JPH11330311A

JPH11330311A - 半導体モジュ―ル

Info

Publication number: JPH11330311A
Application number: JP11689899A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Komorida; 裕小森田; Kazuo Ikeda; 和男池田; Takayuki Naba; 隆之那波; Michiyasu Komatsu; 通泰小松; Yoshitoshi Sato; 孔俊佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 1999-11-30
Anticipated expiration: 2017-08-25
Also published as: JP3180100B2

Abstract

(57)【要約】【課題】裏金属板とヒートシンク板との両方は必要とせ
ず構造が簡素で小型化でき、かつ放熱性，構造強度およ
び耐熱サイクル性を改善した半導体モジュールを提供す
る。【解決手段】熱伝導率が６０ｗ／ｍ・ｋ以上である高熱
伝導性窒化けい素基板１０と、この高熱伝導性窒化けい
素基板１０に搭載された半導体素子７と、この高熱伝導
性窒化けい素基板１０の半導体素子搭載面側に接合され
た金属回路板３と、上記高熱伝導性窒化けい素基板１０
の半導体素子非搭載面側に接合され、かつ機器ケーシン
グ９あるいは実装ボードに一体に接合される単数の金属
板４ａとを具備することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体モジュール
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュールや
スイッチング電源用モジュール等の比較的高電力を扱う
半導体モジュールとして、セラミックス基板の表裏に銅
板等の金属回路板および金属板を接合してセラミックス
回路基板とし、さらに金属板にヒートシンクを接合した
半導体モジュールが用いられている。

【０００３】ここで、セラミックス回路基板の製造工程
におけるセラミックス基板と金属回路板あるいは金属板
との接合方法としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等の活
性金属をＡｇ−Ｃｕろう材等に１〜１０％含有した活性
金属ろう材を用いる方法（活性金属法）や、金属回路板
等として酸素を１００〜１０００ｐｐｍ含有するタフピ
ッチ電解銅や表面を１〜１０μｍの厚さで酸化させた銅
板を用いてセラミックス基板と銅板とを直接接合させ
る、いわゆる直接接合法（ＤＢＣ法：ダイレクト・ボン
ディング・カッパー法）等が知られている。

【０００４】例えば直接接合法においては、まず所定形
状に打ち抜かれた銅回路板を、酸化アルミニウム（Ａｌ
_２Ｏ_３）焼結体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体等
からなるセラミックス基板上に接触配置させて加熱し、
接合界面にＣｕ−Ｃｕ_２Ｏの共晶液相を生成させ、この
液相でセラミックス基板の表面を濡らした後、液相を冷
却固化することによって、セラミックス基板と銅回路板
とが直接接合される。このような直接接合法を適用した
セラミックス回路基板は、セラミックス基板と銅回路板
との接合強度が強く、またメタライズ層やろう材層を必
要としない単純構造なので小型高実装化が可能である等
の長所を有しており、また製造工程の短縮化も図られて
いる。

【０００５】しかしながら、上述した直接接合法や活性
金属法等により金属回路板等をセラミックス基板に接合
したセラミックス回路基板を用いたパワートランジスタ
モジュール等の半導体モジュールにおいては、大電流を
流せるように金属板の厚さを０．３〜０．５ｍｍと厚く
している場合が多いため、熱履歴に対して信頼性に乏し
いという問題があった。すなわち、熱膨張率が大きく異
なるセラミックス基板と金属回路板等とを接合すると、
接合後の冷却過程や冷熱サイクルの付加により、上記熱
膨張差に起因する熱応力が発生する。この応力は接合部
付近のセラミックス基板側に圧縮と引張りの残留応力分
布として存在し、特に金属回路板等の外周端部と近接す
るセラミックス部分に残留応力の主応力が作用する。こ
の残留応力は、セラミックス基板にクラックを生じさせ
たり、絶縁耐圧不良を起こしたり、あるいは金属板剥離
の発生原因等となる。また、セラミックス基板にクラッ
クが生じないまでも、セラミックス基板の強度を低下さ
せるという悪影響を及ぼす。

【０００６】また、最近の半導体素子の高密度化や高集
積化に伴って、半導体モジュールや電子部品自体の小型
化が進められている。

【０００７】また、特に窒化アルミニウム基板は他のセ
ラミックス基板と比較して高い熱伝導性と低熱膨張特性
とを有するが、機械的強度が比較的に低いので、回路基
板の実装工程において付加される押圧力や衝撃力によっ
て、回路基板が破損する場合もあった。

