JP7179550B2 - セラミックス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、セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体装置に関する。
近年、半導体素子の高出力化が行われ、動作補償温度（ジャンクション温度）の高温化が進んでいる。ジャンクション温度が１５０℃程度であったものが１７０～２００℃になっている。これに伴い半導体素子を搭載するセラミックス回路基板についても、高温でのＴＣＴ特性（耐熱サイクル特性）が求められている。
国際公開第２０１７／０５６３６０号公報（特許文献１）では、セラミックス基板と銅板を活性金属ろう材層を介して接合したセラミックス回路基板が開示されている。特許文献１ではセラミックス回路基板のＴＣＴ特性を向上させるために、銅板端部からの活性金属ろう材層のはみ出し部を設けている。これにより、特許文献１のセラミックス回路基板はＴＣＴ特性を向上させている。
また、セラミックス回路基板に半導体素子を実装した半導体装置は、絶縁性確保のために樹脂モールドされている。ジャンクション温度の上昇に伴い、モールド樹脂を起点とした破壊モードが生じていた。特開２００６－１７９５３８号公報（特許文献２）には、モールド樹脂による破壊モードを改善するために樹脂のヤング率を制御していた。特許文献２のように、モールド樹脂のヤング率を制御することにより、破壊モードに対する改善は見られた。
しかしながら、特許文献１のセラミックス回路基板を用いたとしても、ジャンクション温度が高温になるに従い、モールド樹脂を起点とした破壊モードが生じていた。また、特許文献２のように２種類のモールド樹脂を使うものはコストアップの要因となっていた。
国際公開第２０１７／０５６３６０号公報（特許文献１）では、セラミックス基板と銅板を活性金属ろう材層を介して接合したセラミックス回路基板が開示されている。特許文献１ではセラミックス回路基板のＴＣＴ特性を向上させるために、銅板端部からの活性金属ろう材層のはみ出し部を設けている。これにより、特許文献１のセラミックス回路基板はＴＣＴ特性を向上させている。
また、セラミックス回路基板に半導体素子を実装した半導体装置は、絶縁性確保のために樹脂モールドされている。ジャンクション温度の上昇に伴い、モールド樹脂を起点とした破壊モードが生じていた。特開２００６－１７９５３８号公報（特許文献２）には、モールド樹脂による破壊モードを改善するために樹脂のヤング率を制御していた。特許文献２のように、モールド樹脂のヤング率を制御することにより、破壊モードに対する改善は見られた。
しかしながら、特許文献１のセラミックス回路基板を用いたとしても、ジャンクション温度が高温になるに従い、モールド樹脂を起点とした破壊モードが生じていた。また、特許文献２のように２種類のモールド樹脂を使うものはコストアップの要因となっていた。
半導体装置は、実装基板上に配置される。樹脂モールドは、半導体装置を覆うように設けられている。特許文献１のセラミックス回路基板を用いた場合、モールド樹脂を起点とした破壊モードが裏金属板の周囲で起きていた。特許文献１は、ろう材はみ出し部を設けている。ろう材はみ出し部を設けるためには、裏金属板の沿面距離が必要であった。裏金属板に沿面距離が存在すると、樹脂モールドした際に十分に樹脂が充填されず気泡が形成され易かった。気泡が存在すると、樹脂はがれの原因となった。これにより、裏金属板の周囲でモールド樹脂による破壊が生じていた。
本発明は、このような問題に対応するためのものであり、樹脂モールドに適したセラミックス回路基板を提供するものである。
本発明は、このような問題に対応するためのものであり、樹脂モールドに適したセラミックス回路基板を提供するものである。
実施形態にかかるセラミックス回路基板は、セラミックス基板の一方の面に回路用金属板、もう一方の面に放熱用金属板を接合したセラミックス回路基板において、放熱用金属板の沿面距離の９０％以上が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内であり、セラミックス基板側面の中心から回路用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ１、セラミックス基板側面の中心から放熱用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ２としたとき、｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍであることを特徴とするものである。
実施形態にかかるセラミックス回路基板は裏金属板の沿面距離の９０％以上が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内にしていることから、樹脂モールドした際に裏金属板周辺に気泡が形成されるのを抑制することができる。また、セラミックス基板側面の上側と下側の最大高さ粗さＲｚの差を小さくしている。これにより、樹脂モールドのはがれを防ぐことができる。
実施形態にかかるセラミックス回路基板は、セラミックス基板の一方の面に回路用金属板、もう一方の面に放熱用金属板を接合したセラミックス回路基板において、
放熱用金属板の沿面距離の９０％以上が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内であり、
セラミックス基板側面の中心から回路用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ１、セラミックス基板側面の中心から放熱用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ２としたとき、｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍであることを特徴とするものである。
図１に実施形態にかかるセラミックス回路基板の一例を示した。図中、１はセラミックス回路基板、２はセラミックス基板、３はセラミックス基板側面、３Ａはセラミックス基板側面の中心から回路用金属板側、３Ｂはセラミックス基板側面の中心から放熱用金属板側、４は回路用金属板、５は放熱用金属板、６はろう材層（回路用金属板側ろう材層）、７はろう材層（放熱用金属板側ろう材層）、Ｔは放熱用金属板の沿面距離、である。
放熱用金属板の沿面距離の９０％以上が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内であり、
セラミックス基板側面の中心から回路用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ１、セラミックス基板側面の中心から放熱用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ２としたとき、｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍであることを特徴とするものである。
図１に実施形態にかかるセラミックス回路基板の一例を示した。図中、１はセラミックス回路基板、２はセラミックス基板、３はセラミックス基板側面、３Ａはセラミックス基板側面の中心から回路用金属板側、３Ｂはセラミックス基板側面の中心から放熱用金属板側、４は回路用金属板、５は放熱用金属板、６はろう材層（回路用金属板側ろう材層）、７はろう材層（放熱用金属板側ろう材層）、Ｔは放熱用金属板の沿面距離、である。
セラミックス回路基板１は、セラミックス基板２の一方の面に回路用金属板４、もう一方の面に放熱用金属板５を有している。便宜上、回路用金属板４を表金属板、放熱用金属板を裏金属板と呼ぶ。また、図１はろう材層６およびろう材層７を介して金属板を接合したものを例示している。後述するようにセラミックス回路基板は、ろう材層を介して金属板を接合したものであることが好ましい。また、図１では回路用金属板４を１つ設けたものを例示したものである。実施形態にかかるセラミックス回路基板は複数の回路用金属板４を設けてもよいものである。また、複数の回路用金属板４を設ける場合、少なくとも１つの金属板に半導体素子を実装するものとする。
放熱用金属板５はセラミックス基板２の端部からの沿面距離Ｔの９０％以上が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内になっている。また、放熱用金属板５のセラミックス基板２の端部からの沿面距離Ｔは、単に「放熱用金属板の沿面距離」と呼ぶものとする。また、放熱用金属板の沿面距離Ｔの１００％とは、放熱用金属板の外周すべての沿面距離を示す。また、沿面距離Ｔがマイナスとは、セラミックス基板の端部から内側に放熱用金属板の端部があることを示す。沿面距離Ｔがプラスとはセラミックス基板の端部から外側に放熱用金属板の端部があることを示す。つまり、沿面距離Ｔがマイナスだと放熱用金属板はセラミックス基板より小さいことを示す。逆に、沿面距離Ｔがプラスだと放熱用金属板はセラミックス基板より大きいことを示す。また、沿面距離Ｔが０ｍｍであると、放熱用金属板とセラミックス基板は同じサイズであることを示す。
