JP6906662B2 - 回路基板および半導体装置 - Google Patents

Description

実施形態は、回路基板および半導体装置に関する。

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℃であるが、今後１７５℃以上に上昇する可能性を有する。

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高いＴＣＴ特性が要求される。ＴＣＴとは、サーマルサイクルテストである。ＴＣＴは、低温→室温→高温→室温の順に温度を変化させる工程を１サイクルとして行い、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は、セラミックス基板と、金属板と、を具備する。金属板は、ろう材を用いて形成される接合層を介してセラミックス基板と接合される。接合層は、セラミックス基板と金属板との間からはみ出すようにセラミックス基板上に延在するはみ出し部を有する。上記セラミックス金属回路基板は、５０００サイクルのＴＣＴに対する高い耐久性を有する。はみ出し部の空隙を少なくすることにより、ＴＣＴ特性を改善することができる。しかしながら、動作保証温度が１７５℃以上の場合、単にはみ出し部の空隙を無くすだけではＴＣＴ特性の向上に限界がある。

パワーモジュールの性能を示すパワー密度は、次の式で求められる。
パワー密度＝（定格電流×定格電圧×モジュールに搭載する半導体素子の数）／モジュールの体積

パワー密度は、例えばモジュールに搭載する半導体素子の数を増やす、モジュールの体積を小さくする、ことにより大きくすることができる。この２つのパラメータを改善するには、セラミックス金属回路板に複数の半導体素子を搭載することが求められる。複数の半導体素子が搭載でき、体積が小さいセラミックス金属回路板を実現するためには、複数の金属板の配置間隔を狭くすることが好ましい。金属板の配置間隔を狭くする場合においても、セラミックス金属回路板は、１７５℃以上の高温でのＴＣＴ特性の改善が求められる。

国際公開第２０１１／０３４０７５号公報

実施形態にかかる回路基板は、第１の面と第２の面とを有するセラミックス基板と、第１の面と第１の接合層を介して接合された第１の金属板と、第２の面と第２の接合層を介して接合された第２の金属板と、を具備する。第１の接合層は、第１の面と第１の金属板との接合部からはみ出すように第１の面上に延在する第１のはみ出し部を有する。第２の接合層は、第２の面と第２の金属板との接合部からはみ出すように第３の面上に延在する第２のはみ出し部を有する。セラミックス基板の３点曲げ強度は５００ＭＰａ以上である。第１のはみ出し部の厚さＨ１（μｍ）に対する第１のはみ出し部のはみ出し長さＬ１（μｍ）の比Ｌ１／Ｈ１、および第２のはみ出し部の厚さＨ２（μｍ）に対する第２のはみ出し部のはみ出し長さＬ２（μｍ）の比Ｌ２／Ｈ２の少なくとも一つは０．５以上３．０以下である。第１のはみ出し部の１０箇所のビッカース硬度の平均値および第２のはみ出し部の１０箇所のビッカース硬度の平均値の少なくとも一つは、２５０以下である。第１のビッカース硬度の最大値と最小値との差、および第２のビッカース硬度の最大値と最小値との差の少なくとも一つは、５０以下である。第１の接合層および第２の接合層の少なくとも一つは、Ｔｉを含む。第１の金属板の側面と第１の金属板の下面とのなす角度は、４０度以上８４度以下である。

回路基板の構造例を示す断面模式図である。 回路基板の他の構造例を示す断面模式図である。 図２に示す回路基板の一部を示す拡大図である。 荷重条件を示す図である。

図１は、回路基板の構造例を示す断面模式図である。図１に示す回路基板１は、セラミックス基板２と、金属板（表金属板）３と、金属板４（裏金属板）と、接合層５と、接合層７と、を具備する。接合層５は、はみ出し部６を有する。接合層７は、はみ出し部８を有する。

セラミックス基板２の３点曲げ強度は、５００ＭＰａ以上である。５００ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有するセラミックス基板を用いることにより、セラミックス基板２の厚さを０．４ｍｍ以下まで薄くすることができる。５００ＭＰａ未満の３点曲げ強度を有するセラミックス基板０．４ｍｍ以下まで薄くするとＴＣＴ特性が低下する。特に、ＴＣＴにおける高温側の温度が１７５℃以上のときの耐久性が低下する。