【０００８】図４は、このような従来の半導体モジュー
ル１の構造を示す断面図である。図４に示す半導体モジ
ュール１は、厚さが大きく熱伝導率が高いＡｌＮ焼結体
から成るセラミックス基板２の表面側に金属回路板３を
接合する一方、セラミックス基板２の下面側に裏銅板と
しての金属板４を一体に接合して形成される。また金属
回路板３の所定位置には、半導体素子７が半田接合によ
って搭載されており、半導体素子７と金属回路板３の電
極部とがボンディングワイヤ８によって電気的に接続さ
れている。

【０００９】このセラミックス回路基板は、金属板４を
介して例えば銅から成る厚いヒートシンク板５の表面に
半田接合により一体化されて半導体モジュール１が形成
される。この半導体モジュール１は、取付ねじ６の締着
によって機器ケーシング９や放熱フィンまたは実装ボー
ド上に固着される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の半導体モジュール１においては、裏銅板（金属板）
と共に、放熱性を改善し、かつセラミックス基板の割れ
を防止するヒートシンク板が必須となる上に、割れに対
する耐力を高めるために厚さが大きいセラミックス基板
を使用する必要があるため、半導体モジュールとした場
合のサイズが大きくなり、小型化が困難になる弊害があ
るとともに、セラミックス基板の製造コストが増加する
難点があった。また基板厚さが増加するため、高熱伝導
率のＡｌＮ基板を使用した場合においても、熱抵抗が大
きくなり、期待する程に良好な放熱性が得られないとい
う問題点もあった。

【００１１】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、構造が簡素で小型化でき、かつ放熱
性および耐熱サイクル性等を改善した半導体モジュール
を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体モジ
ュールは、請求項１に記載したように、不純物陽イオン
元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂ
ａ，Ｍｎ，Ｂを合計で１．０重量％以下、好ましくは
０．３重量％以下含有し、熱伝導率が６０ｗ／ｍ・ｋ以
上である高熱伝導性窒化けい素基板と、この高熱伝導性
窒化けい素基板に搭載された半導体素子と、この高熱伝
導性窒化けい素基板の半導体素子搭載面側に接合された
金属回路板と、上記高熱伝導性窒化けい素基板の半導体
素子非搭載面側に接合され、かつ機器ケーシングあるい
は実装ボードに一体に接合される金属板とを具備するこ
とを特徴としている。

【００１３】すなわち、高熱伝導性窒化けい素基板の半
導体素子非搭載面側と機器ケーシングあるいは実装ボー
ドとの間に、図１あるいは図３に示すようにヒートシン
クも含めひとつの金属板のみを介した半導体モジュール
であることを特徴としている。

【００１４】上述した本発明の半導体モジュールのより
好ましい形態としては、請求項２に記載したように、機
器ケーシングあるいは実装ボードに接合される金属板の
厚さが前記金属回路板の厚さ以下である形態、また請求
項３に記載したように、機器ケーシングあるいは実装ボ
ードに接合される金属板の厚さが前記金属回路板の厚さ
の２倍以上である形態が挙げられる。

【００１５】また本発明において使用する高熱伝導性窒
化けい素基板は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗからなる群より選択される少なくとも１
種を酸化物に換算して０．１〜３．０重量％含有するこ
とが好ましい。このＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗから成る群より選択される少なくと
も１種は、酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化物
として窒化けい素粉末に添加することにより含有させる
ことができる。

【００１６】ここで本発明で使用する高熱伝導性窒化け
い素基板の製造方法の一例としては、酸素を１．７重量
％以下、不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，
Ｆｅ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で１．０重量
％以下、α相型窒化けい素を９０重量％以上含有し、平
均粒径１．０μｍ以下の窒化けい素粉末に、希土類元素
を酸化物に換算して１．０〜１７．５重量％以下添加し
た原料混合体を成形して成形体を調製し、得られた成形
体を脱脂後、温度１８００〜２１００℃で雰囲気加圧焼
結し、上記焼結温度から、上記希土類元素により焼結時
に形成された液相が凝固する温度までに至る焼結体の冷
却速度を毎時１００℃以下にして徐冷することにより製
造することができる。

【００１７】なお、上記希土類元素酸化物の含有範囲で
ある１．０〜１７．５重量％は、数学的な表示として当
然のことであるが、含有量の下限値である１．０重量％
および上限値である１７．５重量％を含むものである。

【００１８】上記製造方法によれば、窒化けい素結晶組
織中の粒界相における結晶化合物相の粒界相全体に対す
る割合が２０％以上、より好ましくは５０％以上で、気
孔率が２．５％以下、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、
三点曲げ強度が室温で６５０ＭＰａ以上の機械的特性お
よび熱伝導特性が共に優れた窒化けい素基板が得られ
る。

【００１９】本発明に係る半導体モジュールは、上記の
ように製造した高熱伝導性窒化けい素基板の表面および
裏面に、前記直接接合法や活性金属法を用いて導電性を
有する金属回路板および金属板をそれぞれ一体に接合し
て製造される。

