶融する介在物の場合、表面側に凸状に反った構造の方が好ましい。

言い換えると、裏金属板４と放熱部材７の間に介在物を設けない構造または絶縁性の介在物を介す構造のときは、裏面側に凸状に反った構造が好ましい。導電性の介在物を介すときは表面側に凸状に反った構造が好ましい。

上記のようなセラミックス回路基板１であれば、表金属板３に凸部を設けているにも関わらず、反り量が小さい。ＴＣＴ特性も向上させることができる。

セラミックス基板２と金属板を接合する接合層をはみ出させること、金属板側面を傾斜構造にすることも、ＴＣＴ特性向上に有効である。図８はセラミックス基板２と金属板の接合側面を例示する図である。図８は、セラミックス基板２と、表金属板３と、接合層８と、接合層と金属板の接触角θと、を図示する。図８では表金属板３を例示するが、裏金属板４についても同様の構造とすることが好ましい。

実施形態にかかるセラミックス回路基板は、セラミックス基板と金属板の接合は、接合層を介した接合構造、接合層を介さずに直接接合する接合構造のどちらであってもよい。上記に示すような表金属板と裏金属板との体積比を制御することにより、反り量の制御は可能である。一方、ＴＣＴ特性をさらに向上させるには接合層を介した接合構造であることが好ましい。接合層は、セラミックス基板と金属板の間の熱応力の緩和層として機能する。熱応力の緩和効果を向上させるためには、金属板端部から接合層がはみ出た構造を具備することが好ましい。熱応力がかかったとき、金属板の端部とセラミックス基板の部分の応力が高くなる。接合層はみ出し部を設けることにより、この応力を緩和することができる。接合層はみ出し部のはみ出し量は１０μｍから１００μｍの範囲内であることが好ましい。

接合層は、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、およびＡｌ（アルミニウム）から選ばれる少なくとも一つの元素を主成分として含むことが好ましい。Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（珪素）、およびＭｇ（マグネシウム）から選ばれる少なくとも一つの活性金属を含有することが好ましい。これらの組合せであれば、熱応力を緩和する効果が得られる。

接合層の例は、ＡｇおよびＣｕに、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素を含む接合層を含む。また、Ａｌに、ＳｉまたはＭｇから選ばれる１種または２種を含む接合層が挙げられる。この中ではＡｇまたはＣｕを主成分とする接合層が好ましい。ＡｇまたはＣｕを主成分とする接合層は銅板を接合する場合に有効である。銅板はＡｌ板と比べて熱伝導率が高いことから放熱性向上に有効である。銅板厚さを０．６ｍｍ以上とすることによりチップ直下方向だけでなく面方向へも熱を拡散させることができ、放熱性を向上させることができる。

ＡｇおよびＣｕに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる１種または２種以上を含有した接合層を形成するには、それぞれの成分を含有したろう材を用いることが好ましい。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる活性金属の中ではＴｉが好ましい。セラミックス基板として窒化珪素基板を使用したとき、ＴｉはＴｉＮを形成して強固な接合を形成することができる。これらろう材に、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（錫）、およびＣ（炭素）から選ばれる少なくとも一つの元素を添加することも有効である。

Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉからなるろう材の場合、Ａｇが４０〜８０質量％、Ｃｕが１５〜４５質量％、Ｔｉが１〜１２質量％、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＝１００質量％、の範囲であることが好ましい。Ｉｎ、Ｓｎを添加する場合は、ＩｎまたはＳｎの１種または２種を５〜２０質量％の範囲であることが好ましい。Ｃを添加する場合は、０．１〜２質量％の範囲内であることが好ましい。Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ（またはＩｎ）、Ｃの５種類からなる場合、Ａｇを４０〜８０質量％、Ｃｕを１５〜４５質量％、Ｔｉを１〜１２質量％、Ｓｎ（またはＩｎ）を５〜２０質量％、Ｃを０．１〜２質量％、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ（またはＩｎ）＋Ｃ＝１００質量％、の範囲に調整することが好ましい。

接合層と金属板の接触角θは、８０度以下、さらには６０度以下であることが好ましい。金属板側面を傾斜構造とすることにより、セラミックス基板と金属板端部に生じる応力を小さくすることができる。