３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上のセラミックス基板としては、窒化珪素基板を用いることが好ましい。窒化アルミニウム基板、アルミナ基板の３点曲げ強度は、一般的に３００〜４５０ＭＰａ程度である。これに対し、窒化珪素基板は、５００ＭＰａ以上、さらには６００ＭＰａ以上の高い３点曲げ強度を有する。３点曲げ強度は、例えばＪＩＳ−Ｒ−１６０１に準じて測定される。

窒化珪素基板は、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する。熱伝導率は、例えばＪＩＳ−Ｒ−１６１１に準じて測定される。近年の窒化珪素基板は、高強度と高熱伝導の両方を有する。５００ＭＰａ以上の３点曲げ強度と、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率と、を有する窒化珪素基板であれば、セラミックス基板２の厚さを０．３０ｍｍ以下まで薄くすることができる。なお、窒化珪素基板に限定されず、セラミックス基板２としては、高強度を有する窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、ジルコニア含有アルミナ基板などを用いることができる。

金属板３は、半導体素子を搭載するための金属回路板である。金属板３は、接合層５を介してセラミックス基板２の第１の面と接合されている。金属板４は、放熱板である。金属板４は、接合層７を介してセラミックス基板２の第２の面と接合されている。

金属板３、４としては、銅、アルミニウムまたはそれらを主成分とする合金を含む金属板を用いることができる。上記材料の金属板は、電気抵抗が低いため例えば回路基板として使用しやすい。また、熱伝導率は銅が３９８Ｗ／ｍ・Ｋ、アルミニウムが２３７Ｗ／ｍ・Ｋと高い。このため、放熱性も向上させることができる。

上記特性を有する金属板３、４の厚さは、０．６ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上であることが好ましい。金属板を厚くすることにより、通電容量の確保と放熱性の向上とを両立させることができる。また、金属板の厚さ方向だけでなく面方向に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。金属板３、４の厚さは５ｍｍ以下であることが好ましい。５ｍｍを超えると金属板の重量が増え過ぎて、はみ出し部６、８のサイズの調整が難しくなるおそれがある。

接合層５は、セラミックス基板２の第１の面と金属板３とを接合する。接合層６は、セラミックス基板２の第２の面と金属板４とを接合する。はみ出し部６は、セラミックス基板２の第１の面と金属板３との間からはみ出すように当該第１の面上に延在する。はみ出し部８は、セラミックス基板２の第２の面と金属板４との間からはみ出すように当該第２の面上に延在する。

接合層５、７は、セラミックス基板２上にろう材ペーストを塗布することにより形成される。このとき、金属板３、４が厚いと金属板３、４の重さでろう材ペーストが広がり過ぎてしまう。ろう材ペーストが広がりすぎると、接合後にエッチング処理などで除去するろう材量が増えコストアップの要因となる。そのため、金属板３、４の厚さは５ｍｍ以下、さらには３ｍｍ以下であることが好ましい。

金属板３、４が銅板またはアルミニウム板である場合、接合層５、７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。また、接合層５、７は、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｓｉ（シリコン）、およびＭｇ（マグネシウム）から選ばれる少なくとも一つの元素をさらに含有することが好ましい。例えば、接合層５、７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、を含んでいてもよい。また、接合層５、７は、Ａｌと、ＳｉおよびＭｇから選ばれる少なくとも一つの元素と、を含んでいてもよい。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好適である。銅板はアルミニウム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。また、接合層５、７は、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含むことが好ましい。

はみ出し部６の厚さＨ１（μｍ）に対するはみ出し長さＬ１（μｍ）の比Ｌ１／Ｈ１およびはみ出し部８の厚さＨ２（μｍ）に対するはみ出し長さＬ２（μｍ）の比Ｌ２／Ｈ２の少なくとも一つは、０．５以上３．０以下である。Ｌ１／Ｈ１およびＬ２／Ｈ２の少なくとも一つが０．５以上３．０以下である場合、はみ出し長さ（幅）が厚さの０．５倍以上３．０倍以下であることを示している。

