JPH104156A - 半導体装置用絶縁基板及び半導体装置 - Google Patents

半導体装置用絶縁基板及び半導体装置

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JPH104156A
JPH104156A JP8154016A JP15401696A JPH104156A JP H104156 A JPH104156 A JP H104156A JP 8154016 A JP8154016 A JP 8154016A JP 15401696 A JP15401696 A JP 15401696A JP H104156 A JPH104156 A JP H104156A
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active metal
thickness
plate
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Yuzuru Konishi
譲 小西
Hideo Matsumoto
秀雄 松本
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱履歴等によるクラック発生を防止して高信
頼性の半導体装置を実現する。 【解決手段】 両活性金属層２ａ，２ｂが長さｄ1,ｄ2
だけオーバーハングする様に、両導電板３ａ，３ｂをＡ
ｌＮのセラミック基板１にロー付け固定する。両導電板
３ａ，３ｂの端部に、その底面部５ａ，５ｂの幅Ｗ1,Ｗ
2 及び厚みｔ1,ｔ2 がＷ1,／ｔ1 ≧３，Ｗ2 ／ｔ2 ≧
３，ｔ1 ／Ｔ1 ≦１／２，ｔ2 ／Ｔ2 ≦１／２を満足す
るように、段差形状４ａ，４ｂを形成する。各部分１、
２ａ，２ｂ、３ａ，３ｂの各コーナの角付けを取り、両
導電板３ａ，３ｂの厚みＴ1 ，Ｔ2 をＴ2 ≦Ｔ1 ／２に
設定する。第１導電板３ａの上面３Ｔに半導体チップ搭
載領域を形成するための樹脂層６を形成する。その後、
絶縁基板１０をベースに半田付けし、半導体チップ等を
搭載・半田付けして半導体装置を完成させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置用絶
縁基板に関するものであり、特に半導体チップを当該絶
縁基板上に固着する場合に、熱応力により絶縁基板にク
ラックが生じるのを防止するための、応力集中緩和構造
に関する。又、この発明は、そのような絶縁基板を利用
した半導体装置にも関している。
【０００２】
【従来の技術】パワートランジスタモジュール用の回路
基板としては、セラミック基板上に銅板を接合した回路
基板が多用されるようになってきている。また、大容量
化が進むにつれて、素子からの発熱量が増加するため、
セラミック基板としては放熱性の良好なものが求められ
るようになり、その結果、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
が上記セラミック基板として多用されるようになってき
ている。
【０００３】図９（ａ），（ｂ）は、そのようなＡｌＮ
をセラミック基板とする従来の半導体装置用絶縁基板を
示す平面図及び断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）
のＸ−Ｘ’線に関する断面図に該当している。同図に示
すように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板１０３の両面
に、銅板１０９，１１０がダイレクトボンディングカッ
パー法又は活性金属ロー材を用いて接合されている。一
般的には、ＡｌＮ板１０３の厚みｔは０．６３５ｍｍ、
Ｃｕ板１０９，１１０の厚みｔは共に０．３ｍｍであ
る。裏側の銅板１０９の外径は、放熱性を考慮して、表
側の銅板１１０のそれよりも大きく作られている。又、
表側の銅板１１０には、半導体チップを位置決めするた
めの複数の溝１０８が、エッチング法によって当該銅板
１１０を抜き落とすことで形成されている。図９（ａ）
に示すように、これらの溝１０８で囲まれる銅板１１０
の表面上の四角形領域の中に、半導体チップが載置され
て、半田付けにより固着される。
【０００４】図１０は、図９に示した絶縁基板を用いた
従来の半導体装置を示す側面図である。ここでは、図示
の簡略化のために、図９の絶縁基板１０３の構造を簡略
化して示している。図１０に示す通り、放熱用の金属ベ
ース板１０１の上面には半田印刷１０２が形成されてお
り、この金属ベース板１０１の上に図９の銅張型の絶縁
基板１０３が搭載されている。そして、絶縁基板１０３
の電極、即ち銅板１１０（図９）の上には、図９（ａ）
に示した四角形領域内の所定の箇所に半導体チップが搭
載される。即ち、半導体チップが搭載される部分には、
予め半田印刷１０４が形成されており、この半田印刷１
０４の上に、半導体チップとして、トランジスタチップ
１０５や、フライホイルダイオードチップ１０６が搭載
される。その後、この半導体装置を加熱板上に置くか又
は加熱炉に入れるかして加熱することにより半田を溶融