放熱用金属板の沿面距離Ｔの９０％以上が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内であるということは、沿面距離Ｔを小さくしていることを示す。これにより、樹脂モールドした際に沿面距離領域に気泡が形成されるのを抑制することができる。沿面距離Ｔを小さくすることにより、モールド樹脂がセラミックス基板の裏側に入り込む領域を小さくすることができるためである。
また、ＴＣＴ試験を行った際に、セラミックス基板の裏面のクラック発生を抑制できる。セラミックス基板と金属板の熱応力は材質の熱膨張率の差で生じる。特に、接合端部で大きくなる。沿面距離Ｔを小さくすることにより、樹脂モールドされＴＣＴ試験が行われた際にセラミックス基板部分の曲げモーメントが抑制され、接合端部の熱応力を小さくすることができる。またＴが小さいことで、樹脂の剥がれ抑制にもつながる。
また、放熱用金属板の沿面距離の１００％が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、放熱用金属板の沿面距離の１００％が－０．０５ｍｍ以上０ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、放熱用金属板の沿面距離が０ｍｍであることが好ましい。
放熱用金属板の沿面距離Ｔの９０％以上が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内であるということは、沿面距離Ｔを小さくしていることを示す。これにより、樹脂モールドした際に沿面距離領域に気泡が形成されるのを抑制することができる。沿面距離Ｔを小さくすることにより、モールド樹脂がセラミックス基板の裏側に入り込む領域を小さくすることができるためである。
また、ＴＣＴ試験を行った際に、セラミックス基板の裏面のクラック発生を抑制できる。セラミックス基板と金属板の熱応力は材質の熱膨張率の差で生じる。特に、接合端部で大きくなる。沿面距離Ｔを小さくすることにより、樹脂モールドされＴＣＴ試験が行われた際にセラミックス基板部分の曲げモーメントが抑制され、接合端部の熱応力を小さくすることができる。またＴが小さいことで、樹脂の剥がれ抑制にもつながる。
また、放熱用金属板の沿面距離の１００％が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、放熱用金属板の沿面距離の１００％が－０．０５ｍｍ以上０ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、放熱用金属板の沿面距離が０ｍｍであることが好ましい。
また、放熱用金属板の沿面距離Ｔの測定方法は、セラミックス回路基板を裏面方向から工具顕微鏡で２０倍に拡大して測定するものとする。また、樹脂モールドした半導体装置の状態で測定する場合はＸ線ＣＴを用いるものとする。
また、セラミックス基板側面の中心から回路用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ１、セラミックス基板側面の中心から放熱用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ２としたとき、｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍであることを特徴としている。
最大高さ粗さＲｚとは、ＪＩＳ－Ｂ－０６０１（２０１３）で最大高さ粗さＲｚと定義されているものを示す。また、図１に示したように、セラミックス基板２側面の中心から回路用金属板側の側面領域を３Ａとする。セラミックス基板２側面の中心から放熱用金属板側の側面領域を３Ｂとする。側面領域３Ａの最大高さ粗さＲｚをＲｚ１、側面領域３Ｂの最大高さ粗さＲｚをＲｚ２とする。実施形態にかかるセラミックス回路基板は｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍであることを特徴としている。最大高さ粗さＲｚとは、粗さ曲線の最も大きな山と最も大きな谷の合計値である。
｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍであるということは、セラミックス基板側面の最大高さ粗さＲｚの差が小さいことを示す。セラミックス基板２側面にＲｚの差があると、モールド樹脂との密着性にばらつきが生じる。樹脂モールドした半導体装置をＴＣＴ試験すると、密着性の弱い部分から樹脂がはがれる現象が生じることが分かった。また、最大高さ粗さＲｚは粗さ曲線の最も大きな山と最も大きな谷の合計値である。最大高さ粗さＲｚはアンカー効果を得るために重要なファクターである。
最大高さ粗さＲｚとは、ＪＩＳ－Ｂ－０６０１（２０１３）で最大高さ粗さＲｚと定義されているものを示す。また、図１に示したように、セラミックス基板２側面の中心から回路用金属板側の側面領域を３Ａとする。セラミックス基板２側面の中心から放熱用金属板側の側面領域を３Ｂとする。側面領域３Ａの最大高さ粗さＲｚをＲｚ１、側面領域３Ｂの最大高さ粗さＲｚをＲｚ２とする。実施形態にかかるセラミックス回路基板は｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍであることを特徴としている。最大高さ粗さＲｚとは、粗さ曲線の最も大きな山と最も大きな谷の合計値である。
｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍであるということは、セラミックス基板側面の最大高さ粗さＲｚの差が小さいことを示す。セラミックス基板２側面にＲｚの差があると、モールド樹脂との密着性にばらつきが生じる。樹脂モールドした半導体装置をＴＣＴ試験すると、密着性の弱い部分から樹脂がはがれる現象が生じることが分かった。また、最大高さ粗さＲｚは粗さ曲線の最も大きな山と最も大きな谷の合計値である。最大高さ粗さＲｚはアンカー効果を得るために重要なファクターである。
例えば、セラミックス回路基板を多数個取りする場合、ライン状やドット条のスクライブ加工を施す。スクライブ加工痕に沿って基板を分割していく。分割後のセラミックス基板の側面はスクライブ加工痕とそうでないところで最大高さ粗さが異なる。この結果、｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜が１０μｍを超える値となっていた。
また、｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦４μｍとすることが好ましい。Ｒｚ１とＲｚ２の差が小さいほどモールド樹脂との密着性のばらつきを低減することができる。
また、Ｒｚ１およびＲｚ２は０．３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。Ｒｚ１およびＲｚ２が０．３μｍ未満であると平坦になりすぎてアンカー効果が不十分となる可能性がある。また、Ｒｚ１およびＲｚ２が２０μｍを超えて大きいと、樹脂が谷の奥まで入り難くなり、気泡が形成され易くなる。基板側面に気泡が存在すると、樹脂はがれの原因となる可能性がある。このため、Ｒｚ１およびＲｚ２は０．３μｍ以上２０μｍ以下、さらには３μｍ以上１５μｍ以下が好ましい。
また、セラミックス基板２側面の最大高さ粗さＲｚを｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍかつ０．３μｍ以上２０μｍ以下にすることにより、セラミックス基板２の強度を向上させることができる。セラミックス基板側面のＲｚにばらつきがあると、セラミックス基板の強度にばらつきが生じやすい。例えば、ハーフスクライブ加工では、セラミックス基板側面の半分までスクライブ痕が形成される。この場合、スクライブ痕を上向きまたは下向きにすることにより、セラミックス基板の強度が変わる。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基板側面のＲｚが所定の範囲内になっている。このため、基板の方向性による強度の低下が発生しない。また、基板側面のＲｚを所定の範囲にすることにより、強度の向上も図ることができる。
また、｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦４μｍとすることが好ましい。Ｒｚ１とＲｚ２の差が小さいほどモールド樹脂との密着性のばらつきを低減することができる。
また、Ｒｚ１およびＲｚ２は０．３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。Ｒｚ１およびＲｚ２が０．３μｍ未満であると平坦になりすぎてアンカー効果が不十分となる可能性がある。また、Ｒｚ１およびＲｚ２が２０μｍを超えて大きいと、樹脂が谷の奥まで入り難くなり、気泡が形成され易くなる。基板側面に気泡が存在すると、樹脂はがれの原因となる可能性がある。このため、Ｒｚ１およびＲｚ２は０．３μｍ以上２０μｍ以下、さらには３μｍ以上１５μｍ以下が好ましい。
また、セラミックス基板２側面の最大高さ粗さＲｚを｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍかつ０．３μｍ以上２０μｍ以下にすることにより、セラミックス基板２の強度を向上させることができる。セラミックス基板側面のＲｚにばらつきがあると、セラミックス基板の強度にばらつきが生じやすい。例えば、ハーフスクライブ加工では、セラミックス基板側面の半分までスクライブ痕が形成される。この場合、スクライブ痕を上向きまたは下向きにすることにより、セラミックス基板の強度が変わる。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基板側面のＲｚが所定の範囲内になっている。このため、基板の方向性による強度の低下が発生しない。また、基板側面のＲｚを所定の範囲にすることにより、強度の向上も図ることができる。
