JPH08195450A - 半導体装置用基板 - Google Patents

半導体装置用基板

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JPH08195450A
JPH08195450A JP7006103A JP610395A JPH08195450A JP H08195450 A JPH08195450 A JP H08195450A JP 7006103 A JP7006103 A JP 7006103A JP 610395 A JP610395 A JP 610395A JP H08195450 A JPH08195450 A JP H08195450A
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alumina
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Shinji Nishiura
真治 西浦
Shigemasa Saito
重正 斎藤
Akira Morozumi
両角　　朗
Toshio Nozaki
利夫 野崎
Hiroshi Miyama
弘 深山
Seigo Ooiwa
誠五 大岩
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Fuji Electric Co Ltd
Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
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Fuji Electric Co Ltd
Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】材料費の安価なアルミナを主材とし、機械的強
度、特に破壊靱性（撓み性）を高め、これにより基板自
身の薄形化による放熱性の改善が図れるようにしたセラ
ミックス基板の半導体装置用基板を提供する。 【構成】セラミックス基板は、アルミナを主成分として
これにジルコニアを添加し、更に、セラミックス焼結助
剤として、イットリア、カルシア、マグネシア、セリア
のいずれかをそれぞれ０．１〜２ｗｔ％，０．０２〜
０．５ｗｔ％，０．０２〜０．４ｗｔ％，０．０２〜
０．５ｗｔ％添加した高温焼成体である。アルミナ単体
のセラミックス基板と比べて特に曲げ強度が大幅に高ま
る。また熱伝導率が一層向上する。これにより、基板自
身を薄型化することで半導体装置の基板として放熱性に
優れたＣＢＣ基板が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パワートランジスタモ
ジュールなどにおいて半導体チップを半田付け等により
搭載する半導体装置用の絶縁基板に関し、特に、セラミ
ックス基板（絶縁芯板）に箔状の銅板を直接接合した貼
り合わせ基板（ＣＢＣ基板：CeramicBonding Cupper）
に関する。
【０００２】
【従来の技術】パワートランジスタモジュールは、例え
ば図１に示す如く、放熱金属ベース１上に半田等で固着
された貼り合わせ基板（ＣＢＣ基板）２と、この上にマ
ウントされたＩＧＢＴ等の半導体チップ３と、屈曲先端
部がＣＢＣ基板２の表面銅板２ｃの回路パターンに半田
接続された外部導出端子４と、複数の外部導出端子４を
相互固定する端子ブロック７と、半導体チップ３と外部
導出端子４の屈曲先端部が固着した回路パターンとを接
続するボンディングワイヤ５と、放熱金属ベースと樹脂
ケース６を接着剤等で固着し、その内部空間に充填され
たゲル状樹脂９と、樹脂ケース６を閉蓋する封止樹脂８
とを有している。ここで、ＣＢＣ基板２は、アルミナ
（Ａｌ2 Ｏ3 ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの
セラミックス基板（絶縁芯板）２ａに対し、その表裏面
に箔状の薄い銅板２ｂ，２ｃをダイレクトボンド・カッ
パー法（銅と微量の酸素との反応により生成するＣｕ−
Ｏ共晶液相を接合剤として用いて接合する方法）により
直接接合したものであり、主面側（表面側）の銅板２ｃ
に回路パターン（厚膜回路パターン）が形成されてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の如
く、ＣＢＣ基板２をパワートランジスタモジュールなど