接触角θは、セラミックス回路基板の断面をＳｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）にて観察することにより得られる観察像（拡大写真）から求められる。接触角θは接合層はみ出し部と接触している部分の角度である。図８に示すように、金属板側面のすべてが同じ接触角θである必要は無い。接合層はみ出し部と金属板側面の接触している部分の角度を８０度以下にすることが好ましい。このため、金属板側面の上部の角度（金属板の上面に対する側面の角度）は８０度を超えても良い。金属板の厚さが０．６ｍｍ以上と厚くなった場合は、接触している箇所の角度θが８０度以下、金属板側面上部が８０度を超える角度であることが好ましい。金属板側面上部の断面の角度が８５〜９５度のように直角に近い方が好ましい。金属板側面上部の断面が直角に近いことにより、外部端子や半導体素子を搭載する面積を確保し易くなる。

上記の構成を具備するセラミックス回路基板は、表裏の金属板の厚さ、体積比を制御することにより、表金属板に凸部（外部端子、台座部）を有した構造であるにも関わらず、セラミックス基板の反り量を低減できる。表裏の金属板の体積比を制御することにより、熱応力の均質化が図れるためＴＣＴ特性も向上する。

熱抵抗（Ｒｔｈ）は、式：Ｒｔｈ＝Ｈ／（ｋ×Ａ）により求められる。Ｈは熱伝達経路、ｋは熱伝導率、Ａは放熱面積である。熱抵抗（Ｒｔｈ）を小さくするには、熱伝達経路（Ｈ）を短くすること、熱伝導率（ｋ）を大きくすること、放熱面積（Ａ）を大きくすることが挙げられる。実施形態にかかるセラミックス回路基板は、セラミックス基板を薄型化することにより、熱伝導率の低い部分の熱伝達経路を短くすることができる。金属板を厚くすることや凸部（外部端子、台座部）を設けることにより、セラミックス回路基板の熱伝導率（ｋ）および放熱面積（Ａ）を大きくすることができる。この結果、熱抵抗（Ｒｔｈ）を小さくすることができる。

実施形態にかかるセラミックス回路基板は、表金属板に凸部を設けた上、表裏の金属板の体積比を制御している。表金属板側に凸部を具備させることにより、通電容量の増加、放熱性の向上を図ることができる。また、表金属板側に立体的な凸部を有しているにも関わらず、セラミックス基板の反り量が低減されている。これにより、実装工程での不良を低減することができる。

以上のようなセラミックス回路基板は半導体モジュールに好適である。半導体モジュールは、表金属板に半導体素子を搭載する。裏金属板を放熱部材に実装させる。必要に応じ、ねじ止めなどの固定構造、樹脂封止構造を有する。

裏金属板と放熱部材の間には、必要に応じ、介在物層（グリース、はんだなど）が設けられる。樹脂封止は、トランスファーモールド法を適用することが好ましい。トランスファーモールド法は、金型サイズを大きくすることにより、一度に複数の基板のモールド処理を行うことができるため量産性に優れた樹脂封止方法である。一方、トランスファーモールド法は、細いワイヤでは変形や断線が起きやすい。実施形態にかかるセラミックス回路基板は外部端子を厚さ０．２ｍｍ以上にすることができるため、外部端子の変形を抑制することができる。言い換えると、実施形態にかかるセラミックス回路基板は、トランスファーモールド法に適している。

次に、実施形態にかかるセラミックス回路基板の製造方法例について説明する。実施形態にかかるセラミックス回路基板は上記構成を具備していれば、その製造方法は特に限定されないが歩留り良く得るための方法として次の方法が挙げられる。

まず、セラミックス基板の両面に金属板を接合する。セラミックス基板は、厚さ０．５ｍｍ以下の基板を用意する。セラミックス基板としては、厚さ０．３３ｍｍ以下、３点曲げ強度５００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。窒化珪素基板は熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものであることが好ましい。窒化珪素基板が高強度を有することにより、金属板を接合した後の反り量を低減することができる。高熱伝導、薄型化の基板とすることにより、熱抵抗を下げることができる。

金属板は、銅、アルミニウムまたはそれらの合金から選ばれる一種であることが好ましい。表金属板および裏金属板の少なくとも一つの厚さは０．６ｍｍ以上であることが好ましい。金属板は予めパターン形状に加工してもよい、ベタ板であってもよい。ベタ板の場合は、接合後にエッチング加工により、パターン形状に加工してもよい。表金属板に台座部を設ける場合、予め凸部形状に加工した金属板を用いても良い。

予め、裏金属板の合計体積／表金属板の合計体積の比が１．０より大きいサイズの金属板を接合することが好ましい。後述するエッチング工程にて、表裏の金属板の体積比を制御しても良い。