また、最大高さ粗さＲｚの測定方法は、セラミックス基板２側面を厚さ方向に測定するものとする。基板側面の横方向に沿って測定するものとする。側面領域３Ａの横方向に任意の５ｍｍ分、測定する。同様に、側面領域３Ｂの横方向に任意の５ｍｍ分、測定する。それぞれ側面４つ分測定し、その中で最も大きな｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜値をセラミックス回路基板の｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜値とする。また、Ｒｚ１およびＲｚ２の値はいずれも０．３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。
また、セラミックス基板２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、アルジル基板などが挙げられる。例えば、セラミックス基板の板厚は、０．２～０．８ｍｍである。例えば、窒化珪素基板の熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度は６００ＭＰａ以上である。例えば、窒化アルミニウム基板の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度は３００～５５０ＭＰａである。例えば、酸化アルミニウム基板の熱伝導率は２０～４０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度は４００～５００ＭＰａである。
また、アルジル基板は酸化ジルコニウムを含有した酸化アルミニウム基板のことである。
アルジル基板の熱伝導率は２０～４０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度は４５０～６００ＭＰａである。窒化珪素基板は、強度が高いので基板を０．３３ｍｍ以下の薄型化が可能である。窒化アルミニウム基板は熱伝導率が高い。また、酸化アルミニウム基板及びアルジル基板の熱伝導率は低いが、これらの基板は安価である。セラミックス基板の種類は、目的に合わせて適宜選択できる。また、窒化珪素基板および窒化アルミニウム基板は、窒化物系セラミックスと呼ぶ。酸化アルミニウム基板およびアルジル基板は酸化物系セラミックスと呼ぶ。
また、セラミックス基板２は、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。前述のように強度が高い基板であれば、薄型化できる。薄型化により、熱抵抗を下げることができる。また、熱伝導率は８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。熱伝導率を高くすることにより、熱抵抗を下げることができる。
また、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上のセラミックス基板を使うことにより、金属板を厚くしても高信頼性を維持することができる。金属板を厚くすることにより、通電容量の向上、インダクタンスの低減、および放熱性の向上を図ることができる。この点からも、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。
また、アルジル基板は酸化ジルコニウムを含有した酸化アルミニウム基板のことである。
アルジル基板の熱伝導率は２０～４０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度は４５０～６００ＭＰａである。窒化珪素基板は、強度が高いので基板を０．３３ｍｍ以下の薄型化が可能である。窒化アルミニウム基板は熱伝導率が高い。また、酸化アルミニウム基板及びアルジル基板の熱伝導率は低いが、これらの基板は安価である。セラミックス基板の種類は、目的に合わせて適宜選択できる。また、窒化珪素基板および窒化アルミニウム基板は、窒化物系セラミックスと呼ぶ。酸化アルミニウム基板およびアルジル基板は酸化物系セラミックスと呼ぶ。
また、セラミックス基板２は、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。前述のように強度が高い基板であれば、薄型化できる。薄型化により、熱抵抗を下げることができる。また、熱伝導率は８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。熱伝導率を高くすることにより、熱抵抗を下げることができる。
また、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上のセラミックス基板を使うことにより、金属板を厚くしても高信頼性を維持することができる。金属板を厚くすることにより、通電容量の向上、インダクタンスの低減、および放熱性の向上を図ることができる。この点からも、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。
また、回路用金属板および放熱用金属板の厚さが０．１ｍｍ以上であることが好ましい。金属板の厚さが０．１ｍｍ未満であると、通電容量が稼げない。通電容量が稼げないとハイパワーの半導体素子を搭載し難くなる。また、金属板の厚さは０．１ｍｍ以上、さらには０．５ｍｍ以上が好ましい。金属板の厚さの上限は特に限定されるものではないが３ｍｍ以下が好ましい。金属板の厚さが３ｍｍを超えると、後述するような接合体を切断する製造方法を適用するのが困難となる可能性がある。
また、回路用金属板および放熱用金属板は銅板（Ｃｕ板）またはアルミニウム板（Ａｌ板）が好ましい。銅板には銅合金が含まれるものとする。また、アルミニウム板にはアルミニウム合金が含まれるものとする。銅は熱伝導率が約４００Ｗ／ｍ・Ｋである。アルミニウムは熱伝導率が約２４０Ｗ／ｍ・Ｋである。いずれもセラミックス基板の熱伝導率よりも高い。このため、銅板またはアルミニウム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。
また、放熱用金属板５側面の最大高さ粗さＲｚは０．３μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。放熱用金属板５の側面のＲｚを所定の値とすることにより、モールド樹脂との密着性を向上させることができる。
また、回路用金属板および放熱用金属板は銅板（Ｃｕ板）またはアルミニウム板（Ａｌ板）が好ましい。銅板には銅合金が含まれるものとする。また、アルミニウム板にはアルミニウム合金が含まれるものとする。銅は熱伝導率が約４００Ｗ／ｍ・Ｋである。アルミニウムは熱伝導率が約２４０Ｗ／ｍ・Ｋである。いずれもセラミックス基板の熱伝導率よりも高い。このため、銅板またはアルミニウム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。
また、放熱用金属板５側面の最大高さ粗さＲｚは０．３μｍ以上２０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。放熱用金属板５の側面のＲｚを所定の値とすることにより、モールド樹脂との密着性を向上させることができる。
また、金属板はろう材層を介して接合したものであることが好ましい。
金属板が銅板である場合、活性金属ろう材層であることが好ましい。活性金属ろう材は、Ａｇ、Ｃｕおよび活性金属を必須成分として含有する。ＡｇとＣｕは共晶となる組合せである。ＡｇＣｕ共晶が形成されることにより、セラミックス基板と銅板の接合強度を向上させることができる。また、活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）から選ばれる１種又は２種以上である。活性金属の中ではＴｉが好ましい。活性金属はセラミックス基板と反応して強固な接合を行うことができる。窒化物系セラミックスとは活性金属窒化物相を形成する。例えば、活性金属にＴｉを用いた場合、窒化チタン（ＴｉＮ）相が形成される。また、酸化物セラミックスとは活性金属酸化物相を形成する。例えば、活性金属にＴｉを用いた場合、酸化チタン（ＴｉＯ２）相が形成される。また、活性金属は金属単体であってもよいし、水素化物として添加しても良い。
また、必要に応じ、活性金属ろう材には、Ｓｎ（錫）またはＩｎ（インジウム）を添加しても良い。ＳｎおよびＩｎは、活性金属ろう材の融点を下げることができる。このため、接合温度を下げることができる。低温での接合は、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の向上に有効である。
また、必要に応じ、活性金属ろう材には、Ｃ（炭素）を添加しても良い。炭素を添加することにより、ろう材の流動性を抑制できる。そのため、ろう材層の厚さをより均一にできる。