のバワー半導体チップ３を搭載する厚膜回路基板として
用いた場合、次のような問題点がある。
【０００４】 即ち、パワートランジスタなどの半導
体チップ３では、通電動作に伴い多量の熱が発生し、こ
の熱がＣＢＣ基板２を介して放熱金属ベース１に伝導し
た後に、放熱金属ベース１より外部に放熱されるように
なっているため、ＣＢＣ基板２の熱伝導性の良否が半導
体装置自体の電流容量を左右する重要な因子となってい
る。
【０００５】しかしながら、ＣＢＣ基板２はセラミック
ス基板２ａを絶縁基材（芯材）としてこれに銅板２ｂ，
２ｃを張り合わせた積層構造であるために、熱伝導性が
比較的低い。ここで、セラミックス基板２ａの材質とし
て用いているアルミナと窒化アルミニウムの熱伝導性は
次の通りである。
【０００６】アルミナ： ２１Ｗ／ｍ・ｋ 窒化アルミニウム：１８０Ｗ／ｍ・ｋ 窒化アルミニウムの方がアルミナに比べて熱伝導性が遙
かに優れているものの、窒化アルミニウムはアルミナに
比べて材料コストが高いという欠点がある。
【０００７】かかる状況において、本発明者は材料費の
安いアルミナ原料を用いて作製されたセラミックス基板
に対し、放熱性を高めるために板厚を極力薄くして伝熱
抵抗を小さく抑えることを試みた。しかしながら、アル
ミナ原料のセラミックス基板の板厚を例えば０．３ｍｍ
程度まで薄くすると、基板の実強度（衝撃に対する抵抗
性）が低下し、これが基で半導体チップ（シリコン）３
と銅板２ｃとの接合固着時には各材料の熱膨張係数差に
起因して加わる熱不良を引き起こすことが明らかになっ
た。なお、上記各材料の熱膨張係数を列記すると次の通
りである。 シリコン（半導体チップ）：４．０×１０-6／°Ｃ アルミナ： ７．５×１０-6／°Ｃ 銅： １８．０×１０-6／°Ｃ セラミックス基板２ａに銅板２ｂ，２ｃを接合する
と、銅板２ｃとセラミックス基板２ａとの界面における
銅板２ｃの端部２ｄに応力が発生し、熱サイクルを受け
るとセラミックス基板２ａに割れが生じることがある。
これはセラミックス基板２ａと銅板２ｃの熱膨張率が異
なることから生じる問題である。ところで、特開平３−
１４５７４８においては、上記のような縁割れの問題を
解決するために、図２（ａ）に示す如く、板厚０．６４
mmのアルミナのセラミックス基板２ａで板厚０．３〜
０．５mmの銅板２ｂ，２ｃを用いたＣＢＣ基板の場合、
銅板２ｂ，２ｃの縁からの距離ｘ＝０．３〜０．５mm
（銅板の板厚と略同じ）の位置に、溝深さが銅板の板厚
の１／２〜２／３で溝幅が銅板の板厚の２／３である溝
１０を形成することにより、この溝１０の部位で応力集
中を緩和し、セラミックス基板の縁割れを防止してい
る。しかしながら、銅板２ｃの縁に沿って応力緩和のた
めの溝１０が形成されていると、銅板２ｃの縁領域がデ
ッドスペースになってしまうため、半導体チップ搭載の
実面積が小さくなる。特に、銅板２ｃのパターンが小さ
くなってくると面積低下の割合が著しく、ＣＢＣ基板２
の小面積化延いては半導体装置の小型化に支障を来すよ
うになる。
【０００８】そこで上記の点に鑑みて、本発明の課題
は、原料費の安価なアルミナ粉体を主材としたセラミッ
クス基板に関し、その材料組成を改良することにより素
材の機械的強度、特に破壊靱性（撓み性）を高め、これ
により基板自身の薄形化による放熱性の改善が図れるよ
うにした半導体装置用基板を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る半導体装置用基板のセラミックス基板
は、アルミナを主成分としてこれにジルコニアを添加
し、更にセラミックス焼結助剤として、イットリア，カ
ルシア，マグネシア，セリアからなる群より選択された
１種以上の添加剤を添加して作製したセラミックス焼成
体であることを特徴とする。
【００１０】ここで、アルミナの重量比は７０％以上１
００％未満の範囲、ジリコニアの重量比は０％を超えて
３０％までの範囲、そして上記選択された添加剤の総量
の重量比は０．０２％以上２％以下の範囲にあることが
望ましい。具体的には、選択された添加剤がイットリア
であるときは、その添加量の重量比は０．１％以上２％
以下の範囲であることが望ましい。また、選択された添
加剤がカルシアであるときには、その重量比は０．０２
％以上０．５％以下の範囲であることが望ましい。更
に、選択された添加剤がマグネシアであるときには、そ
の重量比は０．０２％以上０．４％以下の範囲であるこ