ＴＣＴでは、はみ出し部６、８に熱応力がかかる。ＴＣＴの低温側と高温側の温度差が広がるほど熱応力が大きくなる。Ｌ１／Ｈ１、Ｌ２／Ｈ２が０．５未満であるとはみ出し部６、８のはみ出し長さが短いため、はみ出し部６、８にかかる熱応力が厚さ方向に大きくなる。このことは、熱応力によるセラミックス基板２および接合層５、７の内部にクラックを発生させる要因となる。Ｌ１／Ｈ１、Ｌ２／Ｈ２が３．０を超えると、はみ出し部６、８にかかる熱応力がはみ出し長さ方向に大きくなる。このことは、熱応力によるセラミックス基板２および、接合層５、７の内部にクラックを発生させる要因となる。

熱応力は、温度差により発生する収縮と膨張により生じる。この熱応力を緩和するには、Ｌ１／Ｈ１、Ｌ２／Ｈ２を０．５〜３．０の範囲内に制御することが好ましい。Ｌ１／Ｈ１、Ｌ２／Ｈ２を制御することにより、熱応力（収縮および膨張）がかかる方向の均質性を高めることができるため、セラミックス基板２、接合層５、７の内に生じるクラックを抑制できる。この結果、ＴＣＴ特性を向上させることができる。特に、金属板３、４の厚さが０．６ｍｍ以上であると、熱応力がかかる方向の制御はＴＣＴ特性向上に有効である。Ｌ１／Ｈ１、Ｌ２／Ｈ２は、１．０以上２．０以下であることがより好ましい。

はみ出し部６の任意の１０箇所のビッカース硬度およびはみ出し部８の任意の１０箇所のビッカース硬度の平均値の少なくとも一つは２５０以下であることが好ましい。ビッカース硬度の平均値が２５０を超えると、はみ出し部６、８が硬くなりすぎて熱応力の緩和効果が十分得られない。また、ビッカース硬度の平均値が９０以上２３０以下、さらには１００以上１７０以下であることが好ましい。

１０箇所のビッカース硬度の平均値が９０未満の場合、はみ出し部の硬さが不足することになる。柔らか過ぎると熱応力による変形量がかえって大きくなってしまうおそれがある。変形量が大きくなるとＴＣＴ特性の低下を招くおそれがある。

はみ出し部６の任意の１０ヶ所のビッカース硬度の最大値と最小値の差およびはみ出し部８の任意の１０ヶ所のビッカース硬度の最大値と最小値の差の少なくとも一つは、５０以下であることが好ましい。ビッカース硬度のバラツキが大きいと熱応力による変形量に部分的なバラツキが生じる。そのため、ビッカース硬度のバラツキは小さいことが好ましい。

ビッカース硬度はＪＩＳ−Ｒ−１６１０に準じて測定される。荷重５０ｇｆ、荷重保持時間１０秒、にて圧子による負荷をはみ出し部６、８にかける。圧痕の２方向の対角線長さからビッカース硬度が求められる。

金属板３、４により測定が困難な場合、ビッカース硬度は、ナノインデンター（Ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔｅｒ）を用いて測定される。ナノインデンターを用いれば、金属板を除去しなくてもビッカース硬度を測定できる。ナノインデンターとしては、例えばＨｙｓｉｔｒｏｎ社製のナノインテンダーを用いることができる。圧子としては、例えばバーコビッチ型ダイヤモンドの三角錐圧子を用いることができる。最大荷重を１５００μＮ（マイクロニュートン）とし、５０秒かけて徐々に荷重を上げたときの押込み深さを測定し、ナノインデンテーション硬さＨＩＴが求められる。ナノインデンテーション硬さＨＩＴを次の式を用いて、ビッカース硬さＨＶに変換する。この変換式は、「金属Ｖｏｌ．７８（２００８）Ｎｏ．９、Ｐ．８８５−８９２」の文献で紹介されている。
ビッカース硬さＨＶ（ｋｇｆ／ｍｍ^２）＝７６．２３×ナノインデンテーション硬さＨＩＴ（ＧＰａ）＋６．３

以上のように、実施形態の回路基板は、３点曲げ強度５００ＭＰａ以上のセラミックス基板とその両面に接合層を介して金属板を接合した回路基板である。接合層ははみ出し部を有し、はみ出し部の厚さに対するはみ出し長さの比は０．５以上３．０以下であるとともに、はみ出し部の１０箇所のビッカース硬度の平均値は２５０以下である。