また、活性金属ろう材において、Ａｇの含有量は４０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下、Ｃｕの含有量は１５ｗｔ％以上４５ｗｔ％以下、活性金属の含有量は１ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下、Ｓｎ（またはＩｎ）の含有量は０ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下、Ｃの含有量は０ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ（またはＩｎ）、およびＣの含有量の合計は、１００ｗｔ％とする。また、活性金属ろう材にＳｎまたはＩｎを添加する際は、ＳｎまたはＩｎの含有量が５ｗｔ％以上であることが好ましい。ＳｎとＩｎの両方を添加する場合はその合計の含有量が５～２０ｗｔ％の範囲内であることが好ましい。また、活性金属ろう材に炭素を添加するときは、炭素の含有量が０．１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。
金属板が銅板である場合、活性金属ろう材層であることが好ましい。活性金属ろう材は、Ａｇ、Ｃｕおよび活性金属を必須成分として含有する。ＡｇとＣｕは共晶となる組合せである。ＡｇＣｕ共晶が形成されることにより、セラミックス基板と銅板の接合強度を向上させることができる。また、活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）から選ばれる１種又は２種以上である。活性金属の中ではＴｉが好ましい。活性金属はセラミックス基板と反応して強固な接合を行うことができる。窒化物系セラミックスとは活性金属窒化物相を形成する。例えば、活性金属にＴｉを用いた場合、窒化チタン（ＴｉＮ）相が形成される。また、酸化物セラミックスとは活性金属酸化物相を形成する。例えば、活性金属にＴｉを用いた場合、酸化チタン（ＴｉＯ２）相が形成される。また、活性金属は金属単体であってもよいし、水素化物として添加しても良い。
また、必要に応じ、活性金属ろう材には、Ｓｎ（錫）またはＩｎ（インジウム）を添加しても良い。ＳｎおよびＩｎは、活性金属ろう材の融点を下げることができる。このため、接合温度を下げることができる。低温での接合は、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の向上に有効である。
また、必要に応じ、活性金属ろう材には、Ｃ（炭素）を添加しても良い。炭素を添加することにより、ろう材の流動性を抑制できる。そのため、ろう材層の厚さをより均一にできる。
また、活性金属ろう材において、Ａｇの含有量は４０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下、Ｃｕの含有量は１５ｗｔ％以上４５ｗｔ％以下、活性金属の含有量は１ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下、Ｓｎ（またはＩｎ）の含有量は０ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下、Ｃの含有量は０ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ（またはＩｎ）、およびＣの含有量の合計は、１００ｗｔ％とする。また、活性金属ろう材にＳｎまたはＩｎを添加する際は、ＳｎまたはＩｎの含有量が５ｗｔ％以上であることが好ましい。ＳｎとＩｎの両方を添加する場合はその合計の含有量が５～２０ｗｔ％の範囲内であることが好ましい。また、活性金属ろう材に炭素を添加するときは、炭素の含有量が０．１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。
金属板がＡｌ板である場合、活性金属ろう材はＡｌ（アルミニウム）を主成分として含むことが好ましい。また、Ａｌろう材に、Ｓｉ（珪素）またはＭｇ（マグネシウム）から選ばれる少なくとも一つの元素を含有することが好ましい。ＳｉまたはＭｇは０．０１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下、残部Ａｌの範囲が好ましい。
また、ろう材層の厚さは１０μｍ以上６０μｍ以下が好ましい。ろう材層の厚さが１０μｍ未満であると接合強度が不足する可能性がある。また、６０μｍを超えて厚いと、それ以上の効果が得難くなる。また、コストアップの要因となる可能性がある。
また、セラミックス基板と回路用金属板および放熱用金属板はろう材層を介して接合されており、放熱用金属板側のろう材層の沿面距離が－０．１ｍｍを超えて０ｍｍ以下であることが好ましい。これは放熱用金属板側のろう材層はセラミックス基板側面から突出していないことを示している。また、放熱用金属板端部から、ろう材層はみ出し部は０μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。放熱用金属板側のろう材はみ出し部を小さくすることにより、モールド樹脂の気泡が形成されるのを抑制できる。ろう材はみ出し部は、活性金属ろう材ペーストを熱処理して形成されるものである。その表面は微小な凹凸を有しており、気泡が形成され易いためである。
また、ろう材層の厚さは１０μｍ以上６０μｍ以下が好ましい。ろう材層の厚さが１０μｍ未満であると接合強度が不足する可能性がある。また、６０μｍを超えて厚いと、それ以上の効果が得難くなる。また、コストアップの要因となる可能性がある。
また、セラミックス基板と回路用金属板および放熱用金属板はろう材層を介して接合されており、放熱用金属板側のろう材層の沿面距離が－０．１ｍｍを超えて０ｍｍ以下であることが好ましい。これは放熱用金属板側のろう材層はセラミックス基板側面から突出していないことを示している。また、放熱用金属板端部から、ろう材層はみ出し部は０μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。放熱用金属板側のろう材はみ出し部を小さくすることにより、モールド樹脂の気泡が形成されるのを抑制できる。ろう材はみ出し部は、活性金属ろう材ペーストを熱処理して形成されるものである。その表面は微小な凹凸を有しており、気泡が形成され易いためである。
図２に実施形態にかかるセラミックス回路基板の別の一例を示した。図中、１はセラミックス回路基板、２はセラミックス基板、４は回路用金属板、５は放熱用金属板、６はろう材層（回路用金属板側ろう材層）、７はろう材層（放熱用金属板側ろう材層）、である。
図２は沿面距離Ｔが０ｍｍのものを示したものである。
また、放熱用金属板側のろう材層の沿面距離が－０．１ｍｍを超えて０ｍｍ以下であるということは、ろう材層７がセラミックス基板２の側面からはみ出ていないことを示す。この構造により、樹脂モールドしたときの気泡の形成を抑制することができる。また、セラミックス基板２の側面のＲｚを制御する効果を得易くなる。
図２は沿面距離Ｔが０ｍｍのものを示したものである。
また、放熱用金属板側のろう材層の沿面距離が－０．１ｍｍを超えて０ｍｍ以下であるということは、ろう材層７がセラミックス基板２の側面からはみ出ていないことを示す。この構造により、樹脂モールドしたときの気泡の形成を抑制することができる。また、セラミックス基板２の側面のＲｚを制御する効果を得易くなる。
また、放熱用金属板５の側面は垂直形状であることが好ましい。垂直形状とは、放熱用金属板の側面が厚み方向にまっすぐになっている形状を示す。垂直形状とすることにより、樹脂モールドした際に気泡が形成されるのを抑制することができる。また、放熱用金属板５側面のＲｚを０．３μｍ以上２０μｍ以下にしたときに、モールド樹脂との密着性を向上させ易くなる。
また、回路用金属板４の側面は、垂直形状であってもよいし、傾斜形状であってもよい。また、ろう材層６は回路用金属板４からはみ出ていることが好ましい。ろう材はみ出し部を有することにより、熱応力を緩和することができる。ろう材はみ出し部の長さは、０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。また、回路用金属板４のろう材はみ出し部は０μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。回路用金属板４のろう材はみ出し部を小さくすることにより、モールド樹脂に気泡が形成されるのを抑制することができる。
また、回路金属板４の側面は傾斜形状を有することが好ましい。傾斜形状を有することにより、熱応力を緩和することができる。回路用金属板４は半導体素子などを実装するために用いられる。また、配線やリードフレームを接続したりもする。回路用金属板４は発熱する部材を載せる金属板となる。このため、傾斜形状またはろう材はみ出し部を設けることが好ましい。なお、回路用金属板４が設けられた面は表面となる。樹脂モールドするときは、樹脂を上から注入するため回路用金属板に傾斜形状を設けていても気泡を形成する原因とはならない。
また、必要に応じ、回路用金属板４または放熱用金属板５の表面に金属被膜を設けるものとする。金属被膜としてはニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）から選ばれる１種を主成分とするものが好ましい。