とが望ましい。また更に、選択された添加剤がセリアで
あるときには、その重量比は０．０２％以上０．５％以
下の範囲であることが望ましい。
【００１１】上記の添加剤は単味の外に、本発明に係る
セラミックス基板としては、添加剤の少なくとも２種が
添加されていても良く、かかる場合は、その総添加量の
mol％が０．０５％以上１．０％以下の範囲にあること
が望ましい。そして、更に望ましくは、アルミナの重量
比は８２％以上９７％以下の範囲、ジルコニアの重量比
は２．５％以上１７．５％以下の範囲とする。なお、セ
ラミックス原料粉体の粒径としては０．５μｍ以上３μ
ｍ以下であることが望ましい。
【００１２】そして上述のようなセラミックス基板の表
裏面に箔状の銅板を接合してなるＣＢＣ基板を半導体装
置用の基板とすることが望ましい。
【００１３】
【作用】上記のように、アルミナを主成分としてこれに
ジルコニアを添加し、更にイットリア，カルシア，マグ
ネシア，セリアからなる群より選択された１種以上の添
加剤を添加して焼成したセラミックス基板は、アルミナ
単体のセラミックス基板と比べて機械的強度、特に曲げ
強度が大幅に高まる。また、この場合にジルコニアの添
加量を２．５ｗｔ％〜１７．５ｗｔ％の範囲に選定する
ことにより、機械的強度、特に撓み性を劣化させること
なく、セラミックス基板の熱伝導率を一層向上させるこ
とができる。これにより、基板自身を薄型化することで
半導体装置の基板として放熱性に優れたＣＢＣ基板が得
られる。
【００１４】またアルミナに加えるイットリア，カルシ
ア，マグネシア，セリアは、セラミックス基板の焼成温
度を低めに抑えつつ、ジルコニア結晶粒の靱性が改善す
る効果を有する。なお、イットリア，カルシア，マグネ
シア，セリアは単味で添加するほか、これらの添加剤で
安定化、ないしは部分安定化したジルコニアを添加して
も同様な効果が得られる。
【００１５】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。
【００１６】まず、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）に、ジルコ
ニア（ＺｒＯ2 ）、イットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）を添加して
粒径０．５〜３μｍ程度に粉砕混合し、さらにバインダ
ーとしてポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を８ｗｔ％，
溶剤としてトルエン、キシレン混合液を５０ｗｔ％，可
塑剤としてフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）を２ｗｔ％添
加して約２０時間混練した後、ドクターブレード法によ
りシート状に成形してグリーンシートを得た。次に、そ
のグリーンシートをプレス加工により所定の形状に型抜
きした後、温度１５５０〜１６５０°Ｃで焼成し、板厚
０．２ｍｍ〜０．７ｍｍのセラミックス基板の焼結体を
得た。
【００１７】図３はアルミナにジルコニアとイットリア
（０．７５ｗｔ％）を添加して作製したセラミックス基
板の特性を示し、アルミナへのジルコニア添加量を変え
て、幅５ｍｍ×長さ６０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのサンプ
ルを作製し、熱伝導率を評価したものを図３（ａ）に、
曲げ強度を評価したものを図３（ｂ）に示す。この場合
に部分安定化助剤としてイットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）を０．
７５ｗｔ％添加してある。熱伝導率はジルコニア量を減
ずるに従って大きな値を示す。そして、０％を超える３
０％までの間でアルミナ単体（破線で示す）で得られて
いる熱伝導より大きい値が得られた。またα−アルミナ
としてこれまで得られていた最も高い熱伝導率３０Ｗ／
Ｋｍを越える熱伝導率が、ジルコニア添加量約２．５％
〜１７．５％の間で得られた。これは、助剤イットリア
添加のピーク的効果であると考えられる。他方、曲げ強
度のデータ（４点曲げ）を図３（ｂ）に示す。○印で示
したものはセラミックス基板そのもののデータである。
ジルコニアの添加量が増大するに従って、曲げ強度が増
大し、約２５％以上で飽和する傾向を示す。□印で示し
たものはセラミックス基板の表裏面に銅板を接合して形