接合工程は、活性金属接合法または直接接合法を用いることが好ましい。活性金属接合法は、活性金属ろう材を用いる方法である。金属板が銅板または銅合金板の場合、活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、およびＮｂ（ニオブ）から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。活性金属としてはＴｉが最も好ましい。活性金属以外の成分としては、Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎが挙げられる。活性金属ろう材の例は、Ａｇを４０〜８０質量％、Ｃｕを２０〜６０質量％、Ｔｉを０．１〜１２質量％、Ｓｎを２０質量％以下（０含む）、Ｉｎを２０質量％以下（０含む）からなるろう材を含む。金属板がＡｌ板またはＡｌ合金板の場合、活性金属は、Ａｌ（アルミニウム）である。活性金属以外の成分としてはＳｉ（珪素）が挙げられる。活性金属ろう材の例は、Ｓｉが０．０１〜１０質量％、残部がＡｌであるろう材を含む。

活性金属ろう材に樹脂バインダを添加し、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窒化珪素基板上に塗布し、活性金属ろう材ペースト層を形成する。その上に金属板を配置する。接合層のはみ出し部を設ける場合は、活性金属ろう材ペースト層が金属板の縦横サイズより広めに設けられる。活性金属ろう材ペースト層の塗布厚さは１０〜４０μｍの範囲であることが好ましい。活性金属ろう材層ペースト層の厚さが１０μｍ未満では十分な接合強度が得られないおそれがある。厚さが４０μｍを超えて厚いと、接合強度のそれ以上の向上がみられないだけでなくコストアップの要因となる。そのため、活性金属ろう材ペースト層の厚さは１０〜４０μｍ、さらには１５〜２５μｍの範囲であることが好ましい。

次に、加熱工程を行う。加熱温度は６００〜９００℃の範囲であることが好ましい。活性金属ろう材が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂから選ばれる１種を含有する場合は接合温度が７５０〜９００℃の範囲であることが好ましい。活性金属ろう材がＡｌを含有する場合は接合温度が６００〜７５０℃の範囲であることが好ましい。加熱工程は真空雰囲気中で行うことが好ましい。真空度としては、１×１０^−２Ｐａ以下、さらには４×１０^−３Ｐａ以下であることが好ましい。真空雰囲気中で加熱工程を行うことにより、銅板や活性金属ろう材が酸化することや窒化することを防ぐことができる。

直接接合法は、接合ろう材層を介さずに接合する方法である。金属板が銅板である場合、Ｃｕと酸素の共晶を利用して接合する。セラミックス基板が窒化物セラミックスの場合、表面に酸化膜を設けることが好ましい。金属板がＡｌ板の場合、ＡｌＳｉ合金板を用いることが好ましい。

次に、接合した金属板をパターン形状に加工する。パターン形状への加工は、エッチング加工により行うことが好ましい。エッチング加工により金属板側面形状を目的とする形状に加工することができる。同様に、エッチング加工の条件を制御することにより、接合層はみ出し部サイズを制御することができる。エッチング加工により、裏金属板の合計体積／表金属板の合計体積の比が１．０より大きくなるように加工しても良い。

金属板を接合した後のセラミックス回路基板の反り量を制御することが好ましい。セラミックス回路基板の長辺および短辺の反り量を０．０１〜１．０ｍｍの範囲にすることが好ましい。セラミックス基板の対角線方向の反り量を０．１〜１．５ｍｍの範囲にすることが好ましい。凸部を設ける前のセラミックス回路基板に所定の反り量を付与する。これにより、凸部（外部端子、台座部）を接合した後のセラミックス基板の反り量を低減することができる。

所定の反り量を付与するために、反り直し工程または反り付与工程を行っても良い。反り直し工程は、平板の治具で表裏面を挟み、押圧力をかけながら熱処理を行う工程である。反り付与工程は、目的とする反り量を具備した治具で表裏面を挟み、押圧力をかけながら熱処理を行う工程である。押圧力をかけながら熱処理を行う工程である。凸部を設ける前のセラミックス回路基板の反り量が大きい場合は反り直し工程、反り量が小さい場合は反り付与工程を行う。

次に、凸部を設ける工程を行う。凸部は外部端子または台座部となる。外部端子はリードフレーム型、リードピン型などが挙げられる。外部端子は厚さ０．２ｍｍ以上の端子を用いることが好ましい。外部端子を厚くすることにより、通電容量を増やすことができる。外部端子が厚くすることにより、放熱効果も向上させることができる。