【００２０】このようにして本発明の半導体モジュール
においては、セラミックス基板として、窒化けい素焼結
体が本来的に有する高強度高靭性特性に加えて特に熱伝
導率を大幅に改善した高熱伝導性窒化けい素基板を使用
しているため、熱サイクルや組立て時の衝撃力によって
基板に割れが発生することが少なく、さらには放熱性や
構造強度を高めるための裏銅板（裏金属板）とヒートシ
ンク板との両方は必要としない構造とすることができ
る。したがって、半導体モジュールの構造が簡素化され
て製造コストが大幅に低減されるとともに、小型化でき
高密度実装も可能となる。

【００２１】また、基板に搭載する半導体素子等の発熱
部品からの発熱は、高熱伝導性窒化けい素基板を経て迅
速に系外に伝達されるため放熱性が極めて良好である。
また、高強度高靭性である窒化けい素基板を使用してい
るため、モジュールの最大たわみ量を大きく確保するこ
とができる。そのため、アッセンブリ工程においてモジ
ュールの締め付け割れが発生せず、半導体モジュールを
用いた半導体装置を高い製造歩留りで安価に量産するこ
とが可能になる。

【００２２】さらに高い熱伝導率を有する窒化けい素基
板を使用しているため、高出力化および高集積化を指向
する半導体素子を搭載した場合においても、熱抵抗特性
の劣化が少なく、優れた放熱性を発揮する。

【００２３】特に高熱伝導性窒化けい素基板自体の機械
的強度が優れているため、要求される機械的強度特性を
一定とした場合に、他のセラミックス基板を使用した場
合と比較して基板厚さをより低減することが可能とな
る。この基板厚さを低減できることから熱抵抗値をより
小さくでき、放熱特性をさらに改善することができる。
また要求される機械的特性に対して、従来より薄い基板
でも充分に対応可能となるため、基板の製造コストをよ
り低減することが可能となる。

【００２４】また従来の高熱伝導性窒化アルミニウム基
板のみを回路基板の構成材とした場合には、ある程度の
機械的強度を確保するために窒化アルミニウム基板の厚
さを大きく設定する必要があった。しかるに本発明の半
導体モジュールでは、主として厚さが薄い高熱伝導性窒
化けい素基板によって高い放熱性を確保すると同時に高
強度特性を確保している。そのため、モジュール全体を
コンパクトに形成することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について、
以下に示す実施例および添付図面を参照して具体的に説
明する。まず本発明において使用する高熱伝導性窒化け
い素基板について述べ、しかる後に、この高熱伝導性窒
化けい素基板をセラミックス基板として使用した半導体
モジュールについて説明する。

【００２６】まず本発明の半導体モジュールの構成材と
なる各種高熱伝導性窒化けい素基板を以下の手順で製造
した。

【００２７】すなわち、酸素を１．３重量％、前記不純
物陽イオン元素を合計で０．１５重量％含有し、α相型
窒化けい素９７％を含む平均粒径０．５５μｍの窒化け
い素原料粉末に対して、表１〜３に示すように、焼結助
剤としてのＹ_２Ｏ_３，Ｈｏ_２Ｏ_３などの希土類酸化物
と、必要に応じてＴｉ，Ｈｆ化合物，Ａｌ_２Ｏ_３粉末，
ＡｌＮ粉末とを添加し、エチルアルコール中で窒化けい
素製ボールを用いて７２時間湿式混合した後に乾燥して
原料粉末混合体をそれぞれ調整した。次に得られた各原
料粉末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混
合した後に、１０００ｋｇ／ｃｍ^２の成形圧力でプレス
成形し、各種組成を有する成形体を多数製作した。

【００２８】次に得られた各成形体を７００℃の雰囲気
ガス中において２時間脱脂した後に、この脱脂体を表１
〜３に示す焼結条件で緻密化焼結を実施した後に、焼結
炉に付設した加熱装置への通電量を制御して焼結炉内温
度が１５００℃まで降下するまでの間における焼結体の
冷却速度がそれぞれ表１〜３に示す値となるように調整
して焼結体を冷却し、それぞれ試料１〜５１に係る窒化
けい素焼結体を調製した。さらに得られた焼結体を切断
して厚さが０．５ｍｍの所定形状の高熱伝導性窒化けい
素基板とした。

【００２９】こうして得た試料１〜５１に係る各窒化け
い素基板について気孔率、熱伝導率（２５℃）、室温で
の三点曲げ強度の平均値を測定した。さらに、各窒化け
い素基板についてＸ線回折法によって粒界相に占める結
晶相の割合を測定し、下記表１〜３に示す結果を得た。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】表１〜３に示す結果から明らかなように試
料１〜５１に係る窒化けい素焼結体においては、原料組
成および不純物量を適正に制御し、従来例と比較して緻
密化焼結完了直後における焼結体の冷却速度を従来より
低く設定しているため、粒界相に結晶相を含み、結晶相
の占める割合が高い程、高熱伝導率を有する放熱性の高
い高強度窒化けい素基板が得られた。