成したＣＢＣ基板のデータである。靱性のある銅板でサ
ンドウィッチ状に挟み込まれた構造になるので、セラミ
ックス基板の場合に比して、約２倍程度の曲げ強度の値
が得られ、ジルコニアの添加量が減少してもセラミック
ス基板そのものに比較して曲げ強度の顕著な低下が見ら
れなかった。これらの効果は、通常のセラミックス焼成
時には不純物程度のイットリアが不可抗力的に入ってい
るのに対し（０．０１ｗｔ％添加以下）、今回多量
（０．７５ｗｔ％）のイットリアを添加したためである
と考えられる。
【００１８】図４にイットリア添加量の影響を示すデー
タを示す。図４（ａ）はジルコニアがアルミナに５ｗｔ
％添加されているセラミックスの熱伝導率のイットリア
添加量依存性を示す。０．２〜０．６ｗｔ％で熱伝導率
の最大値（ピーク値）を与え、０％（意識的にイットリ
アを添加しない場合）で、図３（ａ）に示す如くの通常
のアルミナの熱伝導率（約２２Ｗ／ｍ・ｋ）と類似の値
となる。
【００１９】図４（ｂ）に曲げ強度のデータを示す。セ
ラミックス基板そのものでは０．２５％で強度の最大値
を示すが、ＣＢＣ基板ではイットリアが減少するにつれ
て強度が徐々に低下する。この場合も熱伝導率の場合と
同じくイットリア添加無し（０％）では急激な強度の低
下を示す。以上から助剤イットリアの添加量が特性向上
に大きく寄与していることが判る。但し、イットリアが
２％を超えるとセラミックスの収縮率，強度に大きなば
らつきが生じるようになる。従ってイットリア添加量の
適量は０．１〜２ｗｔ％と言える。
【００２０】曲げ強度と破壊に到るまでの撓み量は、セ
ラミックスの厚さに大きく依存する。ジルコニア添加量
２２．５ｗｔ％、イットリア添加量０．７５ｗｔ％の場
合のセラミックス単体の曲げ強度と撓み量が板厚と共に
変化する例を図５に示す。併せて従来のアルミナ単体の
セラミックス基板の場合及び窒化アルミニウムのセラミ
ックス基板の場合を示す。ジルコニア２２．５ｗｔ％、
イットリア０．７５ｗｔ％を添加したアルミナのセラミ
ックスの方が強度が高く、撓み性（靱性）に富み、衝撃
抵抗性に優れていることが判明した。
【００２１】図６にこれらのセラミックス基板を用いて
ＣＢＣ基板を構成した場合の曲げ強度と撓み量がセラミ
ックス板厚に依存する様子を示す。いずれの基板も曲げ
強度、撓み量ともに増大しているものの、図５との比較
から明らかなように、本例のジルコニア２２．５ｗｔ
％、イットリア０．７５ｗｔ％を添加して得たセラミッ
クス基板を使用するＣＢＣ基板の方が特性向上してい
る。
【００２２】ここで、ＣＢＣ基板の曲げ強度が従来に比
して頗る向上した点から次のような効果を生じる。図１
に示すように、ＣＢＣ基板２をヒートシンクとしての放
熱金属ベース１上に搭載して半導体装置を構成する場合
においては、放熱金属ベース１の主面に反りが不可避的
に存在し、金属ベース１の製造方法によってはその反り
が製品毎で大きくばらつくことがある。金属ベース１の
反りによってＣＢＣ基板２に曲げの初期応力が加わるも
のの、ＣＢＣ基板２の曲げ強度が高く、撓み量が大きい
ので、ＣＢＣ基板２に割れ等を生じることがない。従っ
て、高熱伝導率のＣＢＣ基板を薄形化できるので、相乗
的に熱伝導性が向上している。また、本組成はアルミナ
を基調としたものであり、製造装置，製造方法ともアル
ミナとほとんど同じであり、窒化アルミニウムを主成分
とするセラミックスに比較して低コストのセラミックス
基板を提供できる。
【００２３】助剤としてイットリア以外のマグネシア
（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）、セリア（ＣｅＯ2 ）
の添加の効果を検討したが、カルシア及びセリアはイッ
トリアとほぼ同じ効果を示すことが見い出された。以下
に説明するように、マグネシアの添加ではイットリアよ
り特性の若干の改善が見い出された。
【００２４】図７，図８にその例を示す。図７はマグネ
シア０．７５ｗｔ％の場合の熱伝導率と曲げ強度のデー
タである。図７（ａ）の熱伝導率はイットリアに比較し
て５％程度の特性向上が見られる。図７（ｂ）の曲げ強
度については、添加量が少ない所で強度が向上してい
る。その結果、ＣＢＣ基板の特性も若干向上している。
【００２５】図８（ａ）は熱伝導率のマグネシア添加量
依存性を示し、図８（ｂ）は曲げ強度のマグネシア添加
量依存性を示す。イットリアの場合の図４と比較する
と、熱伝導率及び曲げ強度はほぼ同様の特性を示してい