また、回路用金属板４の側面は、垂直形状であってもよいし、傾斜形状であってもよい。また、ろう材層６は回路用金属板４からはみ出ていることが好ましい。ろう材はみ出し部を有することにより、熱応力を緩和することができる。ろう材はみ出し部の長さは、０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。また、回路用金属板４のろう材はみ出し部は０μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。回路用金属板４のろう材はみ出し部を小さくすることにより、モールド樹脂に気泡が形成されるのを抑制することができる。
また、回路金属板４の側面は傾斜形状を有することが好ましい。傾斜形状を有することにより、熱応力を緩和することができる。回路用金属板４は半導体素子などを実装するために用いられる。また、配線やリードフレームを接続したりもする。回路用金属板４は発熱する部材を載せる金属板となる。このため、傾斜形状またはろう材はみ出し部を設けることが好ましい。なお、回路用金属板４が設けられた面は表面となる。樹脂モールドするときは、樹脂を上から注入するため回路用金属板に傾斜形状を設けていても気泡を形成する原因とはならない。
また、必要に応じ、回路用金属板４または放熱用金属板５の表面に金属被膜を設けるものとする。金属被膜としてはニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）から選ばれる１種を主成分とするものが好ましい。
以上のようなセラミックス回路基板は半導体素子を実装した半導体装置に好適である。また、樹脂モールドされた半導体装置であることが好ましい。
図３に、樹脂モールドされた半導体装置の一例を示した。図中、１０は半導体装置、１１は半導体素子、１２実装基板、１３はモールド樹脂、である。図３は図２に示したセラミックス回路基板１に半導体素子を実装したものである。
半導体素子は、ＩＧＢＴチップなどのパワー素子が挙げられる。また、ジャンクション温度が１５０℃以上、さらには１７０℃以上のものが好ましい。また、半導体素子はＰｂフリーはんだで接合することが好ましい。ＰｂフリーはんだとしてはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のものが挙げられる。
また、必要な箇所に配線を設けるものとする。配線は、ボンディングワイヤ、リードフレームなどが挙げられる。また、必要に応じ、電極を設けるものとする。
また、ボンディングワイヤは直径１００～７００μｍであることが好ましい。実施形態にかかる半導体装置はモールド樹脂のはがれを抑制している。モールド樹脂のはがれが生じると、セラミックス回路基板の割れ等の原因となる。さらに、ボンディングワイヤの断線の原因ともなる。実施形態にかかる半導体装置は、モールド樹脂のはがれを抑制しているためボンディングワイヤの断線を防ぐことができる。言い換えると、ボンディングワイヤを有し、かつ、樹脂モールドした半導体装置に有効である。
また、半導体装置１０は実装基板１２に接合されている。実装基板１２はヒートシンクベースや筐体などである。ヒートシンクベースとしては、Ｃｕベース、ＡｌＳｉＣベースなどが挙げられる。半導体装置１０の放熱用金属板５と実装基板１２をはんだなどで接合するものとする。
図３に、樹脂モールドされた半導体装置の一例を示した。図中、１０は半導体装置、１１は半導体素子、１２実装基板、１３はモールド樹脂、である。図３は図２に示したセラミックス回路基板１に半導体素子を実装したものである。
半導体素子は、ＩＧＢＴチップなどのパワー素子が挙げられる。また、ジャンクション温度が１５０℃以上、さらには１７０℃以上のものが好ましい。また、半導体素子はＰｂフリーはんだで接合することが好ましい。ＰｂフリーはんだとしてはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のものが挙げられる。
また、必要な箇所に配線を設けるものとする。配線は、ボンディングワイヤ、リードフレームなどが挙げられる。また、必要に応じ、電極を設けるものとする。
また、ボンディングワイヤは直径１００～７００μｍであることが好ましい。実施形態にかかる半導体装置はモールド樹脂のはがれを抑制している。モールド樹脂のはがれが生じると、セラミックス回路基板の割れ等の原因となる。さらに、ボンディングワイヤの断線の原因ともなる。実施形態にかかる半導体装置は、モールド樹脂のはがれを抑制しているためボンディングワイヤの断線を防ぐことができる。言い換えると、ボンディングワイヤを有し、かつ、樹脂モールドした半導体装置に有効である。
また、半導体装置１０は実装基板１２に接合されている。実装基板１２はヒートシンクベースや筐体などである。ヒートシンクベースとしては、Ｃｕベース、ＡｌＳｉＣベースなどが挙げられる。半導体装置１０の放熱用金属板５と実装基板１２をはんだなどで接合するものとする。
また、モールド樹脂１３は、絶縁性を有する有機物である。粘性のある有機物を充填し、
硬化させたものである。有機物としては、熱硬化型樹脂や光硬化型樹脂が挙げられる。このような樹脂としてはエポキシ樹脂やシリコーン樹脂が挙げられる。また、粘性のある有機物としてはポッティングゲルも挙げられる。
また、モールド工程は、トランスファー方式、コンプレッション方式など様々な方法が適用される。また、ポッティングゲルを使ったモールド方法もある。近年は、量産性の良さから、トランスファー方式が使われている。トランスファーモールドは、プランジャー内で加熱して樹脂を軟化させ、軟化した樹脂を金型内に流し込んで硬化させる方法である。軟化した樹脂を使うので、複雑形状である半導体装置の隙間まで樹脂を充填し易い。また、モールド樹脂の固化を一度に行うため、量産性・生産性に優れている。その一方で、金型内で樹脂を充填していくため、セラミックス基板の裏面側まで隙間無く充填されているかの確認はできずにいた。
例えば、窒化珪素基板の線膨張係数は２～３×１０－６／Ｋ程度である。また、エポキシ樹脂の線膨張係数は４０～７０×１０－６／Ｋ程度である。窒化珪素基板とエポキシ樹脂の線膨張係数は２０倍程度違っている。線膨張係数の違いは、樹脂はがれの原因となりやすい。
実施形態にかかるセラミックス回路基板は放熱用金属板の沿面距離Ｔを小さくしているため、セラミックス基板の裏面側で気泡が形成され難い。また、セラミックス基板の側面の最大高さ粗さＲｚを制御することにより、モールド樹脂とのアンカー効果も得ている。このため、ジャンクション温度が１５０℃以上と高い半導体素子を実装しても樹脂はがれを抑制できる。
硬化させたものである。有機物としては、熱硬化型樹脂や光硬化型樹脂が挙げられる。このような樹脂としてはエポキシ樹脂やシリコーン樹脂が挙げられる。また、粘性のある有機物としてはポッティングゲルも挙げられる。
また、モールド工程は、トランスファー方式、コンプレッション方式など様々な方法が適用される。また、ポッティングゲルを使ったモールド方法もある。近年は、量産性の良さから、トランスファー方式が使われている。トランスファーモールドは、プランジャー内で加熱して樹脂を軟化させ、軟化した樹脂を金型内に流し込んで硬化させる方法である。軟化した樹脂を使うので、複雑形状である半導体装置の隙間まで樹脂を充填し易い。また、モールド樹脂の固化を一度に行うため、量産性・生産性に優れている。その一方で、金型内で樹脂を充填していくため、セラミックス基板の裏面側まで隙間無く充填されているかの確認はできずにいた。
例えば、窒化珪素基板の線膨張係数は２～３×１０－６／Ｋ程度である。また、エポキシ樹脂の線膨張係数は４０～７０×１０－６／Ｋ程度である。窒化珪素基板とエポキシ樹脂の線膨張係数は２０倍程度違っている。線膨張係数の違いは、樹脂はがれの原因となりやすい。
実施形態にかかるセラミックス回路基板は放熱用金属板の沿面距離Ｔを小さくしているため、セラミックス基板の裏面側で気泡が形成され難い。また、セラミックス基板の側面の最大高さ粗さＲｚを制御することにより、モールド樹脂とのアンカー効果も得ている。このため、ジャンクション温度が１５０℃以上と高い半導体素子を実装しても樹脂はがれを抑制できる。
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、上記構成を有していればその製造方法については限定されるものではないが歩留り良く得るための方法として次のものが挙げられる。
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、アルジル基板などが挙げられる。また、セラミックス基板のサイズは、予め目的とする縦横サイズにしたものを用いても良いし、多数個取りするための大型サイズを用いても良い。量産性を向上させるためには大型サイズの基板を用いることが好ましい。また、セラミックス基板は熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ３点曲げ強度６００Ｍｐａ以上の窒化珪素基板が好ましい。このような窒化珪素基板は厚さ０．３３ｍｍ以下の薄型化ができる。薄い基板であると、後述する接合体の切断工程を行い易くなる。
次に金属板を用意する。金属板は銅板またはアルミニウム板が挙げられる。金属板の厚さは０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下、さらには０．４ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。金属板の厚さが０．１ｍｍ未満であると通電容量が稼げない。また、３ｍｍを超えて厚いと接合体の切断工程が難しくなる可能性がある。