リードフレーム型の場合、平板形状である。平板の長辺×短辺×厚さにおける厚さが外部端子の厚さとなる。リードピン型の場合、円柱形状となる。円柱の高さ×直径における直径が外部端子の厚さとなる。外部端子の厚さは０．２ｍｍ以上、さらには０．４ｍｍ以上であることが好ましい。

台座部は半導体素子を搭載するために設けられる。台座部は、四角柱、円柱など柱形状である。柱形状の高さが外部端子の厚さとなる。台座部を設けることにより、半導体素子の熱を逃がし易くする。

凸部（外部端子、台座部）と表金属板の接合工程は、はんだやろう材などの接合層を介した接合方法が挙げられる。超音波接合や圧接接合などの接合層を介さない接合方法であってもよい。

凸部を接合した後の表裏の金属板を「Ｖ_４／Ｖ_１＋Ｖ_６／Ｖ_３≦２（Ｖ_５／Ｖ_２）」かつ「０．５≦Ｖ_４／Ｖ_１≦２、０．５≦Ｖ_５／Ｖ_２≦２、０．５≦Ｖ_６／Ｖ_３≦２」となるように配置する。

次に、半導体素子を実装する工程を行う。半導体素子の実装工程は、はんだなどを使った接合工程が挙げられる。外部端子を接合する場合は、先に半導体素子を実装しても良い。リフロー工程により、外部端子と半導体素子の接合工程を同時に行っても良い。

以上のような工程により、実施形態にかかる半導体モジュールを製造することができる。実施形態にかかる半導体モジュールは、表金属板に凸部を有しているにも関わらず、セラミックス基板の反り量を０．１ｍｍ未満、さらには０．０１ｍｍ以下（ゼロ含む）と小さくすることができる。これにより、放熱部材への実装性を向上させることができる。

（実施例１〜６、比較例１〜２）
窒化珪素基板として表１に示す２種類の基板を用意した。

次に、銅板を用いて表２に示すセラミックス回路基板を作製した。窒化珪素基板と銅板の接合は活性金属接合法により行った。活性金属ろう材として、Ａｇ（５５質量％）、Ｃｕ（３０質量％）、Ｉｎ（１０質量％）、Ｔｉ（５質量％）のろう材を用意した。樹脂バインダと混合して活性金属ろう材ペーストとし、窒化珪素基板上に厚さ２０μｍで塗布した。次に銅板を配置し、真空雰囲気（１×１０^−３Ｐａ以下）中、７８０〜８３０℃で加熱接合工程を行った。

次に、エッチング工程を行った。表金属板はパターン形状にエッチング加工した。表金属板の側面をエッチング加工することにより、接合層はみ出し部サイズ、接合層はみ出し部と金属板側面の接触角θを調整した。裏金属板の側面をエッチング加工して、接合層はみ出し部サイズ、接合層はみ出し部と金属板側面の接触角θを調整した。接合層はみ出し部サイズは２０μｍ、接合層はみ出し部と金属板側面の接触角θは６０度で統一した。表金属板（表銅板）間の距離は１．２ｍｍで統一した。

試料１〜３にかかるセラミックス回路基板を用いて長辺方向、短辺方向、対角線方向の反り量を調整した。反り量の調整は、必要に応じ、反り直し工程または反り付与工程を行った。その結果を表３に示す。

凸部には表４に示す外部端子または台座部を用意した。各凸部を表銅板に接合した。各凸部は銅で形成した。

試料１〜８にかかる窒化珪素回路基板に凸部を接合した。凸部と表銅板の接合はろう材を用いて接合した。これにより、実施例１〜６、比較例１〜２にかかる表金属板に凸部を有するセラミックス回路基板を作製した。接合後の表裏の銅板の体積比が表５に示す値になるように接合した。

表裏銅板の体積比は、表裏銅板を長辺方向に沿って３等分し、表面側の向かって左側の領域（凸部含む）の体積をＶ_１、中央の領域の体積をＶ_２、向かって右側の領域の体積をＶ_３とした。同様に裏面側における向かって左側の領域（凸部含む）の体積をＶ_４、中央の領域の体積をＶ_５、向かって右側の領域の体積をＶ_６とした。体積Ｖ_１を有する領域は、体積Ｖ_４を有する領域に対向し、体積Ｖ_２を有する領域が体積Ｖ_５を有する領域に対向し、Ｖ_３を有する領域が体積Ｖ_６を有する領域に対向する。表銅板に凸部を設けた場合は、凸部も含めた体積比とした。その結果を表５に示す。