る。しかし、マグネシア添加量が０．４ｗｔ％を超える
と、セラミックスの収縮率，強度に大きなばらつきが生
じるようになり、マグネシア添加量の適量は０．０１〜
０．４ｗｔ％であると言える。
【００２６】なお、カルシア、セリアについてもほぼ同
様の効果が認められたが、添加量の適量は、カルシアの
場合が０．０２〜０．５ｗｔ％、セリアの場合が０．０
５〜２ｗｔ％であった。
【００２７】次に、イットリア，マグネシア，カルシ
ア，セリア等の添加剤を２種以上混合して添加して作製
したセラミックス基板の結果を調べた。これらの異種の
添加剤を添加した効果は、添加量を１mol ％で表すこと
により説明することができた。
【００２８】図９に、イットリアとカルシアを混合して
添加した作製したセラミックス基板の結果を示す。ジル
コニアの添加量は５ｗｔ％の場合、イットリアとカルシ
アを合わせた添加量０．１〜０．３mol ％で熱伝導率が
最大値を示し、セラミックス基板の曲げ強度は０．１〜
０．２mol ％で最大値が得られた。
【００２９】また、イットリアとセリアを混合したも
の、カルシアとセリアを混合したもの、イットリアとセ
リアとカルシアを混合したものでも、上記イットリアと
カルシアを混合した作製したセラミックス基板と同様の
効果が得られた。しかし、添加量が１mol ％を超える
と、セラミックスの収縮率や強度ばらつきが生じるよう
になる。従って、これら混合物の添加量の適量は０．０
５〜１mol ％と言える。
【００３０】図１０に、マグネシアとイットリアを混合
して作製したセラミックス基板の結果を示す。ジルコニ
ア添加量は５ｗｔ％である。マグネシア単体を添加した
場合（図８参照）に比較すると、曲げ強度がやや向上す
る傾向が見られた。マグネシアとカルシア、マグネシア
とセリア、マグネシアとイットリア、マグネシアとイッ
トリアとカルシア、マグネシアとカルシアとセリア、マ
グネシアとイットリアとカルシアとセリアの組み合わせ
で添加した場合も同じ効果が見出された。しかし、上記
助剤の総添加量が１mol ％を超えると、セラミックスの
収縮率や強度にばらつきが見られるようになった。従っ
て、添加量の適量は０．０５〜１mol ％と言える。
【００３１】なお、上記の実施例では、マグネシア、カ
ルシア、セリア単体で作製した場合においても、またマ
グネシア、カルシア、セリア、イットリアのいずれかを
混合して作製した場合においても、イットリアの場合に
見られた図５，図６の効果を確認できた。
【００３２】次に、本例の０．２ｍｍ厚のセラミックス
基板およびＣＢＣ基板を用いて図１の半導体装置を組み
立てた。また比較例として、別途、板厚０．６３ｍｍの
窒化アルミニウムのＣＢＣ基板を用いて同様な半導体装
置を組み立て、これらの組立体について機械的な変形耐
性試験、および断続通電試験を行った。
【００３３】変形耐性試験では、放熱金属ベース１に外
力を加えて強制的な変形を与え、セラミックス基板２ａ
の絶縁不良に到るまでの変形量と強度を調べた。この結
果、本例のセラミックス基板を用いたものは窒化アルミ
ニウム基板を用いたものに比較して、強度では２．５倍
向上し、変形量では４倍伸びており、絶縁不良に到るま
での強さが頗る改善されていることが判明した。つま
り、アルミナにジルコニア及び／又は添加剤（マグネシ
ア、カルシア、セリア、イットリア）を適量添加するこ
とにより、実用的にはセラミックス基板２ａの板厚を１
／３まで薄くできることが可能になった。
【００３４】断続通電試験では、本例のセラミックス基
板を用いたものは窒化アルミニウム基板を用いたものに
比較して、同一のコレクタ損失を与えるときの半導体チ
ップの接合温度上昇分ΔＴは同等以下となり、通常のア
ルミナ基板を用いたものに比べて断続通電耐量が数倍向
上することが認められた。
【００３５】これらのことから判るように、本例のセラ
ミックス基板は、アルミナ及び窒化アルミニウム基板と
比べて機械的特性に優れており、絶縁基板のセラミック
ス基板自身の薄膜化が可能であり、放熱性の高い半導体
基板として十分に期待できる。
【００３６】次に上記のセラミックス基板２ａを用いて
ＣＢＣ基板２を形成する場合、銅板２ｂ，２ｃの板厚に
より、−４０°Ｃ〜１２５°Ｃのヒートサイクルに対し
て縁割れ等の亀裂の発生しない組み合わせを調べた。そ
の結果を表１にまとめた。
【００３７】
【表１】
【００３８】ここで、溝幅は０．２mm程度である。な
お、〇印は溝付き銅板、×印は、溝無し銅板で、溝の欄