また、回路用金属板に使う表金属板はセラミックス基板の縦横サイズと同じであっても良いし、予めパターン形状に加工されたものを用いてもよい。また、放熱用金属板に使う裏金属板はセラミックス基板と縦横サイズと同じであることが好ましい。また、放熱用金属板のサイズは、予め目的とする沿面距離Ｔとなるものであってもよい。また、多数個取りする場合は、多数個取りする前のセラミックス基板と同じ縦横サイズの金属板を用いることが好ましい。
まず、セラミックス基板を用意する。セラミックス基板は、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、アルジル基板などが挙げられる。また、セラミックス基板のサイズは、予め目的とする縦横サイズにしたものを用いても良いし、多数個取りするための大型サイズを用いても良い。量産性を向上させるためには大型サイズの基板を用いることが好ましい。また、セラミックス基板は熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ３点曲げ強度６００Ｍｐａ以上の窒化珪素基板が好ましい。このような窒化珪素基板は厚さ０．３３ｍｍ以下の薄型化ができる。薄い基板であると、後述する接合体の切断工程を行い易くなる。
次に金属板を用意する。金属板は銅板またはアルミニウム板が挙げられる。金属板の厚さは０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下、さらには０．４ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。金属板の厚さが０．１ｍｍ未満であると通電容量が稼げない。また、３ｍｍを超えて厚いと接合体の切断工程が難しくなる可能性がある。
また、回路用金属板に使う表金属板はセラミックス基板の縦横サイズと同じであっても良いし、予めパターン形状に加工されたものを用いてもよい。また、放熱用金属板に使う裏金属板はセラミックス基板と縦横サイズと同じであることが好ましい。また、放熱用金属板のサイズは、予め目的とする沿面距離Ｔとなるものであってもよい。また、多数個取りする場合は、多数個取りする前のセラミックス基板と同じ縦横サイズの金属板を用いることが好ましい。
次にろう材を用意する。ろう材は活性金属ろう材であることが好ましい。金属板が銅板であるとき、活性金属ろう材は、Ａｇ、Ｃｕおよび活性金属を必須成分として含有するものとなる。また、活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）から選ばれる１種又は２種以上である。また、必要に応じ、活性金属ろう材には、Ｓｎ（錫）またはＩｎ（インジウム）を添加しても良い。また、必要に応じ、活性金属ろう材には、Ｃ（炭素）を添加しても良い。炭素を添加することにより、ろう材の流動性を抑制できる。そのため、ろう材層の厚さをより均一にできる。
また、活性金属ろう材において、Ａｇの含有量は４０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下、Ｃｕの含有量は１５ｗｔ％以上４５ｗｔ％以下、活性金属の含有量は１ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下、Ｓｎ（またはＩｎ）の含有量は０ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下、Ｃの含有量は０ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ（またはＩｎ）、およびＣの含有量の合計は、１００ｗｔ％とする。また、活性金属ろう材にＳｎまたはＩｎを添加する際は、ＳｎまたはＩｎの含有量が５ｗｔ％以上であることが好ましい。ＳｎとＩｎの両方を添加する場合はその合計の含有量が５～２０ｗｔ％の範囲内であることが好ましい。また、活性金属ろう材に炭素を添加するときは、炭素の含有量が０．１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。
また、活性金属ろう材において、Ａｇの含有量は４０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下、Ｃｕの含有量は１５ｗｔ％以上４５ｗｔ％以下、活性金属の含有量は１ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下、Ｓｎ（またはＩｎ）の含有量は０ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下、Ｃの含有量は０ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ（またはＩｎ）、およびＣの含有量の合計は、１００ｗｔ％とする。また、活性金属ろう材にＳｎまたはＩｎを添加する際は、ＳｎまたはＩｎの含有量が５ｗｔ％以上であることが好ましい。ＳｎとＩｎの両方を添加する場合はその合計の含有量が５～２０ｗｔ％の範囲内であることが好ましい。また、活性金属ろう材に炭素を添加するときは、炭素の含有量が０．１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。
金属板がＡｌ板であるとき、活性金属ろう材はＡｌ（アルミニウム）を主成分として含むことが好ましい。また、Ａｌろう材に、Ｓｉ（珪素）またはＭｇ（マグネシウム）から選ばれる少なくとも一つの元素を含有することが好ましい。ＳｉまたはＭｇは０．０１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下、残部Ａｌの範囲が好ましい。
活性金属ろう材の成分を混合し、ペーストにする。活性金属ろう材ペーストをセラミックス基板上に塗布する。ろう材層の厚さは１０μｍ以上６０μｍ以下となるように活性金属ろう材ペーストを塗布するものとする。
塗布した活性金属ろう材層上に、金属板を配置する。その後、加熱接合工程を行う。加熱温度は例えば６００～９００℃の範囲であることが好ましい。また、真空中（１×１０－３Ｐａ以下）で行うことが好ましい。この工程により、セラミックス基板と金属板を接合した接合体が作製される。
活性金属ろう材の成分を混合し、ペーストにする。活性金属ろう材ペーストをセラミックス基板上に塗布する。ろう材層の厚さは１０μｍ以上６０μｍ以下となるように活性金属ろう材ペーストを塗布するものとする。
塗布した活性金属ろう材層上に、金属板を配置する。その後、加熱接合工程を行う。加熱温度は例えば６００～９００℃の範囲であることが好ましい。また、真空中（１×１０－３Ｐａ以下）で行うことが好ましい。この工程により、セラミックス基板と金属板を接合した接合体が作製される。
次に、回路用金属板（表金属板）を目的とするパターン形状に加工する工程を行うものとする。パターン形状への加工はエッチング加工が好ましい。エッチング加工であれば、金属板側面の傾斜形状やろう材はみ出し部の調整を行い易い。また、予めパターン形状に加工した表金属板を接合してもよいものとする。
次に、放熱用金属板の沿面距離Ｔを調整する工程を行うものとする。大型基板を用いている場合、接合体を切断加工することが有効である。切断加工は、切断刃やレーザを使って行うものが挙げられる。また、切断刃はダイサーのブレードが挙げられる。接合体を切断することにより、放熱用金属板の沿面距離Ｔが０ｍｍのものを多数個取りできる。
次に、放熱用金属板の沿面距離Ｔを調整する工程を行うものとする。大型基板を用いている場合、接合体を切断加工することが有効である。切断加工は、切断刃やレーザを使って行うものが挙げられる。また、切断刃はダイサーのブレードが挙げられる。接合体を切断することにより、放熱用金属板の沿面距離Ｔが０ｍｍのものを多数個取りできる。
また、セラミックス基板にスクライブ加工を施さずに接合体を切断することが好ましい。この方法により、セラミックス基板側面の最大高さ粗さＲｚを｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍにすることができる。
従来、接合体を分割するときは、セラミックス基板にスクライブ加工を施していた。スクライブ加工は、基板の半分くらいにスクライブ痕を設けるハーフスクライブ方式やドットスクライブ方式が使われている。このような方式であると、セラミックス基板側面の｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜が１０μｍを大きな値となってしまう。
従来、接合体を分割するときは、セラミックス基板にスクライブ加工を施していた。スクライブ加工は、基板の半分くらいにスクライブ痕を設けるハーフスクライブ方式やドットスクライブ方式が使われている。このような方式であると、セラミックス基板側面の｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜が１０μｍを大きな値となってしまう。