し、これにより各部分を固定する。その後、アルミワイ
ヤ１０７、及び電極１０９を付け、更に図示しない取付
ケースやエポキシ樹脂で図１０の半導体装置を封止する
ことで、半導体装置が完成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置ない
し絶縁基板は以上のように構成されているので、熱履歴
に対して信頼性が乏しいという問題がある。すなわち、
窒化アルミニウムは、放熱性の点では確かにその熱伝導
率（６０〜２６０Ｗ／ｍＫ）が大きく好都合な材料であ
ると言えるが、強度的には、曲げ強度が２００〜４００
ＭＰａと小さく、もろい性質を有しているため、窒化ア
ルミニウムを絶縁基板として用いる場合には、製造プロ
セスにおける熱履歴や、製品となった時点でのヒートサ
イクル性能に起因して生ずる熱応力により、絶縁基板内
にクラックが発生しやすいという問題点がある。
【０００６】例えば、図１１（ａ）の断面図に例示する
ように、銅を用いたベース板１０１や裏側の銅板１０９
の線膨張係数は１７×１０-6／゜Ｃであるのに対して、
絶縁基板としてのＡｌＮ板１０３の線膨張係数は４．５
×１０-6／゜Ｃであるため、ＡｌＮ板１０３とベース板
１０１との接合の際の加熱・冷却時に、ＡｌＮ板１０３
にはベース板１０１及び銅板１０９より引張り応力が加
えられることとなり、このため、図１１（ｂ）の断面図
に模式的に示すように、半導体装置は全体として歪曲し
た形状となり、絶縁基板ないしＡｌＮ板１０３の端部に
応力が集中し、当該端部（エッジ部）にクラックが生ず
ることとなる。
【０００７】このような引張応力の集中を緩和してエッ
ジ部にクラックが入るのを防止する従来の技術として
は、本願出願人の特許に係る特公平７−９３３２６号公
報に開示されたものがある。同技術においては、放熱板
からの絶縁層への引張り応力のエッジ部への集中を緩和
させるためには、絶縁層上に設ける導電層の端縁部に段
差を設けて薄肉化することが有効であることが指摘され
ている。この技術を従来の絶縁基板に適用することによ
り、熱応力によるクラックの発生を効果的に抑止できる
ことが期待される。
【０００８】しかしながら、導電層ないし導電板の端部
の形状を段差状に設定すると言っても、そのような形状
如何によって導電板端部の剛性を変えることで熱応力を
緩和するものである以上、その寸法・形状の設定次第で
は、十分にクラック発生を抑止することが出来ない場合
も考えられる。ところが、上記従来技術は、熱応力緩和
のための構造原理については教示してくれるものの、具
体的に上記段差形状の各部をいかなる範囲で以て制御す
れば良いのかを何ら提示・教示してはいない。従って、
上記原理を実用的な技術にまで高めるためには、上記段
差形状の内で、どの部分同士をそれぞれいかなる範囲で
以て制御すれば最も効果的にクラック発生抑止効果を奏
することができるのかを、更に研究することが求められ
ていると言える。
【０００９】加えて、上記技術（特公平７−９３３２６
号）を適用し、その適用技術を更に研究・開発を通じて
実用的なものに高めたとしても、なお改善すべき問題点
が残っている。即ち、特公平７−９３３２６号の技術を
用いたとしても、表側の銅板上に半導体チップ等を正確
に搭載して固着するためには、なお銅板内に設けた貫通
溝を利用することとなる。
【００１０】しかし、このような溝を利用して半導体チ
ップ等を位置決めしているときには、かかる溝自体の存
在が熱履歴による影響を受ける要因となる。即ち、絶縁
基板に表側となるべき銅板を加熱接合した上でその後、
エッチングにより溝部を形成すると、図１１（ａ）に示
すように、残留応力が銅板の端部や、溝部のエッヂ部分
に残ってしまうこととなる。このような残留応力が加わ
った状態の絶縁基板を用いて更に半導体装置を製造する
こととなるために、ベース板と絶縁基板、及び表側の銅
板と半導体チップとをそれぞれ半田付けする際に、残留
応力が残っている部分に特に強い引張応力がかかること
となり、この引張応力がセラミックスの引張強度を越え
ると、絶縁基板の端面に水平・垂直方向のクラックを生
じさせてしまう。
【００１１】このように、溝部形成に伴う残留応力の存
在により、クラック発生要因となる熱応力が加重されて
しまうこととなり、このような残留応力の除去をも考慮
しなければ、上記従来技術を単純に適用しても、何ら抜
本的な解決策にはならないという問題が生じている。
【００１２】本発明は、このような従来の問題点を解消
するためになされたものであり、熱履歴やヒートサイク
ルに対して信頼性を向上させることができる実用的な半
導体装置用絶縁基板を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
半導体装置用絶縁基板に関して、第１及び第２主面を有
するセラミック基板と、前記第１主面上に形成された第
１活性金属層と、その底面に於いて前記第１活性金属層
と接合され且つ段差形状の端部を有する第１導電板と、
前記第２主面上に形成された第２活性金属層と、その底
面に於いて前記第２活性金属層と接合され且つ段差形状