における（ ）内の数値は溝付き銅板の溝部の残った厚
さである。
【００３９】表１から判るように、本例のＣＢＣ基板に
おいては、セラミックス基板の板厚０．６４mmの場合、
銅板０．４mmまで溝を付ける必要がない。また更に銅板
を厚くすると、溝部の銅板厚０．３mm残るように切込み
を入れることにより、亀裂が発生しないことが確認され
た。また切込みの位置は銅板厚と同程度内側に形成する
必要がなく、切込みが安定して形成できれば銅板の縁端
に近づけて形成しても構わない。従って、銅板のチップ
搭載面積を従来に比して広く確保できる。
【００４０】セラミックス基板厚０．３２mm，０．２mm
の場合、それぞれ銅板０．４mm，０．３mmのようにセラ
ミック基板の板厚よりも厚い銅板を接合しても、溝無し
で亀裂は発生しなかった。但し、更に厚い銅板を接合す
るには、溝付きが必要である。これらの結果は、本例の
破壊靱性の強いセラミックス基板を用いたため、銅板と
セラミックス基板との接着強度が向上したことによる。
ここで、銅板が０．５mm以上の場合は溝を形成すること
が望ましい。また、銅板の厚さがセラミックス基板より
も厚い場合にも溝を形成することが望ましい。セラミッ
クス基板が銅板より厚い場合は、溝部の銅板の残余厚さ
を他の部分の板厚の約１／２とすれば良い。またセラミ
ックス基板が銅板より薄い場合は、溝部の銅板の残余厚
さをセラミックス基板と同程度又は０．５mm程度厚くし
て溝を形成すれば良い。
【００４１】次に、本例のＣＢＣ基板即ち、セラミック
ス基板０．６４mm／銅板０．３mm（溝無し）、セラミッ
クス基板０．３２mm／銅板０．５mm（溝切込み深さ０．
１mm，残余厚０．４mm）、セラミックス基板０．２mm／
銅板０．３mm（溝無し）、セラミックス基板０．２mm／
銅板０．５mm（溝切込み深さ０．２mm，残余厚０．３m
m）をそれぞれ用いて図１に示す半導体装置を組み立て
た。また比較例として別途板厚０．６４mmのアルミナ基
板に銅板０．３mmで縁から０．３mm内側に溝切込み深さ
０．２mmを付けたパターンのＣＢＣ基板を準備し、同様
の半導体装置を組み立て、機械的な変形耐性試験，ヒー
トサイクル試験及び電気的試験を実施した。変形耐性試
験では、放熱金属ベース１に外力を加えて強制的な変形
を与え、セラミックス基板の絶縁不良に到るまでの変形
量と強度を調べた。この結果、セラミックス／銅板の組
み合わせが、セラミックス基板０．６４mm／銅板０．３
mm（溝無し）、セラミックス基板０．３２mm／銅板０．
５mm（溝切込み深さ０．１mm，残余厚０．４mm）、セラ
ミックス基板０．２mm／銅板０．３mm（溝無し）、セラ
ミックス基板０．２mm／銅板０．５mm（溝切込み深さ
０．２mm，残余厚０．３mm）のそれぞれにおいては、変
形量／強度が３倍／１．５倍、４倍／１．５倍、８倍／
１．４倍、８倍／１．４倍となり、従来のＣＢＣ基板に
比して大幅な改善が見られた。
【００４２】またヒートサイクル試験においては、いず
れの組み合わせも板厚０．６４mmアルミナを用いたＣＢ
Ｃ基板に比較して、遜色のない耐性を示した。
【００４３】電気的試験については、銅板０．５mmを用
いたものは銅板０．３mmを用いたものに比較して、ＣＢ
Ｃ基板に搭載されたパワートランジスタ素子のオン抵抗
に起因するコレクタ・エミッタ電圧ＶCE(S) 特性が１０
〜１５％改善された。また過渡的な温度上昇が２０％程
度抑制されることが明らかとなった。
【００４４】以上のことから判るように、本例のセラミ
ックス基板は従前のアルミナ基板に比して機械的特性に
優れており、基板自身の薄形化による放熱性の改善によ
り、放熱性の高い半導体装置搭載基板に適している。ま
た銅板の厚さを増加させることにより、オン抵抗を下げ
ることができ、搭載される半導体チップに流す電流密度
を増大させることが可能となった。
【００４５】上記の実施例ではセラミックス基板の板厚
として０．５ｍｍ，０．２ｍｍの例を示したが、形成法
としてドクターブレード法、押し出し圧延法、カレンダ
ー法などを用いれば板厚０．０５〜５ｍｍのシート状の
基板を作成することができる。また、原料粉にポリビニ
ールアルコール（ＰＶＡ）等の結合剤を添加し、湿式混
合の後にスプレードライヤーで乾燥造粒した原料を用い
て成形するプレス成形法を採用すれば、断面形状の変化
が大きい基板の作成も可能である。
【００４６】湿式混合の後に押し出し法を採用すれば、
長さ方向は一定で断面形状の異なる基板も可能である。