例えば、セラミックス基板の側面を研磨して｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍにする方法もある。しかしながら、接合体の側面を研磨すると、セラミックス基板よりも金属板の方が柔らかいことから、金属板の方が多く削除されてしまう。このため、沿面距離Ｔが－０．１ｍｍ以下になってしまう可能性がある。言い換えると、スクライブ加工する方式では、沿面距離Ｔを－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下のセラミックス回路基板を多数個取りすることは難しいのである。
なお、予め目的とするサイズのセラミックス基板２を用意する場合は、セラミックス基板側面を研磨してスクライブ痕を削除する方法を適用しても良いものとする。この場合、セラミックス基板側面を研磨する工程が増える分、コストアップとなる。
なお、予め目的とするサイズのセラミックス基板２を用意する場合は、セラミックス基板側面を研磨してスクライブ痕を削除する方法を適用しても良いものとする。この場合、セラミックス基板側面を研磨する工程が増える分、コストアップとなる。
以上の工程により、実施形態にかかるセラミックス回路基板を製造することができる。
セラミックス回路基板に半導体素子を実装して、半導体装置を製造することができる。半導体素子は、回路用金属板４に実装される。また、半導体素子をＰｂフリーはんだを使って実装することが好ましい。また、半導体素子は、複数個設けてもよいものとする。
また、配線を設ける工程を行う。配線はボンディングワイヤ、リードフレームなどが挙げられる。また、必要に応じ、電極を設けるものとする。
次に、樹脂モールド工程を行う。また、モールド工程は、トランスファー方式、コンプレッション方式など様々な方法が適用される。また、ポッティングゲルを使ったモールド方法もある。放熱用金属板５表面が樹脂で覆われないように樹脂モールド工程を行うものとする。また、モールド樹脂から配線がでるようにモールド工程を行うものとする。
近年は、量産性の良さから、トランスファー方式が使われている。トランスファーモールドは、プランジャー内で加熱して樹脂を軟化させ、軟化した樹脂を金型内に流し込んで硬化させる方法である。軟化した樹脂を使うので、複雑形状である半導体装置の隙間まで樹脂を充填し易い。また、モールド樹脂の固化を一度に行うため、量産性・生産性に優れている。
また、コンプレッション方式は、金型に直接、樹脂を注入し、溶融した後に半導体装置を浸し入れて樹脂成形する樹脂封止方法である。金型に必要な分だけ樹脂を注入するため、樹脂の使用効率は高い。また、樹脂の流動性を抑制しているため、ボンディングワイヤの断線を抑制できる。
また、ポッティング方式は、樹脂を垂らしてモールドする方式である。モールドしたい箇所に樹脂を垂らすことができるので、部分的なモールド構造を形成したいときに有効である。その一方で、量産性は低い。
実施形態にかかるセラミックス回路基板は、放熱用金属板の沿面距離Ｔを０ｍｍ以上０．１ｍｍ未満と小さくしてあるので、セラミックス基板裏側の樹脂モールドの気泡形成を抑制できる。このため、樹脂モールドした半導体装置が熱応力による樹脂はがれを抑制できる。
次に、実装基板１２と放熱用金属板５を接合する。接合工程は、はんだ、ろう付け、接着剤などを用いることができる。
セラミックス回路基板に半導体素子を実装して、半導体装置を製造することができる。半導体素子は、回路用金属板４に実装される。また、半導体素子をＰｂフリーはんだを使って実装することが好ましい。また、半導体素子は、複数個設けてもよいものとする。
また、配線を設ける工程を行う。配線はボンディングワイヤ、リードフレームなどが挙げられる。また、必要に応じ、電極を設けるものとする。
次に、樹脂モールド工程を行う。また、モールド工程は、トランスファー方式、コンプレッション方式など様々な方法が適用される。また、ポッティングゲルを使ったモールド方法もある。放熱用金属板５表面が樹脂で覆われないように樹脂モールド工程を行うものとする。また、モールド樹脂から配線がでるようにモールド工程を行うものとする。
近年は、量産性の良さから、トランスファー方式が使われている。トランスファーモールドは、プランジャー内で加熱して樹脂を軟化させ、軟化した樹脂を金型内に流し込んで硬化させる方法である。軟化した樹脂を使うので、複雑形状である半導体装置の隙間まで樹脂を充填し易い。また、モールド樹脂の固化を一度に行うため、量産性・生産性に優れている。
また、コンプレッション方式は、金型に直接、樹脂を注入し、溶融した後に半導体装置を浸し入れて樹脂成形する樹脂封止方法である。金型に必要な分だけ樹脂を注入するため、樹脂の使用効率は高い。また、樹脂の流動性を抑制しているため、ボンディングワイヤの断線を抑制できる。
また、ポッティング方式は、樹脂を垂らしてモールドする方式である。モールドしたい箇所に樹脂を垂らすことができるので、部分的なモールド構造を形成したいときに有効である。その一方で、量産性は低い。
実施形態にかかるセラミックス回路基板は、放熱用金属板の沿面距離Ｔを０ｍｍ以上０．１ｍｍ未満と小さくしてあるので、セラミックス基板裏側の樹脂モールドの気泡形成を抑制できる。このため、樹脂モールドした半導体装置が熱応力による樹脂はがれを抑制できる。
次に、実装基板１２と放熱用金属板５を接合する。接合工程は、はんだ、ろう付け、接着剤などを用いることができる。
なお、モールド工程を行った後に実装基板１２に半導体装置を接合したものを例示したが、実装基板１２に接合した後、モールド工程を行っても良いものとする。
（実施例）
（実施例１～１２、比較例１～４）
セラミックス基板として表１に示したものを用いた。また、縦横サイズは１７０ｍｍ×１５０ｍｍに統一した。
（実施例１～１２、比較例１～４）
セラミックス基板として表１に示したものを用いた。また、縦横サイズは１７０ｍｍ×１５０ｍｍに統一した。
また、金属板として銅板またはＡｌ板を用意した。金属板とセラミックス基板の接合は活性金属ろう材を用いて接合した。
銅板とセラミックス基板の接合は、Ａｇ（６０ｗｔ％）－Ｃｕ（２７ｗｔ％）－Ｓｎ（１０ｗｔ％）－Ｔｉ（３ｗｔ％）からなる活性金属ろう材を用いた。ろう材層厚さを３０μｍにして、真空中（１×１０－３Ｐａ以下）、８３０℃で加熱接合した。
また、Ａｌ板とセラミックス基板の接合は、Ａｌ（９９ｗｔ％）－Ｓｉ（１ｗｔ％）からなる活性金属ろう材を用いた。ろう材層厚さを３０μｍにして、真空中（１×１０－３Ｐａ以下）、６３０℃で加熱接合した。
この工程により接合体を作製した。また、放熱用金属板の縦横サイズはセラミックス基板と同じものを用いた。回路用金属板は予めパターン形状に加工したものを用いた。回路用金属板の側面は傾斜形状とし、ろう材はみ出し部の長さは表２に示した値とした。
次に、接合体を縦５０ｍｍ×横３０ｍｍに切断分割加工した。また、必要に応じ、放熱用金属板の側面をエッチング加工して、沿面距離Ｔを調整した。この工程により、実施例にかかるセラミックス回路基板を製造した。
比較例として、比較例１および比較例４はセラミックス基板にハーフスクライブ加工して分割加工を施した。また、比較例１～４は裏金属板をエッチング加工して沿面距離Ｔをー０．２ｍｍまたはー０．３ｍｍにしたものを用意した。
また、実施例１～８および比較例１～４はレーザにより切断加工した。また、実施例９～１２はダイサーにより切断加工したものである。
以上の工程により、実施例および比較例にかかるセラミックス回路基板を用意した。沿面距離Ｔおよび放熱用金属板のろう材はみ出し部長さは工具顕微鏡で２０倍に拡大して確認した。また、Ｒｚ１およびＲｚ２はセラミックス基板側面を横方向に沿って測定した。各側面を測定し、その中で最も大きな値を示した。また、ＲｚはＪＩＳ－Ｂ－０６０１に準じて測定した。
その結果を表２に示す。
銅板とセラミックス基板の接合は、Ａｇ（６０ｗｔ％）－Ｃｕ（２７ｗｔ％）－Ｓｎ（１０ｗｔ％）－Ｔｉ（３ｗｔ％）からなる活性金属ろう材を用いた。ろう材層厚さを３０μｍにして、真空中（１×１０－３Ｐａ以下）、８３０℃で加熱接合した。
また、Ａｌ板とセラミックス基板の接合は、Ａｌ（９９ｗｔ％）－Ｓｉ（１ｗｔ％）からなる活性金属ろう材を用いた。ろう材層厚さを３０μｍにして、真空中（１×１０－３Ｐａ以下）、６３０℃で加熱接合した。
この工程により接合体を作製した。また、放熱用金属板の縦横サイズはセラミックス基板と同じものを用いた。回路用金属板は予めパターン形状に加工したものを用いた。回路用金属板の側面は傾斜形状とし、ろう材はみ出し部の長さは表２に示した値とした。
次に、接合体を縦５０ｍｍ×横３０ｍｍに切断分割加工した。また、必要に応じ、放熱用金属板の側面をエッチング加工して、沿面距離Ｔを調整した。この工程により、実施例にかかるセラミックス回路基板を製造した。
比較例として、比較例１および比較例４はセラミックス基板にハーフスクライブ加工して分割加工を施した。また、比較例１～４は裏金属板をエッチング加工して沿面距離Ｔをー０．２ｍｍまたはー０．３ｍｍにしたものを用意した。
また、実施例１～８および比較例１～４はレーザにより切断加工した。また、実施例９～１２はダイサーにより切断加工したものである。
以上の工程により、実施例および比較例にかかるセラミックス回路基板を用意した。沿面距離Ｔおよび放熱用金属板のろう材はみ出し部長さは工具顕微鏡で２０倍に拡大して確認した。また、Ｒｚ１およびＲｚ２はセラミックス基板側面を横方向に沿って測定した。各側面を測定し、その中で最も大きな値を示した。また、ＲｚはＪＩＳ－Ｂ－０６０１に準じて測定した。