の端部を有すると共に、当該端部を含めて露出した各面
は別に設けられる放熱板と半田層によって接合される、
第２導電板とを備えると共に、前記第１及び第２活性金
属層を、共にそれぞれに対応する前記第１及び第２導電
板の底面の周端よりも所定の長さだけ前記セラミック基
板の長手方向に沿って延長し、前記第１及び第２導電板
のそれぞれの前記端部の段差形状の内で、対応する前記
第１及び第２主面に平行な底面部分を、それぞれ、（当
該底面部分の厚み）／（対応する前記第１及び第２導電
板の厚み）で与えられる比が１／２以下、（当該底面部
分の前記セラミック基板の長手方向に沿った長さ）／
（当該底面部分の厚み）で与えられる比が３以上、とな
る寸法値に設定したものである。
【００１４】請求項２に係る発明は、請求項１記載の半
導体装置用絶縁基板において、前記第１導電板の半導体
チップ搭載面上に形成され且つ少なくとも半導体チップ
を前記半導体チップ搭載面に搭載して半田付けするため
の領域を形成する樹脂層を更に備えたことを特徴とす
る。
【００１５】請求項３に係る発明は、請求項１又は２記
載の半導体装置用絶縁基板において、前記第２導電板の
厚みを前記第１導電板の厚みの１／２以下にしたことを
特徴とする。
【００１６】請求項４に係る発明は、請求項１記載の半
導体装置用絶縁基板において、前記第１及び第２活性金
属層を、それぞれ前記第１及び第２導電板と同一寸法の
別の第１及び第２活性金属層に置き換えると共に、前記
第１及び第２導電板の前記底面を、それぞれ前記第１及
び第２活性金属層の周端を含む一部分と未接合状態にし
たことを特徴とする。
【００１７】請求項５に係る発明は、半導体装置に関し
て、請求項１ないし４の何れかに記載の半導体装置用絶
縁基板を放熱用金属ベース板に半田付けするとともに、
前記半導体装置用絶縁基板の前記第１導電板上に半導体
チップを搭載して半田付けしたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）実施の形態１に係る半導体装置用絶縁
基板の特徴を箇条書きに示せば、次の通りである。
【００１９】 第一に、セラミック基板の表面側の銅
板上に、半導体チップ位置決め用として、レジスト又は
ポリイミド塗布層等より成る耐熱性樹脂層（以後、単に
樹脂層と称す）を形成し、この樹脂層により四方を囲ま
れた部分に半導体チップ又は電極を設置する。但し、電
極を設置する部分に対しては、その全周に渡って上記樹
脂層を設ける一方、半導体チップを搭載し固着する部分
に対しては、その周囲の３辺又は２辺に渡って線状（連
続）に又は点状（点在化）に上記樹脂層を塗布する。
【００２０】 第二に、上記両銅板、セラミック基板
の各コーナー部分に対して、曲率半径Ｒが２ｍｍ以上と
なるように、角落としを行なう。これにより、セラミッ
ク基板の端部への熱応力の集中をより緩和させる。
【００２１】 第三に、各銅板とセラミック基板と
を、活性金属層（例えばＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）によりロー
付け接合し、しかも、各活性金属層には、必ず対応する
銅板をオーバーハングする部分を設ける（その延長部分
の長さを０．１ｍｍ以上とする）。
【００２２】 第四に、各銅板の端部には段付ないし
段差形状を施し、各段差形状には、当該段付端部の厚み
の３倍以上の幅寸法を有する薄肉部を、表裏の銅板のそ
れぞれについて設ける。しかも、表裏の各銅板につい
て、各段差形状の薄肉部と厚肉部との厚み寸法の比率を
１／２以下に設定する。
【００２３】 第五に、銅板の直径寸法を、表裏とも
同径とする。
【００２４】これらの構成要素〜の内で重要なの
は、，及びである。このような応力緩和策を取る
ことにより、セラミック基板（α＝４．５×１０-6／゜
Ｃ）と銅板（α＝１７×１０-6／゜Ｃ）というような熱
膨張係数に格段の差のある両材料を接合したとしても、
各銅板端部や溝部よりセラミック基板に対して加わる応
力（引張り応力）を著しく緩和することが可能となり、
銅板のエッヂ部や溝部（上記の対策を採らない場合の
み）よりセラミック基板内部に向けてクラックが入るの
を防止する又は大幅に緩和させることができる。特に、
上記を用いた構造では、従来技術のように銅板に溝部
を設けていないので、溝部の存在に伴ない生ずる残留応
力の発生というものはなくなる。
【００２５】以下、上述した特徴点を、図面に基づき具
体的に説明する。
【００２６】図１は、銅張型の半導体装置用絶縁基板１
０の構造の一例を示す断面図であり、又、図２は当該絶
縁基板１０の平面図である。図１は、図２のＸ−Ｘ’線
についての縦断面図に該当する。
【００２７】図１において、当該絶縁基板１０は、セ
ラミック基板１を中核として、その他に、第１及び第
２活性金属層２ａ，２ｂ、第１及び第２導電板（金属
板）３ａ，３ｂ、耐熱性樹脂層６より成る。
【００２８】先ず、セラミック基板１は、ここでは窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）から成る絶縁性基板であり、そ