また射出成形法によれば長さ方向の断面形状も異なる任
意の形状の基板も可能である。これらの基板は凹を利用
して銅板との位置を予め決めることができるので接合工
程において位置ずれを起こし難いという点で優れてい
る。
【００４７】上記の実施例では、セラミックス基板と銅
板との接合は、ダイレクトボンディング法の例を採り説
明してあるが、一般に化学的接合法として、例えば活性
金属法、メタライズ法のように銀ロウにＴｉを添加して
接合することも可能である。
【００４８】これらは接合温度を低く設計できるので、
反りの少ない平滑な基板設計を容易にする等の点で優れ
ている。
【００４９】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、Ｃ
ＢＣ基板のセラミックス基板として、アルミナにジルコ
ニア及び又はイットリア、カルシア、マグネシア、セリ
アなどの添加剤を添加して高温焼成したセラミックスを
用いることにより、従来のアルミナ単体の基板や窒化ア
ルミニウム基板に比較して機械的強度を大幅に増強でき
る。従って、実用上でセラミックス基板の薄形化が可能
となり、これにより半導体装置用の基板として放熱性の
高いＣＢＣ基板が得られ、特にパワートランジスタモジ
ュールなどの基板に適用することで、半導体装置の小型
化、低コスト化、並びに電流容量の増大化を図ることが
できる。
【００５０】特に、アルミナの重量比が７０％以上１０
０％未満の範囲、ジルコニアの重量比が０％を超える３
０％までの範囲、イットリア、カルシア、マグネシア、
セリアからなる群から選択された添加剤の総量の重量比
が０．０２％以上２％以下の範囲にある場合には、実用
的に優れた曲げ強度と高熱伝導率のセラミックス基板を
得ることができ、半導体装置用基板として強度，絶縁
性，熱伝導性，低コストの点で優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】パワートランジスタモジュールの一般的構成を
示す断面図である。
【図２】（ａ）は特開平３−１４５７４８に示すＣＢＣ
基板の平面図、（ｂ）はその部分断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施例においてイットリア
０．７５ｗｔ％を添加して作製したセラミックス基板の
熱伝導率のジルコニア添加量依存性を示すグラフ、
（ｂ）は同セラミックス基板及びそれを用いたＣＢＣ基
板の曲げ強度のジルコニア添加量依存性を示すグラフで
ある。
【図４】（ａ）は本発明の実施例においてジルコニア５
％を添加して作製したセラミックス基板の熱伝導率のイ
ットリア添加量依存性を示すグラフ、（ｂ）は同セラミ
ックス基板及びそれを用いたＣＢＣ基板の曲げ強度のイ
ットリア添加量依存性を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例においてイットリア０．７５％
とジルコニア２２．５％を添加して作製したセラミック
ス基板の曲げ強度、撓み量、板厚の関係をアルミナ単体
のセラミックス基板と窒化アルミニウムのセラミックス
基板との比較で示すグラフである。
【図６】本発明の実施例においてイットリア０．７５％
とジルコニア２２．５％を添加して作製したセラミック
ス基板を用いたＣＢＣ基板の曲げ強度、撓み量、板厚の
関係をアルミナ単体のＣＢＣ基板と窒化アルミニウムの
ＣＢＣ基板との比較で示すグラフである。
【図７】（ａ）は本発明の実施例においてマグネシア
０．７５ｗｔ％を添加して作製したセラミックス基板の
熱伝導率のジルコニア添加量依存性を示すグラフ、
（ｂ）は同セラミックス基板及びそれを用いたＣＢＣ基
板の曲げ強度のジルコニア添加量依存性を示すグラフで
ある。
【図８】（ａ）は本発明の実施例においてジルコニア５
％を添加して作製したセラミックス基板の熱伝導率のイ
ットリア添加量依存性を示すグラフ、（ｂ）は同セラミ
ックス基板及びそれを用いたＣＢＣ基板の曲げ強度のマ
グネシア添加量依存性を示すグラフである。
【図９】（ａ）は本発明の実施例においてジルコニア５
％を添加して作製したセラミックス基板の熱伝導率のイ
ットリアとカルシアとの混合添加量依存性を示すグラ
フ、（ｂ）は同セラミックス基板及びそれを用いたＣＢ
Ｃ基板の曲げ強度のイットリアとカルシアとの混合添加
量依存性を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は本発明の実施例においてジルコニア