セラミックス基板２の少なくとも一方の面には複数の金属板が接合されていてもよい。図２は回路基板の他の構造例を示す断面模式図である。図２に示す回路基板１は、図１に示す回路基板と比較して、複数の金属板３として、金属板３ａと、金属板３ｂと、を具備する構成が少なくとも異なる。なお、回路基板１は、複数の金属板３として３以上の金属板を具備してもよい。なお、図１に示す回路基板１と同じ構成の説明については図１に示す回路基板１の説明を適宜援用する。

金属板３ａは、接合層５ａを介してセラミックス基板２の第１の面と接合されている。金属板３ｂは、接合層５ｂを介してセラミックス基板２の第１の面と接合されている。接合層５ａおよび接合層５ｂの説明については、接合層５の説明を適宜援用する。

図３は、図２に示す回路基板１の一部を示す拡大図である。接合層５ａは、セラミックス基板２の第１の面と金属板３ａとの間からはみ出すように当該第１の面上に延在するはみ出し部６ａを有する。接合層５ｂは、セラミックス基板２の第１の面と金属板３ｂとの間からはみ出すように当該第１の面上に延在するはみ出し部６ｂを有する。

金属板３の厚さ方向を含む断面において、金属板３の側面３１ａは、金属板３の上面３２ａの外側に向かって傾斜している。金属板３の側面３１ｂは、金属板３の上面３２ｂの外側に向かって傾斜している。金属板３ａの側面３１ａと下面３３ａとのなす角度θおよび金属板３ｂの側面３１ｂと下面３３ｂとのなす角度θは、４０度以上８４度以下であることが好ましい。側面３１ａ、３１ｂを傾斜させることにより、熱応力を緩和させることができる。金属板３ａの側面３１ａと上面３２ａとのなす角度および金属板３ｂの側面３１ｂと上面３２ｂとのなす角度は、８５度以上９５度以下である（垂直または略垂直である）ことが好ましい。図３に示す構造は、金属板３ａ、３ｂの厚さが０．６ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上であるときに特に有効である。

金属板３ａの側面３１ａの角度θおよび金属板３ｂの側面３１ｂの角度θを４０度以上８４度以下にしつつ、かつ金属板３ａの側面と上面とのなす角度および金属板３ｂの側面と上面とのなす角度を８５度以上９５度以下にすることにより、応力を緩和させつつ、金属板３ａ、３ｂの平坦面の面積を増やすことができる。金属板３ａ、３ｂの平坦面の面積を増やすことにより、半導体素子の搭載可能面積を広くすることができる。半導体素子の搭載可能面積を広くできると回路設計の自由度を向上させることができる。

はみ出し部のはみ出し長さは、金属板の側面とはみ出し部の接触部を基準として求められる。はみ出し部の厚さは、はみ出し部の最も厚い部分の厚さである。例えば、側面３１ａとはみ出し部６ａとの接触部におけるはみ出し部６ａの厚さ、および側面３１ｂとはみ出し部６ｂとの接触部におけるはみ出し部６ｂの厚さを一番厚くし、はみ出し部６ａは、側面３１ａとはみ出し部６ａとの接触部から端部に向かって徐々に薄くなる厚さ勾配を有し、はみ出し部６ｂは、側面３１ｂとはみ出し部６ｂとの接触部から端部に向かって徐々に薄くなる厚さ勾配を有することが好ましい。厚さ勾配を有することにより、熱応力によるはみ出し部の変形を抑制することができる。

はみ出し部６ａ、６ｂのはみ出し長さＬ１は、４０μｍ以下、さらには２５μｍ以下であることが好ましい。はみ出し部６ａ、６ｂのＬ１／Ｈ１およびビッカース硬度ＨＶを制御することにより、応力緩和効果を向上させることができる。すなわち、４０μｍ以下の短いはみ出し長さを有するはみ出し部であっても、十分な応力緩和効果を得ることができる。

側面３１ａ、３１ｂを傾斜させた場合、傾斜面の裾野の部分同士の最短距離Ｐ（側面３１ａとはみ出し部６ａとの接触部から側面３１ｂとはみ出し部６ｂとの接触部までの最短距離）を１．１ｍｍ以下、さらには１．０ｍｍ以下まで狭くすることにより、半導体素子の搭載可能面積を小さくさせずに回路基板を小さくすることができる。よって、図３に示す回路基板は、セラミックス基板２の第１の面に複数の金属板を接合する場合に有効である。最短距離Ｐの最小値は０．６ｍｍ以上であることが好ましい。厚さ０．６ｍｍ以上の金属板を具備するパワーモジュールの場合、定格電圧を考慮すると最短距離Ｐが０．６ｍｍ未満であると導通不良になるおそれがある。