の厚みは例えば０．６３５ｍｍに設定される。同基板１
は、それぞれ表面及び裏面に対応する、第１及び第２主
面１Ｓ１，１Ｓ２を有する。
【００２９】上記第１主面１Ｓ１上には、例えばＡｇ−
Ｃｕ−Ｔｉという活性金属ロー材から成る第１活性金属
層２ａがロー付けにより形成されている。そして、第１
活性金属層２ａの上面上には、部分的に、第１導電板３
ａが上記ロー付けにより接合されている。即ち、第１活
性金属層２ａの周端部は、当該第１活性金属層２ａが第
１導電板３ａをオーバーハングするように、第１導電板
３ａの周端部３Ｅ１よりも所定の長さｄ1だけセラミッ
ク基板１の長手方向（図２のＸ方向）に沿って延長され
ている。このオーバーハングされてロー付けされた部分
（以後、オーバーハング部と称す）の長さｄ1は、好ま
しくは０．１ｍｍ以上に設定される。
【００３０】第１導電板３ａは、ここでは銅板より成
り、両図１，２に示すように、その周囲の端部に段差形
状４ａを有する。そして、この段差形状端部４ａは、第
１主面１Ｓ１に平行な面を有する底面部ないし薄肉部５
ａを有しており、底面部５ａの厚みｔ1は、第１導電板
３ａの厚み（厚肉部分の厚み）Ｔ1に対して、ｔ1／Ｔ1
≦１／２の関係を満足するように設定される。例えば、
両厚みｔ1及びＴ1の具体的な値は、それぞれ０．１５ｍ
ｍ及び０．３ｍｍである。加えて、当該段差形状端部４
ａの底面部５ａの幅Ｗ1、即ち、底面部分５ａのセラミ
ック基板１の長手方向（Ｘ方向）に沿った長さ寸法Ｗ1
は、上記厚みｔ1に対して、Ｗ1／ｔ1≧３の関係を満足
するように設定される。例えば、ｔ1＝０．１５ｍｍに
対してＷ1＝１．０ｍｍである。このような比の関係式
ｔ1／Ｔ1≦１／２及びＷ1／ｔ1≧３は、本願出願人が熱
応力緩和のためには段差形状の厚みとその幅寸法とをコ
ントロールする必要があるとの着想ないし卓見に基づき
数多くの実験とシミュレーションとを繰り返して行うこ
とにより得られた成果であり、後述するように本願発明
の効果実現にとって必須の構成要素である。この点は、
後述する厚みｔ2と厚みＴ2の関係及び幅Ｗ2と厚みｔ2と
の関係でも同様のことが言える。
【００３１】このような段差形状端部５ａを有する第１
導電板３ａの上面（半導体チップ搭載面）３Ｔ上には、
半導体チップや電極板を当該上面３Ｔ上に搭載して半田
付け固定するための領域を形成する樹脂層６が形成され
ている。樹脂層６はレジストやポリイミド等の耐熱性樹
脂から成り、例えば図２に示す様に塗布される。即ち、
各チップ搭載領域Ｒ１〜Ｒ４の周囲を囲むように、当該
領域Ｒ１〜Ｒ４の外周辺の内の３辺の長さの総和以下の
長さを有する樹脂層６が、線状ないし連続的に第１導電
板３ａの上面３Ｔ上に塗布されている。又、四方を完全
に樹脂層６で囲まれた領域Ｒ５は、電極を搭載するため
の領域を提供する。
【００３２】このような配置を有する樹脂層６の形成に
より、従来技術のように銅板に貫通溝を設けることな
く、半導体チップや電極板の位置決めエリアを形成・確
保することができる。しかし、このような樹脂層６を設
ける最大の利点は、上記溝部の形成を不要として溝部に
生ずる残留応力を取り除くことにあり、これにより、熱
履歴等により生ずる熱応力の集中の緩和に大きく貢献す
ることができることとなる。
【００３３】尚、このような樹脂層６を形成しないで、
従来通りの溝を第１導電板３ａに設けたとしても、この
実施の形態１の他の特徴的な構造を具備している限り
は、その限りではあるが、従来よりも熱応力を緩和して
クラックの発生を生じにくくさせることができる利点が
ある。
【００３４】他方、セラミック基板１の第２主面１Ｓ２
上には、同じく第２活性金属層２ｂが形成されている。
この第２活性金属層２ｂの部材、形状及び寸法は、全て
既述した第１活性金属層２ａのそれらと同一である。従
って、長さｄ2は０．１ｍｍ以上となる。
【００３５】又、当該第２活性金属層２ｂの上面上に
は、第２導電板３ｂがロー付けにより接合されている。
この第２導電板３ｂも、第１導電板３ａと同様に、ここ
では銅板であり、しかもその周縁の端部に段差形状４ｂ
を有している。但し、第２導電板３ｂの厚みＴ2は第１
導電板３ａの厚みＴ1よりも小さく設定されており（Ｔ2
＜Ｔ1）、この構造は、後述する金属ベース板より当該
第２導電板３ｂを介してセラミック基板１へ加わる熱応
力を緩和させることに寄与し得る。好ましくは、厚み比
Ｔ2／Ｔ1は１／２以下であるが、ここでは一例として、
Ｔ1＝０．３ｍｍ，Ｔ2＝０．１５ｍｍに設定される（Ｔ
2／Ｔ1＝１／２）。又、第２導電板３ｂにおいても、そ
の段差形状端部４ｂの形状・寸法は、次の通りにコント
ロールされる。その着眼点は、第１導電板３ａの場合と
同一である。即ち、同段差形状端部４ｂの内で、セラミ
ック基板１の長手方向（Ｘ方向）に平行に延びた平面を
有する底面部ないし薄肉部５ｂの厚みｔ2と幅Ｗ2もま
た、ｔ2／Ｔ2≦１／２及びＷ2／ｔ2≧３の関係を満足す
るように設定される。ここでは、一例として、ｔ2＝
０．０６ｍｍ，Ｗ2＝１．０ｍｍに設定しているので、
ｔ2／Ｔ2＝０．４，Ｗ2／ｔ2＝５０／３となる。
