JPH0272655A - 実装部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、耐サーマルサイクル特性に優れた半導体装部
品に関する。

（従来の技術） 近年、パワーＩＣ，高周波トランジスタなど大電流を必
要とする半導体素子の発展に伴い、半導体の放熱問題の
解決が不可欠となってきた。またこれによって、基板の
単位面積当たりの放熱量が増加する傾向にあり、使用す
る基板には、熱伝導性が良好で、放熱性に優れていると
いう特性が要求されている。

ところで、一般に用いられているセラミックス基板とし
てはアルミナ製のものが知られているが、アルミナ基板
は熱伝導性が低いため、半導体素子の放熱性が低下して
素子破壊の原因となっている。

また、これに代わる高熱伝導性のセラミックス基板とし
てベリリア製基板が知られているが、ベリリア粉末は強
い毒性を有するという問題がある。

これらの理由から、最近窒化アルミニウム製の基板が注
目されている。この窒化アルミニウムセラミックスは、
熱伝導率がアルミナセラミックスの約５倍以上と高く、
放熱性に優れ、加えてシリコンチップに近似した低熱膨
張率を有するなどの優れた特性を持っている。

ところで、これらのセラミックス基板を実装部品として
使用する場合には、まずセラミックス基板表面にメタラ
イズ層を形成し、Ｎｉｓ　Ａｕなどを用いためっきを施
した後、次いでＡｕ−Ｇｅ　、　Ａｕ−３ｔはんだなど
によって、上記メタライズ層上に素子を塔載する。一方
、この素子塔載面と反する面には、メタライズ層を形成
した後にＮｘ、Ａｕなどを用いためっきを施し、銅など
の放熱板と５ｎ−３ｂはんだなどで接合させ、実装部品
の作製を行っている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、塔載されている素子の発熱量が大きい実装部
品は、低温から高温へ、また、高温から低温への苛酷な
温度変化にさらされるため、基板が放熱性に優れている
ことのほかに、基板とメタライズ層との接合における耐
サーマルサイクル特性に優れていること、具体的には実
装部品を使用する過程で、放熱板とセラミックス基板を
接合するはんだ層またはメタライズ層にクラックなどの
欠陥が発生しないことが要求″される。

しかしながら、上述した窒化アルミニウム基板は、放熱
性に優れているという利点があるものの、サーマルサイ
クルに対する信頼性が低いという問題がある。

たとえば、温度変化に最も弱いはんだ層には、サーマル
サイクル過程でクラックが生じやすく、このクラックは
、はんだ層上のメタライズ層側に進展し、さらに面方向
に進展しやすいという問題がある。

これは、はんだ層が熱サイクルテストにより脆化しやす
い性質を有しており、また、窒化アルミニウム基板表面
とメタライズ層との界面強度が弱いと、はんだ層の熱膨
張率（２４，７Ｘ　１０−６／　’Ｃ）と窒化アルミニ
ウムの熱膨張率（４，７Ｘ１０−６／　℃）の差による
応力に耐えられず、界面にはがれが生じるためである。

このように、発生したクラックがセラミックスメタライ
ズ層間を進展する際、接合強度が弱いと部分的なはがれ
が生じ、素子で発生した熱が放熱板に伝わりにくくなり
熱特性不良を起こす。

本発明はこのような従来の事情に対処するためになされ
たもので、耐サーマルサイクル特性を改善し、信頼性を
向上させた実装部品を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明は、両主面にメタライズ層が形成されて
いるセラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方
のメタライズ層上に塔載された半導体素子と、前記セラ
ミックス基板の他方のメタライズ層を介して接合された
放熱板とを備えた実装部品において、前記メタライズ層
を介して前記放熱板と接合される前記セラミックス基板
の面が凹凸形状を有することを特徴とする実装部品であ
る。

（作　用） 本発明の実装部品においては、セラミックス基板のメタ
ライズ層を介して放熱板と接合される面が凹凸部を有し
ているため、はんだ層などで発生したクラックが進展す
るセラミックス基板とメタライズ層との界面に、凹凸部
の溝によって一定の角度と深さが与えられ、面内二次元
方向のクラックの進展を防ぐことができる。

したがって、セラミックス基板とメタライズ層との剥が
れを防ぎ、耐サーマルサイクル特性の改善を図ることが
できる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例の実装部品を示すもので、
窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板１の
半導体素子塔載面上には、ＭＯやＶなどの高融点金属を
主成分とするメタライズ層２、Ｎｉめっき層３、Ａｕめ
っき層４が順に形成されており、Ａｕめっき層４上には
Ａｕ−３ｉはんだ層５によって半導体素子６が接合され
塔載されている。一方、上記セラミックス基板１の半導
体素子塔載面と反する面には、はぼ均一な溝を切削加工
してなる凹凸部１ａが形成されており、この面上に、メ
タライズ層７、Ｎｉめっき層８、Ａｕめっき層９が形成
され、５ｎ−８ｂはんだ層１０によって放熱板１１と接
合されている。