実施例１は、凸部１（リードフレーム）を４本接合した例である。接合箇所は体積Ｖ_２を有する領域に含まれないように体積Ｖ_１を有する領域および体積Ｖ_３を有する領域に一本ずつ接合した。このため、凸部１は体積Ｖ_１を有する領域（または体積Ｖ_３を有する領域）から３０ｍｍはみ出た構造となった。

実施例２は、凸部１（リードフレーム）を２本、凸部３（ピン）を２本接合した例である。体積Ｖ_２を有する領域に含まれないようにそれぞれ接合した。一方の表銅板に凸部１、もう一方の表銅板に凸部３を接合した。凸部１は体積Ｖ_１を有する領域（または体積Ｖ_３を有する領域）から３０ｍｍはみ出た構造となった。

実施例３は、凸部１（リードフレーム）を４本接合し、凸部４（円柱状台座部）を６個設けた例である。凸部１は表銅板の端から５ｍｍの範囲に重なるように、左右対称に２本ずつ設けた。このため、凸部１は体積Ｖ_２を有する領域には設けられていない。このため、凸部１は体積Ｖ_１を有する領域（または体積Ｖ_３を有する領域）から３７．５ｍｍはみ出た構造となった。凸部４（円盤状台座部）は、プレス加工により表銅板に円盤状台座部を設けた例である。凸部４は一枚の表銅板に体積Ｖ_１を有する領域、体積Ｖ_２を有する領域、体積Ｖ_３を有する領域にそれぞれ一個ずつ合計３個ずつ設けた。実施例３では、このような凸部１と凸部４を２枚の表銅版に同じように配置した。

実施例４は、凸部２（リードフレーム）を４本接合した。凸部２は表銅板に６ｍｍ重なるように接合した。接合箇所は体積Ｖ_２を有する領域が含まれないように体積Ｖ_１を有する領域および体積Ｖ_３を有する領域に一本ずつ接合した。このため、凸部１は体積Ｖ_１を有する領域（または体積Ｖ_３を有する領域）から１４ｍｍはみ出た構造となった。

実施例５は、凸部３（リードピン型外部端子）を４本接合した例である。凸部３は体積Ｖ_１を有する領域、体積Ｖ_３を有する領域に一本ずつ接合した（一枚の表銅板に２本接合）。

実施例６は表銅板を図９に示すような位置に配置した例である。図９はＬ字型の銅板３１、長方形の銅板３２および３３を接合した例である。Ｌ字型銅板３１は２０ｍｍ×３０ｍｍ×０．８ｍｍの銅板と５ｍｍ×３０ｍｍ×０．８ｍｍの銅板が一体になった例である。銅板３２および銅板３３は、いずれも２０ｍｍ×１０ｍｍ×０．８ｍｍである。３枚の表銅板を５ｍｍ間隔で配置した。Ｌ字型銅板３１の体積Ｖ_１を有する領域および体積Ｖ_３を有する領域に凸部２を接合した。凸部２は銅板３１に１０ｍｍ重なるように接合した。銅板３２および銅板３３には、凸部３（リードピン）を２個ずつ（合計４個）接合した例である。

比較例１は、凸部５（リードフレーム）を４本接合した例である。凸部５は、体積Ｖ_２を有する領域に５ｍｍ入り込んだ箇所で接合した。このため、凸部５は体積Ｖ_１を有する領域（または体積Ｖ_３を有する領域）から１５ｍｍはみ出た構造となった。

比較例２は、凸部２（リードフレーム）を４本接合した構造である。凸部２は表銅板に３．５ｍｍ重なるように接合した。接合箇所は体積Ｖ_２を有する領域が含まれないように体積Ｖ_１を有する領域および体積Ｖ_３を有する領域に一本ずつ接合した。このため、凸部２は体積Ｖ_１を有する領域（または体積Ｖ_３を有する領域）から２０ｍｍはみ出た構造であった。

比較例１では「Ｖ_４／Ｖ_１」および「Ｖ_６／Ｖ_３」が範囲外である。比較例２では「Ｖ_４／Ｖ_１＋Ｖ_６／Ｖ_３≦２（Ｖ_５／Ｖ_２）」が範囲外である。実施例ではいずれも範囲内である。