【００３６】又、図２に示すように、セラミック基板
１，第１及び第２活性金属層２ａ，２ｂ及び第１及び第
２導電板３ａ，３ｂのそれぞれの四隅部分は、その曲率
半径が２ｍｍ以上となるように、予めコーナーリングさ
れている。この構造は、セラミック基板１の端部に加わ
る熱応力を緩和させるのに貢献しうることは言うまでも
ない。
【００３７】このような構造を有する絶縁基板１０は、
具体的には、以下に例示する方法に従って加工・形成さ
れる。尚、以下の工程の説明では、セラミック基板１，
第１及び第２導電板３ａ，３ｂを、それぞれＡｌＮ板、
銅板とした場合の説明である。
【００３８】先ず、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ板の表
側及び裏側に、それぞれ厚み０．３ｍｍ及び０．１５ｍ
ｍの銅板を活性金属（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）ロー材を用い
てロー付け固定する。その際、ロー材層は、対応する銅
板よりも必ずオーバーハングするように、０．１ｍｍ以
上の寸法だけ銅板端面よりも突出してロー付けされる。
ロー材の厚みは約０．０２ｍｍである。
【００３９】ロー付け後は、写真製版法により、両銅板
の端部に段差形状構造を付ける。その際、上述した通
り、薄肉部の厚みが厚肉部のそれの１／２以下に、且つ
段差形状端部の幅が薄肉部の厚みの３倍以上となるよう
に、当該段差形状を作る。
【００４０】その後、表側の銅板の上面にレジスト又は
ポリイミドの耐熱樹脂をメタルマスク法を用いて塗布
し、これを焼付して上述した樹脂層を形成し、これによ
って銅張型の絶縁基板が完成する。
【００４１】上記絶縁基板１０が完成したならば、その
後は、図３に示す様に、放熱板としての金属ベース板１
１上に半田印刷（図示せず）を行ない、その半田印刷の
上部に当該絶縁基板１０を設置し、同様に半導体チップ
や電極を搭載する第１導電板３ａの上面上の部分に半田
印刷（図示せず）を行ない、その半田印刷の上に半導体
チップ１４や電極（図示せず）を搭載して半田付炉へ通
して各部を半田付けする。この半田付け後の半導体装置
の断面構造を示す図が上述の図３であり、同図は図２中
のＸＩ−ＸＩ’線に関する縦断面図に対応する断面図で
ある。尚、図３では一つの絶縁基板１０を金属ベース板
１１上に固着する例を簡単化のために示しているが、実
際には、金属ベース板１１上には、複数個の絶縁基板１
０が固着される。
【００４２】図３に示すように、当該絶縁基板１０を半
田層１２を介して金属ベース板１１に固着させた場合に
は、第２導電板２ｂの段差形状端部の部分にも半田層１
２が形成されることとなり、第２導電板２ｂの端面とつ
ながった半田層１２の部分が特に厚く形成される。この
厚み部分により、上記端面に面したエッジ部分に加わろ
うとする熱応力が吸収されやすくなり、エッジ部分でク
ラックが発生しずらくなるという利点も生ずる。又、半
導体チップ１４を半田付けする際にも、半田層１３が第
１導電板３ａの段差形状端部の上部側面近傍にまで形成
されるので、この部分の厚みによっても、端部の残留応
力を吸収しやすくなるという、利点が生ずる。
【００４３】勿論、第１及び第２導電板３ａ，３ｂのそ
れぞれの段差形状端部の薄肉化及び第１及び第２活性金
属層２ａ，２ｂのオーバーハング化によっても、セラミ
ック基板１の端部に加わる熱応力の集中は格段に低減さ
れる。
【００４４】以下、この点を実験結果とシミュレーショ
ン結果とを通じて検証する。
【００４５】即ち、既述した製造工程を経て得られた半
導体装置を用いて、本願出願人は、次のヒートサイクル
テストを行なった。ヒートサイクル条件は、−４０゜Ｃ
（３０分間）→２５゜Ｃ（１０分間）→＋１２５゜Ｃ
（３０分間）を１サイクルとするものであり、このよう
な条件下で５００サイクルのヒートサイクルテストを行
なった。そして、テスト後、半導体装置を分解して絶縁
基板のみを取出し、図３の半田層１２，１３、第１及び
第２導電銅板３ａ，３ｂをエッチングして除去した上
で、クラック発生の有無を蛍光探傷試験を行なうことで
評価した。その結果を、図４に示す。なお、図４では、
ｄ1＝ｄ2＝ｄ＝０．１ｍｍ，Ｗ1＝Ｗ2＝１．０ｍｍと
し、Ｗ1／ｔ1＝６．６，Ｗ2／ｔ2＝１６．６に設定され
た下での結果である。
【００４６】図４に示す様に、従来の段差形状のない半
導体装置では３０サイクル目でクラックが発生するのに
対して、段差形状のある半導体装置では、ｔ1／Ｔ1，ｔ
2／Ｔ2の両比が共に１／２以上に設定されているものに
ついては１００サイクル目まではクラックが発生しない
が、３００サイクル目ではクラックが発生してしまう。
しかしながら、ｔ1／Ｔ1，ｔ2／Ｔ2の両比が１／２以下
に設定されている半導体装置では、５００サイクル分の
ヒートサイクルを行っても、なお異常なしの結果となっ
ている。このように、第１及び第２導電板の各端部に段
差形状を設け、各段差形状の比（ｔ1／Ｔ1），（ｔ2／
Ｔ2）を共に１／２以下に設定した場合には、ヒートサ