上記回路基板は、高いＴＣＴ特性を有する。ＴＣＴは、例えば−４０℃×３０分保持→室温×１０分保持→１７５℃×３０分保持→室温×１０分保持を１サイクルとしたときに、回路基板に不具合が発生するサイクル数を測定することにより行われる。回路基板の不具合とは、例えば接合層５（５ａ、５ｂ）、７の剥がれやセラミックス基板２の割れなどである。

本実施形態の回路基板は、ＴＣＴにおける高温側の保持温度を１７５℃以上にしたとしても、優れたＴＣＴ特性を示すことができる。１７５℃以上の保持温度としては、例えば２００℃〜２５０℃である。ＳｉＣ素子やＧａＮ素子等の半導体素子では、ジャンクション温度が２００〜２５０℃になると予測される。ジャンクション温度は、半導体素子の動作保証温度に対応する。このため、回路基板においても、高温での耐久性が求められる。

本実施形態の回路基板では、はみ出し部の厚さに対するはみ出し長さの比、およびビッカース硬度を制御する。これにより、複数の金属板を接合した回路基板であってもＴＣＴ特性を向上させることができる。特に、はみ出し部のはみ出し長さを４０μｍ以下、さらには２５μｍ以下まで小さくすることができる。このため、最短距離Ｐを１．１ｍｍ以下、さらには１．０ｍｍ以下まで狭くしても優れたＴＣＴ特性を得ることができる。また、金属板の厚さを０．６ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上と厚くしてもＴＣＴ特性の向上を図ることができる。

本実施形態の回路基板は、半導体装置の半導体素子を搭載するための回路基板として有効である。また、複数の半導体素子を搭載した半導体装置にも好適である。実施形態に係る回路基板は、金属板間の最短距離Ｐを狭くできるので同じ数の半導体素子を搭載した半導体装置のサイズを小型化できることができる。このため、半導体装置を小型化することができる。半導体装置を小型化するとパワー密度の向上に繋がる。

次に、回路基板の製造方法について説明する。実施形態に係る回路基板の製造方法は特に限定されないが、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２を用意する。例えば、セラミックス基板２として窒化物珪素基板を用意する場合、ろう材としてＴｉを含有するろう材を用いることによりＴｉＮ相（窒化チタン相）を形成することができる。ＴｉＮ相は接合強度の向上に寄与する。

また、金属板３、４を用意する。金属板３、４はベタ板を接合してエッチングによりパターン化してもよいし、予めパターン化された金属板を接合してもよい。

さらに、接合層５、７を形成するためにろう材を用意する。ろう材としては、接合層５、７に適用可能な元素を含むろう材を用いることができる。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、および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。また、Ｉｎ、Ｓｎを添加する場合は、ＩｎおよびＳｎから選ばれる少なくとも一つの元素が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％の範囲であることが好ましい。

Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ（またはＩｎ）、およびＣを含むろう材の場合、Ａｇが４０〜８０質量％、Ｃｕが１５〜４５質量％、Ｔｉが１〜１２質量％、Ｓｎ（またはＩｎ）が５〜２０質量％、Ｃが０．１〜２質量％、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ（またはＩｎ）＋Ｃ＝１００質量％の範囲であることが好ましい。ここではＴｉを用いたろう材の組成について説明したが、Ｔｉの一部または全部をＺｒ、Ｈｆに置き換えてもよい。

Ａｇと、Ｃｕと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選ばれる少なくとも一つの元素と、を含有する接合層５、７を形成するためには、それぞれの元素を含有するろう材を用いることが好ましい。Ｔｉ、Ｚｒ、および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２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。また、これらろう材に、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（錫）、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。

はみ出し部６、８のビッカース硬度の平均値を２５０以下にするためには、質量比でＡｇ／Ｃｕを２．４以下、さらには２．１以下にすることが好ましい。また、質量比でＡｇ／Ｃｕを１．２以上１．７以下にすることがより好ましい。Ａｇ／Ｃｕを制御することにより、はみ出し部のビッカース硬度の平均値を２５０以下に制御し易くなる。

Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いる場合、Ａｇ−Ｃｕの共晶を利用してセラミックス基板２に金属板３、４を接合することができる。Ａｇ−Ｃｕ共晶はＡｇ７２質量％、Ｃｕ２８質量％である。このため質量比Ａｇ／Ｃｕは２．５７となる。通常のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材の質量比Ａｇ／Ｃｕは２．５７前後となる。一方でＡｇ−Ｃｕ共晶は硬い結晶である。Ａｇ−Ｃｕ共晶が増えると接合層が硬くなる。そのため、はみ出し部６、８の硬度も高くなる。また、Ａｇ−Ｃｕ共晶が均一に形成されないと、ビッカース硬度のバラツキも大きくなる。

Ａｇ／Ｃｕの質量比を２．４以下にすることにより、共晶組成よりもＣｕ量を増やすことができる。Ｃｕ量を増やすことにより、はみ出し部６、８の硬度を下げることができる。また、ろう材にＩｎ、Ｓｎ、およびＣから選ばれる少なくとも一つの元素を含有させることも有効である。

ＩｎまたはＳｎを用いたろう材により低温で接合することができ（ろう材の溶融点を下げる）、接合体の残留応力を減少させることができる。残留応力の低減は接合体の熱サイクル信頼性向上に有効である。ＩｎおよびＳｎから選ばれる少なくとも一つの元素の含有量が５質量％未満では十分に添加の効果を得ることが困難である。一方、２０質量％を越えると接合層が硬くなりすぎるおそれがある。

Ｃは接合層の硬度のバラツキを低減するのに有効である。Ｃはろう材の流動性を制御することができる。Ｃをろう材に０．１〜２質量％添加することにより、流動性を抑制できる。そのため、接合層の硬さのバラツキを小さくすることができる。Ｃの添加量が０．１質量％未満では添加の効果が不十分である。一方、Ｃの添加量が２質量％を超えると接合層が硬くなりすぎるおそれがある。

Ｔｉは１〜１２質量％、さらには５〜１１質量％の範囲で添加されることが好ましい。Ｔｉは例えば窒化珪素基板の窒素と反応してＴｉＮ（窒化チタン）相を形成する。ＴｉＮ相を形成することにより、接合強度を向上させることができる。金属板３、４の接合強度（ピール強度）を１７ｋＮ／ｍ以上、さらには２０ｋＮ／ｍ以上と高くすることができる。

Ａｇ／Ｃｕの質量比が２．４以下であるとき、Ｔｉ量を５質量％以上にすることが好ましい。Ｃｕ量を増やすことによりＡｇ−Ｃｕ共晶の量が減ることになり、はみ出し部が硬くなりすぎて熱応力の緩和効果が不十分となることを抑制できる。一方、Ｔｉ量を増やすことにより、ろう材を加熱した際に、Ａｇ−Ｔｉ結晶、Ｃｕ−Ｔｉ結晶が形成され易くなる。Ａｇ−Ｔｉ結晶およびＣｕ−Ｔｉ結晶は融点が近い。そのため、質量比Ａｇ／Ｃｕを２．４以下とすることで、Ｃｕが増えてろう材組織の融点がばらつくことを防ぐことができる。この効果により、ビッカース硬度のバラツキを低減することができる。また、ここではＴｉについて説明したが、ＺｒまたはＨｆを用いる場合も同様である。

次に、上記ろう材の成分を均一混合したろう材ペーストを調製する。ろう材ペースト中の金属成分は６０〜９５質量％以下とする。残り５〜４０質量％以下は樹脂バインダーや有機溶媒などとする。金属成分を９０質量％以上とすることにより、塗布むらを小さくすることができる。

次に、ろう材ペーストをセラミックス基板２の第１、２の面に塗布し、第１の面上のろう材ペースト層上に金属板３を配置し、第２の面上のろう材ペースト層上に金属板４を配置する。なお、金属板３、４上にろう材ペーストを塗布して、その上にセラミックス基板２を配置する方法であってもよい。はみ出し部６、８となる領域は、小さくてもよい。また、後述するようにエッチング工程により、はみ出し部６、８を形成してもよい。