この実装部品は、たとえば以下のようにして製造される
。

まず、窒化アルミニウムを主成分とし、他に焼結助剤と
してたとえば酸化イツトリウム、アルミナなど金属酸化
物を２〜１０重量％程度、有機系バインダーを適量含有
する所要形状のグリーンシトを作製する。

そして、このグリーンシートに均一な溝を切削加工し、
凹凸部１ａを形成する。

この凹凸部の溝は、クラックが進展しない程度の角度と
深さが必要であり、溝の角度としては４５〜９０度程度
、ならびに溝の深さとしては１０〜１００μ川程度が好
ましい。

第２図は、このような凹凸部のいくつかの例を示したも
ので、（ａ）は三角溝状、（ｂ）は台形溝状、（ｃ）は
のこぎり歯状の凹凸部である。

また、これらの凹凸部の形成位置はセラミックス基板の
全面に限らず、基板外周のみでもある程度の効果が得ら
れ、格子状に形成すればさらによい。

このようにして凹凸部１ａを形成した後、グリーンシー
トを常圧で焼成し、セラミックス基板１を作製する。

なお、ここで使用する基板として、たとえばアルミナや
窒化ケイ素など、窒化アルミニウム以外のものを用いて
もよい。

次に、前記セラミックス基板１の半導体素子塔載面、お
よび放熱板接合面に、ＮｏやＷなどを主成分としＴｉや
Ｚｒなどの活性金属の窒化物や酸化物を添加混合したメ
タライズ用ペーストを用いて、メタライズ層を形成する
。

この実施例では、モリブデンと窒化チタンとの混合粉末
に適量のバインダと溶剤を加えてペースト状にしたもの
をスクリーン印刷し、加熱焼成してメタライズ層２およ
び７を形成した。そして、さらに一方のメタライズ層２
上には、無電解めっき法によりＮｉめっき層３とＡｕめ
っき層４を、他方のメタライズ層７上には、Ｎｉめっき
層８とＡｕめっき層９を形成する。

そして、Ａｕめっき層４上にはＡｕ−３ｔはんだ層５に
よって半導体素子６を接合し塔載する。

一方、Ａｕめっき層９は５ｎ−８ｂはんだ層１０によっ
て銅を用いた放熱板１１と接合する。

次に、このようにして得た実装部品と、上述した実施例
で使用したセラミックス基板において、凹凸部を持たな
いこと以外は同一の基板を使用し、同様に実装部品を作
製し、これを用いて、−６５℃×３０分〜２５℃×　５
分〜２００°ｃ　ｘ　ａｏ分〜２５℃×　５分を１サイ
クルとしてサーマルサイクルテストを行い、　０サイク
ル、５０サイクル、　１００サイクルの時点で、半導体
素子の熱特性における不良品数を測定した。その結果を
第１表に示す。

第　　１ 表 表中の数値は、不良品数／全サンプル数を示している。

（以下余白） このように、本発明による実装部品の方が、耐サーマル
サイクル特性に優れていることが明らかとなった。

なお、従来品に発生した不良原因は全て、はんだ層に発
生したクラックがセラミックス−メタライズ層間を進展
し、メタライズ層の剥がれが生したために起こった熱特
性不良であった。

このように、耐サーマルサイクル特性を改善することに
より、窒化アルミニウムセラミックスを基板として使用
する場合、窒化アルミニウム本来の特性を十分に生かす
ことができ、熱伝導率が良好で放熱性に優れ、なおかつ
耐サーマルサイクル特性の良好な、信頼性の高い実装部
品を得ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の実装部品によれば、使用
するセラミックス基板の放熱板接合面に凹凸部を有して
いるため、発生したクラックがセラミックス−メタライ
ズ層間を面方向に進展し、メタライズ層の剥がれが生じ
るのを防ぎ、耐す−マルサイクル特性の改善、信頼性の
向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実装部品の一実施例を示す図、第２図
は実装部品の基板に形成する凹凸形状の一実施例を示す
図である。 １・・・・・・・・・セラミックス基板１ａ・・・・・
・凹凸部 ２・・・・・・・・・メタライズ層 ６・・・・・・・・・半導体素子 ７・・・・・・・・・メタライズ層 １１・・・・・・放熱板 出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）両主面にメタライズ層が形成されているセラミッ
   クス基板と、前記セラミックス基板の一方のメタライズ
   層上に塔載された半導体素子と、前記セラミックス基板
   の他方のメタライズ層を介して接合された放熱板とを備
   えた実装部品において、前記メタライズ層を介して前記
   放熱板と接合される前記セラミックス基板の面が凹凸形
   状を有することを特徴とする実装部品。
2. （２）前記セラミックス基板が窒化アルミニウム焼結体
   であることを特徴とする請求項１記載の実装部品。