イクル特性に関して顕著な結果が得られることが理解さ
れる。
【００４７】又、図５は、第１及び第２導電板の端部に
発生する応力を有限要素法を用いてシミュレーションし
た結果である。ここでは、段差形状の厚み比ｔ1／Ｔ1，
ｔ2／Ｔ2を共に１／２以下に設定し、かつｄ1＝ｄ2に設
定することが前提条件となっており、この前提条件の下
で段差形状の幅Ｗ（＝Ｗ1＝Ｗ2）の依存性をシミュレー
トしている。
【００４８】図５に示すように、段差形状のない従来の
半導体装置では、エッジ部の発生応力が１２．１ｋｇｆ
／ｍｍ2という大きな値になるのに対して、段差形状が
施されたものでは、次のように良好な結果が得られる。
即ち、Ｗ＝０．５ｍｍ、従って、Ｗ1／ｔ1＝０．５／
０．１５＝３．３，Ｗ2／ｔ2＝０．５／０．０６＝８．
３の場合には、エッジ部発生応力は６．８ｋｇｆ／ｍｍ
2となり、段差形状なしの場合の約１／２に低下してい
る。Ｗ＝０．２ｍｍ、従って、Ｗ1／ｔ1＝０．２／０．
１５＝１．３，Ｗ2／ｔ2＝０．２／０．０６＝３．３の
ときには、発生応力は９．２ｋｇｆ／ｍｍ2となり、そ
の効果は前述のＷ＝０．５ｍｍのときの効果程ではな
い。尚、ロー材のはみ出し寸法ｄ（＝ｄ1＝ｄ2）による
差は上記シミュレーション結果では見られなかったが、
ロー材層のオーバーハング部分がフィレットとして残っ
ている方が熱応力緩和効としてはより有利であるものと
考えられる。
【００４９】以上のように、絶縁基板の端部にかかる応
力を緩和する構造として上述の構成〜、特に，
，を採用したことにより、耐ヒートサイクル特性は
飛躍的に向上し、高信頼性の半導体装置を提供すること
が可能となった。
【００５０】（実施の形態１の変形例１）図２に示した
樹脂層６の位置決めパターンは、これに代えて、図６の
第１導電板３ａ’の平面図に示すように、各半導体チッ
プ領域Ｒ１〜Ｒ４や電極形成領域Ｒ５の外周に沿って樹
脂層６’を点在させるように形成することも可能であ
る。このように樹脂層６’のパターンを分断化すること
によっても、図２の場合と同様に、半導体チップ等を位
置決めするための領域を確実に確保・形成することがで
きる。しかも、塗布領域が図２の場合よりも少なくてす
むという点では、作業性，経済性に優れているとも言え
る。
【００５１】尚、図６に示す樹脂層６’のパターン配置
を、「半導体チップ搭載領域の外周の１辺の長さよりも
その長さが小さくなるように形成した場合」と言い換え
ることも可能である。
【００５２】（実施の形態１の変形例２）更に、半導体
装置用絶縁基板１０Ａを、図７の断面図に示すような構
造に変更することも可能である。この変形例は、第１及
び第２活性金属層２ａ，２ｂを、図１のようにオーバー
ハング形状とするのではなくて、逆に、対応する導電板
３ａ，３ｂの各端面３Ｅ１，３Ｅ２よりも所定の長さｌ
だけ内側に入った部分までしかロー付けにより形成され
ていないという構造にしたものであり、その他の点では
図１の場合と同一である。従って、第１及び第２導電板
３ａ，３ｂの各底面は、それぞれ上記所定の長さｌの未
接合領域分だけ、第１及び第２活性金属層２ａ，２ｂと
は未接合の状態にあることとなる。
【００５３】このような構造とすることによっても、当
該未接合部分の存在により、セラミック基板１の端部に
加わる熱応力（引張り応力）を軽減させることが可能と
なる。
【００５４】（実施の形態１の変形例３）セラミック基
板としては、ＡｌＮ基板だけではなく、Ａｌ2Ｏ3（アル
ミナ）基板を用いても良い。又、第１及び第２導電板と
しては、銅板だけではなく、アルミニウム（Ａｌ）板を
用いることも可能である。これらの場合においても、上
述した〜の特徴的構成を具備する以上は、同様な効
果が得られる。
【００５５】（実施の形態２）実施の形態２では、半導
体装置用絶縁基板に対して次の様な特徴的な構成を付加
することで、実施の形態１のような段差構造を付加する
ことなく、同様の効果を実現している。そのような特徴
を箇条書きに列挙すれば、次の通りである。
【００５６】 絶縁基板の表側の銅板（第１導電板）
上に、半導体チップ位置決め用として、レジスト又はポ
リイミド塗布層等よりなる耐熱樹脂層を設け、この樹脂
層により囲まれた部分に半導体チップ又は電極を設置す
る。
【００５７】 各銅板、絶縁基板のコーナーに対して
は、曲率半径Ｒが２ｍｍ以上となるように角落としを行
なう。
【００５８】 各銅板と絶縁基板とは活性金属層によ
りロー付けし、各銅板の端部付近に未接合部分を残す。
【００５９】 裏側の銅板（第２等電板）の厚みを表
側銅板の厚みの１／２以下（０値を除く）に設定し、且
つ表裏の銅板とも同径とする。
【００６０】 絶縁基板の大きさを２００ｍｍ2以下
に設定する。
【００６１】以下、上記した実施の形態２の特徴点をよ
り具体的に説明する。
【００６２】図８は銅張型の半導体装置用絶縁基板２０
を示しており、その内の（ａ）は上面図を、（ｂ）は図
８（ａ）中のＸ−Ｘ’線に関する断面図を、各々示す。
図８に示すように、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ板（セ