その結果を表２に示す。
実施例１、３～６、８～９、１１～１２は放熱用金属板側面のＲｚは１～１０μｍの範囲内であった。一方、実施例２、７、１０および比較例１～４の放熱用金属板側面のＲｚは０．１μｍ以下であった。これは金属板の側面をエッチング加工したためである。
実施例および比較例にかかるセラミックス回路基板に対し、半導体素子を実装した。半導体素子の実装は、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系Ｐｂフリーはんだを使って接合した。また、直径４００μｍのＡｌ線を使ってボンディングワイヤを行った。また、リードフレームを２本接合した。
次に、樹脂モールド工程を行った。実施例１～６、実施例９～１２および比較例１～４はトランスファーモールドにより樹脂モールドを行った。実施例７はポッティング方式により樹脂モールド工程を行った。また、実施例８はコンプレッション方式により樹脂モールド工程を行った。いずれも、リードフレームの端部がモールド樹脂から出るような形状とした。また、放熱用金属板の裏面はモールド樹脂で覆わなかった。
次に、放熱用金属板を実装基板（ヒートシンクベース）に接合した。この工程により、樹脂モールドを有する半導体装置を作製した。
得られた半導体装置のモールド樹脂中の気泡（ボイド）の有無を調べた。また、樹脂モールドを有する半導体装置のＴＣＴ特性を調べた。
気泡の有無はＸ線ＣＴにより測定した。放熱用金属板側面の周囲および回路用金属板の側面の周囲に気泡が確認できるか否かで判断した。
また、ＴＣＴ試験は、－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サイクル行った。ＴＣＴ試験前と試験後の耐電圧を測定した。耐電圧の測定は、表裏の金属板間の耐電圧（１分間保持で絶縁破壊が起きる電圧）を測定した。その結果を表３に示す。
実施例および比較例にかかるセラミックス回路基板に対し、半導体素子を実装した。半導体素子の実装は、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系Ｐｂフリーはんだを使って接合した。また、直径４００μｍのＡｌ線を使ってボンディングワイヤを行った。また、リードフレームを２本接合した。
次に、樹脂モールド工程を行った。実施例１～６、実施例９～１２および比較例１～４はトランスファーモールドにより樹脂モールドを行った。実施例７はポッティング方式により樹脂モールド工程を行った。また、実施例８はコンプレッション方式により樹脂モールド工程を行った。いずれも、リードフレームの端部がモールド樹脂から出るような形状とした。また、放熱用金属板の裏面はモールド樹脂で覆わなかった。
次に、放熱用金属板を実装基板（ヒートシンクベース）に接合した。この工程により、樹脂モールドを有する半導体装置を作製した。
得られた半導体装置のモールド樹脂中の気泡（ボイド）の有無を調べた。また、樹脂モールドを有する半導体装置のＴＣＴ特性を調べた。
気泡の有無はＸ線ＣＴにより測定した。放熱用金属板側面の周囲および回路用金属板の側面の周囲に気泡が確認できるか否かで判断した。
また、ＴＣＴ試験は、－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サイクル行った。ＴＣＴ試験前と試験後の耐電圧を測定した。耐電圧の測定は、表裏の金属板間の耐電圧（１分間保持で絶縁破壊が起きる電圧）を測定した。その結果を表３に示す。
表から分かる通り、実施例にかかる半導体装置は耐電圧の低下が小さかった。これは、モールド樹脂に気泡の形成が抑制されているためである。また、セラミックス基板側面の最大高さ粗さＲｚを制御しているため、樹脂とのアンカー効果が向上しているためである。
なお、気泡の有無は、Ｘ線ＣＴ画像により、気泡が確認されなかったもの（検出限界以下）を気泡「なし」で示した。また、Ｘ線ＣＴ画像で小さな気泡の影が映ったものを「ややあり」とした。はっきり気泡が確認できたものを「あり」と表示した。
それに対し、比較例は沿面距離Ｔが－０．１ｍｍ以下と大きいため、裏金属板側に気泡が形成されていた。加えて｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜も大きいため、ＴＣＴにより樹脂剥がれを誘発し、耐電圧が低下した。また、ろう材はみ出し部が１０μｍを超えて大きいと、モールド樹脂に気泡が形成され易かった。
なお、気泡の有無は、Ｘ線ＣＴ画像により、気泡が確認されなかったもの（検出限界以下）を気泡「なし」で示した。また、Ｘ線ＣＴ画像で小さな気泡の影が映ったものを「ややあり」とした。はっきり気泡が確認できたものを「あり」と表示した。
それに対し、比較例は沿面距離Ｔが－０．１ｍｍ以下と大きいため、裏金属板側に気泡が形成されていた。加えて｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜も大きいため、ＴＣＴにより樹脂剥がれを誘発し、耐電圧が低下した。また、ろう材はみ出し部が１０μｍを超えて大きいと、モールド樹脂に気泡が形成され易かった。
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、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…セラミックス回路基板
２…セラミックス基板
３…セラミックス基板側面
３Ａ…セラミックス基板側面の中心から回路用金属板側の側面領域
３Ｂ…セラミックス基板側面の中心から放熱用金属板側の側面領域
４…回路用金属板
５…放熱用金属板
６…ろう材層（回路用金属板側ろう材層）
７…ろう材層（放熱用金属板側ろう材層）
Ｔ…放熱用金属板の沿面距離
１０…半導体装置
１１…半導体素子
１２…実装基板
１３…モールド樹脂
２…セラミックス基板
３…セラミックス基板側面
３Ａ…セラミックス基板側面の中心から回路用金属板側の側面領域
３Ｂ…セラミックス基板側面の中心から放熱用金属板側の側面領域
４…回路用金属板
５…放熱用金属板
６…ろう材層（回路用金属板側ろう材層）
７…ろう材層（放熱用金属板側ろう材層）
Ｔ…放熱用金属板の沿面距離
１０…半導体装置
１１…半導体素子
１２…実装基板
１３…モールド樹脂
Claims (11)
-
セラミックス基板の一方の面に回路用金属板、もう一方の面に放熱用金属板を接合したセラミックス回路基板において、 放熱用金属板の沿面距離の９０％以上が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内であり、 セラミックス基板側面の中心から回路用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ１、セラミ ックス基板側面の中心から放熱用金属板側の最大高さ粗さＲｚをＲｚ２としたとき、｜Ｒｚ１－Ｒｚ２｜≦１０μｍであり、前記側面は切断分割加工によってえられたことを特徴とするセラミックス回路基板。
- 放熱用金属板の沿面距離の１００％が－０．１ｍｍを越えて＋０．０５ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
- 放熱用金属板の沿面距離の１００％が－０．０７ｍｍ以上０ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のセラミックス回路基板。
- 放熱用金属板の沿面距離が０ｍｍ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項に記載のセラミックス回路基板。
- Ｒｚ１およびＲｚ２は０．３μｍ以上２０μｍ以下の範囲内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項に記載のセラミックス回路基板。
- 回路用金属板および放熱用金属板の厚さが０．１ｍｍ以上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回路基板。
- セラミックス基板と回路用金属板および放熱用金属板はろう材層を介して接合されている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回路基板。
- 放熱用金属板の側面の最大高さ粗さＲｚは０．３μｍ以上２０μｍ以下であ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回路基板。
- セラミックス基板が、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板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回路基板。
- 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のセラミックス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。
- 樹脂モールドされていることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置。
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