５％を添加して作製したセラミックス基板の熱伝導率の
マグネシアとイットリアとの混合添加量依存性を示すグ
ラフ、（ｂ）は同セラミックス基板及びそれを用いたＣ
ＢＣ基板の曲げ強度のマグネシアとイットリアとの混合
添加量依存性を示すグラフである。
【符合の説明】
１…放熱金属ベース ２…ＣＢＣ基板 ２ａ…セラミックス基板 ２ｂ，２ｃ…銅板 ３…半導体チップ ４…外部導出端子 ５…ボンディングワイヤ ６…樹脂ケース ７…端子ブロック ８…封止樹脂 ９…ゲル状充填材 １０…溝。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 両角 朗 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 野崎 利夫 山口県美祢市大嶺町東分字岩倉2701番１ 株式会社住友金属セラミックス内 (72)発明者 深山 弘 山口県美祢市大嶺町東分字岩倉2701番１ 株式会社住友金属セラミックス内 (72)発明者 大岩 誠五 山口県美祢市大嶺町東分字岩倉2701番１ 株式会社住友金属セラミックス内

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アルミナを主成分としてジルコニアを添
    加し、これにイットリア，カルシア，マグネシア，セリ
    アからなる群より選択された１種以上の添加剤を添加し
    て作製したセラミックス焼成体よりなることを特徴とす
    る半導体装置用基板。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体装置用基板にお
    いて、前記アルミナの重量比が７０％以上１００％未満
    の範囲、前記ジルコニアの重量比が０％を超える３０％
    までの範囲、前記選択された添加剤の総量の重量比が
    ０．０２％以上２％以下の範囲にあることを特徴とする
    半導体装置用基板。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の半導体装置用基板にお
    いて、前記選択された添加剤はイットリアであって、そ
    の重量比は０．１％以上２％以下の範囲であることを特
    徴とする半導体装置用基板。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載の半導体装置用基板にお
    いて、前記選択された添加剤はカルシアであって、その
    重量比は０．０２％以上０．５％以下の範囲であること
    を特徴とする半導体装置用基板。
  5. 【請求項５】 請求項２に記載の半導体装置用基板にお
    いて、前記選択された添加剤はマグネシアであって、そ
    の重量比は０．０２％以上０．４％以下の範囲であるこ
    とを特徴とする半導体装置用基板。
  6. 【請求項６】 請求項２に記載の半導体装置用基板にお
    いて、前記選択された添加剤はセリアであって、その重
    量比は０．０２％以上０．５％以下の範囲であることを
    特徴とする半導体装置用基板。
  7. 【請求項７】 請求項２に記載の半導体装置用基板にお
    いて、前記添加剤の少なくとも２種が添加されており、
    その総添加量のmol ％が０．０５％以上１．０％以下の
    範囲にあることを特徴とする半導体装置用基板。
  8. 【請求項８】 請求項３乃至請求項７のいずれか一項に
    おいて、前記アルミナの重量比が８２％以上９７％以下
    の範囲、前記ジルコニアの重量比が２．５％以上１７．
    ５％以下の範囲であることを特徴とする半導体装置用基
    板。
  9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に
    記載の半導体装置用基板において、前記セラミックス原
    料粉体の粒径は０．５μｍ以上３μｍ以下であることを
    特徴とする半導体装置用基板。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至請求項９のいずれか一項
    に規定する半導体装置用基板の表裏面に箔状の銅板を接
    合してなることを特徴とする半導体装置用基板。
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