ラミック基板）２３の第１主面及び第２主面の各々に、
厚み０．３ｍｍの表側の銅板２１ａ、厚み０．５ｍｍの
裏側の銅板２１ｂが、それぞれ活性金属ロー材を用いて
ロー付けされている。これにより、ベース側の裏側銅板
２１ｂから加わる熱応力の端部への集中をより緩和する
ことができる。ここで、厚み比の最大を１／２としたの
は、実際に設計可能な最適値だからである。
【００６３】又、図８（ａ）に示すように、ＡｌＮ基板
２３の角部及び、銅板２１ａ，２１ｂの角部には、すべ
て曲率半径Ｒが２ｍｍ以上となるようにコーナー付けが
施されている。このようなコーナー付けにより、端部へ
の引張り応力の集中が緩和される。又、この実施の形態
２でも、表側の銅板２１ａ上には、レジスト層又はポリ
イミド層より成る耐熱樹脂層６が、図８（ａ）に示すよ
うに、半導体チップや電極を搭載するためのエリアを囲
む様に設けられている。これにより、残留応力の原因と
なる溝部を銅板２１ａに形成することなく、溝部と同一
の機能を実現できる。
【００６４】更に、本絶縁基板２０においては、銅板２
１ａ，２１ｂの両端部にはロー材層２１ａ，２１ｂとの
未接合層が設けられている。これにより、端部への熱応
力の集中を緩和できる。
【００６５】上記絶縁基板２０を図１０と同様に組立て
て、半導体装置を完成する。即ち、金属ベース板上に半
田印刷を行ない、その上部に絶縁基板２０を設置し、同
様に表側銅板２１ａの上面の導電極部分に半田印刷を行
ない、半導体チップをその半田印刷上に搭載して半田付
用の炉へ通し、半田付けを行う。後の組立方法は、従来
の場合と同じである。
【００６６】このようにして得た半導体装置を用いて、
ここでもヒートサイクルテストを行なった。ヒートサイ
クル条件は、−４０゜Ｃ（３０分間）→２５゜Ｃ（１０
分間）→＋１５０゜Ｃ（３０分間）→２５゜Ｃ（１０分
間）を１サイクルとするものであり、そのようなヒート
サイクルを１００サイクル分、実行した。テスト後に絶
縁基板２０を半導体装置より分解して取出し、半田層及
び各銅板を硝酸でエッチングして、クラック発生の有無
を蛍光探傷試験を行なって評価したところ、クラックの
発生はなかった。これに対して、従来のものでは、同一
条件では、３０サイクル程度でクラックが入るものがあ
った。
【００６７】上記の応力緩和策を取ることにより、Ａｌ
Ｎ基板（α＝４．５×１０-6／゜Ｃ）と銅板（α＝１７
×１０-6／゜Ｃ）というような、熱膨張係数にかなりの
差のある材料同士を接合して半導体装置用絶縁基板を形
成しても、特に段差形状を銅板に設けることなく、絶縁
基板の端部にかかる応力（引張応力）を緩和して、エッ
ヂ部にクラックが入るのを効果的に防止することができ
る。
【００６８】尚、実施の形態２においても、樹脂６の位
置決めパターンについて、線上に塗布するのではなく、
図６に示したように点在ないし分断するように塗布して
も同じ効果が得られることは勿論である。
【００６９】（まとめ）実施の形態１，２において述べ
たように、絶縁基板の端部や、溝部にかかる応力を緩和
し得る実用的な構造を採用したことにより、耐ヒートサ
イクル性能は格段に向上し、高信頼性の半導体装置用絶
縁基板及びそれを利用した半導体装置を提供することが
可能となった。
【００７０】
【発明の効果】請求項１ないし４に係る各発明によれ
ば、第１及び第２導電板の段差形状端部がその剛性によ
り、当該導電板の周端部分からセラミック基板内部に対
して加わる引張り応力（熱応力）を緩和して熱応力の上
記周端部分への集中を抑止することとなり、上記周端部
分からセラミック基板内部に対してクラックが発生する
のを最も効果的に防止することができる。特に、上記段
差形状の各寸法とその周囲の部分の寸法を、現実的なヒ
ートサイクルテストの条件下でもクラックが実際に発生
しない適切な範囲内にコントロール可能としたことは、
従来より構造原理として提案されていた段差形状を用い
た技術を実用的なレベルの技術にまで高めうることを意
味する。又、第２導電板の段差形状端部には、当該絶縁
基板を半導体装置の放熱板と半田層によって接合した際
に、当該半田層が流入することとなるので、この段差形
状溝部に流入した半田層の厚みが当該半田層の他の厚み
よりも特に厚くなる結果、その部分での熱応力の吸収も
得られるという利点がある。従って、このような絶縁基
板を半導体装置に適用した際には、熱履歴やヒートサイ
クルにより生ずる熱応力が十分に緩和された、従って絶
縁基板に生ずるクラック発生が十分に低減された高信頼
性の半導体装置を実現できる利点がある。
【００７１】更に、請求項２に係る発明によれば、樹脂
層によって半導体チップ搭載領域を確保・形成している
ので、従来技術のように溝部の形成を必要としない。こ
のため、本発明では、溝部の存在自体に起因して生じて
いた残留応力の発生を皆無とすることができるので、よ
り一層の熱応力の緩和を図ることができ、より一層高信
頼性のある半導体装置を提供できる効果がある。
【００７２】更に請求項３に係る発明によれば、第２導
電体自体の厚みを適切に薄く設定しているので、第２導
電体側からセラミック基板に加わる熱応力の集中をより