上記工程により、金属板３／ろう材ペースト層（接合層５）／セラミックス基板２／ろう材ペースト層（接合層７）／金属板４、の５層構造の回路基板が形成される。

次に、加熱接合工程を行う。加熱温度は例えば７００〜９００℃の範囲である。また、加熱接合後に冷却速度５℃／分以上で急冷することが好ましい。急冷工程は接合層５、７の凝固点温度以下の温度まで行うことが好ましい。急冷工程を行うと、接合層５、７を早期に固めることができる。加熱工程により溶けたろう材が早期に固まって接合層５、７となることにより、ビッカース硬度のバラツキを低減することができる。

次に、必要に応じ、エッチング工程を行う。エッチング工程により金属板３、４のパターニングを行う。エッチング工程により金属板３、４の側面を傾斜させてもよい。さらに、エッチング工程によりはみ出し部６、８のはみ出し長さおよび厚さを調整してもよい。金属板３、４をエッチングする工程とはみ出し部６、８の形状を整えるエッチング工程は同じまたは別々の工程でもよい。

上記製造工程であれば、回路基板を効率よく製造することができる。さらに、必要な数の半導体素子を回路基板に搭載して半導体装置を製造することができる。

（実施例１〜１３、比較例１〜４）
セラミックス基板として表１に示す特性を有するセラミックス基板１〜４を用意し、ろう材として表２に示すろう材を用意した。表１の材質とはセラミックス基板の主成分の材料である。例えば、「窒化珪素」は、窒化珪素を主成分とするセラミックス基板を示す。「アルミナジルコニア」は、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）を含有する酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板を示す。「アルミナ」は、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板を示す。

セラミックス基板の第１の面上に、第１のろう材を介して表金属板を配置し、セラミックス基板の第２の面上に、第２のろう材を介して裏金属板を配置し、７００〜９００℃にて加熱接合し、加熱接合後に５℃／分以上の冷却速度で冷却した。その後、エッチングしてはみ出し部のはみ出し長さＬ（μｍ）、厚さＨ（μｍ）、金属板間の最短距離Ｐを調整した。これにより、実施例１〜１３および比較例１〜４の回路基板を作製した。実施例１〜１３の回路基板において使用された、セラミックス基板、第１のろう材、第２のろう材について表３に示す。実施例１〜１３および比較例１〜４の回路基板のその他の特性について表３、４に示す。なお、実施例１〜３、実施例５〜１３および比較例１〜４の金属板として銅板を用いた。実施例４の金属板としてアルミニウム板を用いた。

得られた回路基板の任意のはみ出し部のビッカース硬度ＨＶを測定した。ビッカース硬度の測定では、ナノインデンターとしてＨｙｓｉｔｒｏｎ社製ＴＩ９５０トライボンデンターを用い、圧子としてバーコビッチ型ダイヤモンドの三角錐圧子を用いた。図４は、荷重条件を示す図である。図４では、横軸が時間（秒）、縦軸が荷重（μＮ）である。最大荷重は１５００μＮであり、５０秒かけて徐々に荷重を増加させた。このときの押込み深さを測定してナノインデンテーション硬さＨＩＴを求めた。ナノインデンテーション硬さＨＩＴを次の変換式を用いて、ビッカース硬さＨＶに変換した。
ビッカース硬さＨＶ（ｋｇｆ／ｍｍ^２）＝７６．２３×ナノインデンテーション硬さＨＩＴ（ＧＰａ）＋６．３

任意の１０箇所のビッカース硬度ＨＶを算出してその平均値を求めた。また、１０箇所のビッカース硬度ＨＶの最大値と最小値との差（ＨＶ_ｍａｘ−ＨＶ_ｍｉｎ）を求めた。結果を表４に示す。

次に、実施例１〜１３および比較例１〜４に係る回路基板において、任意の金属板の接合強度、ＴＣＴ特性を測定した。金属板の接合強度は、ピール強度で求めた。具体的には、金属板に１ｍｍ幅の金属端子を接合し、垂直方向に引っ張ってピール強度を測定した。