実施例および比較例にかかる凸部を有する窒化珪素回路基板に対して、反り量を測定した。反り量の測定は、長辺、短辺の反り量とした。

ＴＣＴを行った。ＴＣＴは、−４０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分 →１７５℃×３０分→室温（２５℃）×１０分を１サイクルとし、１０００サイクル後と２０００サイクル後の金属板のはがれや窒化珪素基板のクラックの発生の有無を測定した。その結果を表６に示す。

表から分かる通り、実施例にかかる窒化珪素回路基板は、表金属板に凸部を有する構造であるにも関わらず、長辺および短辺の反り量は０．１ｍｍ未満であった。いずれもＴＣＴ特性も優れていた。リードフレーム（凸部１、凸部２）を設けた例は窒化珪素基板からリードフレームがはみ出た構造であったが、ＴＣＴ特性が優れていた。これに対し、比較例１、比較例２共に反り量が大きくなっていた。ＴＣＴ２０００サイクルでは、不良が発生した。これは窒化珪素回路基板の反りが大きいため、必要以上に熱応力がかかったためである。

実施例にかかる窒化珪素回路基板は、反り量が小さいため、ねじ止め構造を用いて放熱部材に固定する際に実装不良が発生しなかった。裏面側に凸状に反っているため、裏銅板と放熱部材の間にグリース中の気泡の発生が抑制されている。これに対し、比較例は反り量が大きいため、ねじ止め構造を有する場合に、裏銅板と放熱部材の隙間が大きくなるため、放熱性が低下した。

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。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。

Claims (10)

1. 第１の面と第２の面とを有する、厚さ０．５ｍｍ以下のセラミックス基板と、
   前記第１の面に接合された第１の金属板と、前記第１の金属板の表面から突出する凸部と、を有する第１の金属部と、
   前記第２の面に接合された第２の金属板を有する第２の金属部と、を具備する回路基板であって、
   前記第１および第２の金属板の少なくとも一つの厚さは０．６ｍｍ以上であり、
   前記第１の金属板の合計体積に対する前記第２の金属板の合計体積の比が１．０よりも大きく、
   前記セラミックス基板が長辺方向に沿って第１ないし第３の分割部に等分割されるとき、
   前記第１の金属部は、前記第１の分割部に重畳する第１の領域と、前記第２の分割部に重畳する第２の領域と、前記第３の分割部に重畳する第３の領域と、を有し、
   前記第２の金属部は、前記第１の分割部に重畳する第４の領域と、前記第２の分割部に重畳する第５の領域と、前記第３の分割部に重畳する第６の領域と、を有し、
   前記第１の領域の体積Ｖ_１、前記第２の領域の体積Ｖ_２、前記第３の領域の体積Ｖ_３、前記第４の領域の体積Ｖ_４、前記第５の領域の体積Ｖ_５、および前記第６の領域の体積Ｖ_６は、
   （Ｖ_４／Ｖ_１）＋（Ｖ_６／Ｖ_３）≦２（Ｖ_５／Ｖ_２）と、
   ０．５≦Ｖ_４／Ｖ_１≦２と、
   ０．５≦Ｖ_５／Ｖ_２≦２と、
   ０．５≦Ｖ_６／Ｖ_３≦２と、を満足する数である、回路基板。
2. 前記凸部は、前記第１の金属板の一部、リードフレームの一部、またはリードピンの一部である、請求項１に記載の回路基板。
3. 前記第１の金属板および第２の金属板のそれぞれは、厚さ０．６ｍｍ以上の銅板である、請求項１に記載の回路基板。
4. 前記セラミックス基板は、厚さ０．３３ｍｍ以下で且つ３点曲げ強度５００ＭＰａ以上の窒化珪素基板である、請求項１に記載の回路基板。
5. 前記セラミックス基板の前記長辺方向の長さおよび短辺方向の長さのそれぞれは、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である、請求項１に記載の回路基板。
6. 前記セラミックス基板の前記長辺方向の反り量および短辺方向の反り量のそれぞれは、０．１ｍｍ未満である、請求項１に記載の回路基板。
7. 前記第１の金属板および第２の金属板の少なくとも一つの側面は傾斜している、請求項１に記載の回路基板。
8. 前記第１の金属板および第２の金属板の少なくとも一つは、接合層を介して接合され、
   前記接合層は、Ａｇと、Ｃｕと、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素と、を含む、請求項１に記載の回路基板。
9. 請求項１に記載の回路基板と、
   前記第１の金属部に搭載された半導体素子と、を具備する、半導体モジュール。
10. 前記回路基板を実装するための放熱部材をさらに具備する、請求項９に記載の半導体モジュール。

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