少なくしてクラックの発生の低減化により貢献できると
いう効果がある。
【００７３】又、請求項５に係る発明によれば、熱履歴
やヒートサイクルに起因して生ずる熱応力の絶縁基板端
部への集中を十分に緩和してクラックの発生を十分に防
止しうる、信頼性の高い半導体装置を、実用レベルで実
現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る半導体装置用
絶縁基板の構造を示す断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る半導体装置用
絶縁基板の構造を示す平面図である。
【図３】 図１，図２に示した半導体装置用絶縁基板を
用いた半導体装置の構造を示す断面図である。
【図４】 半導体装置用絶縁基板のヒートサイクル結果
を示す図である。
【図５】 半導体装置用絶縁基板のエッジ発生応力をシ
ミュレートした結果を示す図である。
【図６】 実施の形態１に係る半導体装置用絶縁基板の
変形例の構造を示す平面図である。
【図７】 実施の形態１に係る半導体装置用絶縁基板の
他の変形例の構造を示す断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態２に係る半導体装置用
絶縁基板の構造を示す図である。
【図９】 従来技術に於ける半導体装置用絶縁基板の構
造を示す図である。
【図１０】 従来技術に於ける半導体装置用絶縁基板を
利用した半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１１】 従来技術に於ける半導体装置用絶縁基板の
問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
１ セラミック基板、２ａ 第１活性金属層、２ｂ 第
２活性金属層、３ａ第１導電板、３ｂ 第２導電板、４
ａ，４ｂ 段差形状、５ａ，５ｂ 底面部、６ 樹脂
層、１０ 半導体装置用絶縁基板。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１及び第２主面を有するセラミック基
    板と、 前記第１主面上に形成された第１活性金属層と、 その底面に於いて前記第１活性金属層と接合され且つ段
    差形状の端部を有する第１導電板と、 前記第２主面上に形成された第２活性金属層と、 その底面に於いて前記第２活性金属層と接合され且つ段
    差形状の端部を有すると共に、当該端部を含めて露出し
    た各面は別に設けられる放熱板と半田層によって接合さ
    れる、第２導電板とを備え、 前記第１及び第２活性金属層は、共にそれぞれに対応す
    る前記第１及び第２導電板の底面の周端よりも所定の長
    さだけ前記セラミック基板の長手方向に沿って延長され
    ており、 前記第１及び第２導電板のそれぞれの前記端部の段差形
    状の内で、対応する前記第１及び第２主面に平行な底面
    部分は、それぞれ、 （当該底面部分の厚み）／（対応する前記第１及び第２
    導電板の厚み）で与えられる比が１／２以下、 （当該底面部分の前記セラミック基板の長手方向に沿っ
    た長さ）／（当該底面部分の厚み）で与えられる比が３
    以上、となる寸法値を備えることを特徴とする、半導体
    装置用絶縁基板。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置用絶縁基板に
    おいて、 前記第１導電板の半導体チップ搭載面上に形成され且つ
    少なくとも半導体チップを前記半導体チップ搭載面に搭
    載して半田付けするための領域を形成する樹脂層を更に
    備えたことを特徴とする、半導体装置用絶縁基板。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の半導体装置用絶縁
    基板において、 前記第２導電板の厚みは前記第１導電板の厚みの１／２
    以下であることを特徴とする、半導体装置用絶縁基板。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の半導体装置用絶縁基板に
    おいて、 前記第１及び第２活性金属層を、それぞれ前記第１及び
    第２導電板と同一寸法の別の第１及び第２活性金属層に
    置き換えると共に、 前記第１及び第２導電板の前記底面は、それぞれ前記第
    １及び第２活性金属層の周端を含む一部分とは未接合状
    態にあることを特徴とする、半導体装置用絶縁基板。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし４の何れかに記載の半導
    体装置用絶縁基板を放熱用金属ベース板に半田付けする
    とともに、前記半導体装置用絶縁基板の前記第１導電板
    上に半導体チップを搭載して半田付けしたことを特徴と
    する、半導体装置。
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