ＴＣＴは、２種類の条件で行った。試験１は−４０℃×３０分保持→室温×１０分保持→１２５℃×３０分保持→室温×１０分保持を１サイクルとし、３０００サイクル後の回路基板の不具合の有無を測定した。試験２は−４０℃×３０分保持→室温×１０分保持→２５０℃×３０分保持→室温×１０分保持を１サイクルとし、３０００サイクル後の回路基板の不具合の有無を測定した。回路基板の不具合の有無は超音波探傷装置（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｈ：ＳＡＴ）によりセラミックス基板と金属板の間のクラック発生面積を求めることにより評価した。クラック発生面積は指数イータとして評価した。イータは１００％を「クラックなし」、０％を「全面的にクラック発生」とした。その結果を表５に示す。

表５からわかる通り、実施例１〜１３に係る回路基板はピール強度が高く、クラック発生面積が小さかった（指数ηが大きかった）。試験１のように高温側が１２５℃のときはクラック発生面積がほとんど無かった。一方、試験２のように２５０℃のときはクラック発生面積が大きくなった。高温での耐久性を見ていくと実施例１〜１３に係る回路基板が優れていることが分かる。

比較例１のようにＬ／Ｈが０．５未満ではクラック発生面積が大きかった。比較例２のようにＬ／Ｈが３．０を超える場合もクラック発生面積が大きかった。このことから温度が高くなるとはみ出し部の熱応力が大きくなることが分かる。また、比較例３のようにはみ出し部のピッカース硬度が高くてもクラック発生面積が大きくなった。

比較例４のようにセラミックス基板の強度が低い場合、特にクラック発生面積が大きかった。このことから、はみ出し部のＬ／Ｈやビッカース硬度の制御は３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上の高強度基板に有効な技術であることが分かった。

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、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。

Claims (10)

1. 第１の面と第２の面とを有するセラミックス基板と、
   第１の接合層を介して前記第１の面に接合された第１の金属板と、
   第２の接合層を介して前記第２の面に接合された第２の金属板と、を具備し、
   前記第１の接合層は、前記第１の面と前記第１の金属板との間からはみ出すように前記第１の面上に延在する第１のはみ出し部を有し、
   前記第２の接合層は、前記第２の面と前記第２の金属板との間からはみ出すように前記第２の面上に延在する第２のはみ出し部を有し、
   前記セラミックス基板の３点曲げ強度は、５００ＭＰａ以上であり、
   前記第１のはみ出し部の厚さＨ１（μｍ）に対する前記第１のはみ出し部のはみ出し長さＬ１（μｍ）の比Ｌ１／Ｈ１、および前記第２のはみ出し部の厚さＨ２（μｍ）に対する前記第２のはみ出し部のはみ出し長さＬ２（μｍ）の比Ｌ２／Ｈ２の少なくとも一つは、０．５以上３．０以下であり、
   前記第１のはみ出し部の１０箇所の第１のビッカース硬度の平均値、および前記第２のはみ出し部の１０箇所の第２のビッカース硬度の平均値の少なくとも一つは、２５０以下であり、
   前記第１のビッカース硬度の最大値と最小値との差、および前記第２のビッカース硬度の最大値と最小値との差の少なくとも一つは、５０以下であり、
   前記第１の接合層および前記第２の接合層の少なくとも一つは、Ｔｉを含み、
   前記第１の金属板の側面と前記第１の金属板の下面とのなす角度は、４０度以上８４度以下である、回路基板。
2. 前記比Ｌ１／Ｈ１および前記比Ｌ２／Ｈ２の少なくとも一つは、１．０以上２．０以下である、請求項１に記載の回路基板。
3. 前記はみ出し長さＬ１および前記はみ出し長さＬ２の少なくとも一つは、４０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の回路基板。
4. 前記セラミックス基板は、窒化珪素基板である、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の回路基板。
5. 前記セラミックス基板は、厚さ０．４ｍｍ以下、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板である、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の回路基板。
6. 前記第１および第２の金属板の少なくとも一つは、銅板であり、
   前記銅板の厚さは、０．６ｍｍ以上であり、
   前記セラミックス基板の厚さは、０．４ｍｍ以下である、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回路基板。
7. 前記第１および第２の接合層の少なくとも一つは、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含む、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の回路基板。
8. 前記第１および第２の接合層の少なくとも一つは、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＣから選ばれる少なくとも一つの元素をさらに含む、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の回路基板。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の回路基板と、
   前記回路基板に搭載された半導体素子と、を具備する、半導体装置。
10. 複数の前記半導体素子を具備する、請求項９に記載の半導体装置。

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