【００３４】これに対して酸素を１．３〜１．５重量
％，前記不純物陽イオン元素を合計で０．１３〜１．５
０重量％含有し、α相型窒化けい素を９３％含む平均粒
径０．６０μｍの窒化けい素原料粉末を用い、この窒化
けい素粉末に対してＹ_２Ｏ_３（酸化イットリウム）粉末
を３〜６重量と、アルミナ粉末を１．３〜１．６重量％
添加した原料粉末を成形，脱脂後、１９００℃で６時間
焼結し、焼結後、工業上通常行われる炉冷（冷却速度：
毎時４００℃）を行った。得られた焼結体の熱伝導率は
２５〜２８Ｗ／ｍ・Ｋと低く、従来の一般的な製法によ
って製造された窒化けい素焼結体の熱伝導率に近い値と
なった。

【００３５】次に得られた試料１〜５１に係る厚さ０．
５ｍｍの高熱伝導性窒化けい素基板の両面に、直接接合
法または活性金属法を用いて金属回路板および金属板を
一体に接合することにより、それぞれ半導体モジュール
を製造した。

【００３６】図１は、本発明の一実施例による半導体モ
ジュール１ａの構造を示す断面図である。

【００３７】図１において、高熱伝導性窒化けい素基板
１０の表面には金属回路板としての銅板３が一体に接合
されており、また高熱伝導性窒化けい素基板１０の裏面
には金属板として銅板４ａが接合されており、これらに
より半導体モジュール１ａが構成されている。

【００３８】また、図１に示す半導体モジュール１ａに
おける銅板３，４ａは、高熱伝導性窒化けい素基板１０
に対して直接接合法、いわゆるＤＢＣ法により接合され
ている。このようなＤＢＣ法を利用する場合の銅板３，
４ａとしては、タフピッチ銅のような酸素を１００〜３
０００ｐｐｍの割合で含有する銅を用いることが好まし
いが、表面を酸化させた無酸素銅を用いることも可能で
ある。なお、銅や銅合金の単板に代えて、高熱伝導性窒
化けい素基板１０との接合面が少なくとも銅により構成
されている他の金属部材とのクラッド板等を用いること
もできる。

【００３９】高熱伝導性窒化けい素基板１０の表面側に
接合された銅板３は、半導体部品等の実装部となるもの
であり、所望の回路形状にパターニングされている。銅
板３の所定位置には半導体素子７が半田接合されてお
り、半導体素子７の電極部と銅板３の電極部とはボンデ
ィングワイヤ８によって電気的に接続されている。ま
た、高熱伝導性窒化けい素基板１０の裏面側に接合され
た銅板４ａは、接合時における高熱伝導性窒化けい素基
板１０の反り等を防止するものであり、中央付近から２
分割された状態でほぼ高熱伝導性窒化けい素基板１０の
裏面全面に接合、形成されている。図１に示すように、
裏面側の銅板４ａの厚さｔ_１は、半導体部品等の実装部
となる金属回路板としての銅板３と同じ厚さのものを使
用してもよいが、銅板３の厚さｔ_０以下、さらに銅板３
の厚さｔ_０の７０〜９０％の厚さの銅板を使用すること
が好ましい。

【００４０】一方、高熱伝導性窒化けい素基板１０の裏
面に接合する金属板４ｂに、放熱性を改善するヒートシ
ンク板としての機能を付与する場合においては、図３に
示すように、機器ケーシング９あるいは実装ボードに接
合される金属板４ｂの厚さｔ _２を前記金属回路板の厚さ
ｔ_０の２倍以上とすることが好ましい。上記高熱伝導性
窒化けい素基板１０の裏面側に接合する金属板４ｂの厚
さｔ_２を、金属回路板３の厚さｔ_０の２倍以上とするこ
とにより、この金属板がヒートシンクとしての機能を果
たすため、半導体モジュールの放熱性をより改善するこ
とが可能となる（この場合、見方を変えれば、裏金属板
を用いずに高熱伝導性窒化けい素基板１０に直接ヒート
シンクを接合した構造と言うこともできる）。

【００４１】ここで、図１に示した半導体モジュール１
ａは、高熱伝導性窒化けい素基板１０に銅板３，４ａを
ＤＢＣ法により接合したものであるが、例えば銅板３，
４ａを活性金属含有層を介して高熱伝導性窒化けい素基
板１０に接合した半導体モジュールであってもよい。上
記活性金属含有層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等から選
ばれた少なくとも１種の活性金属を含むろう材（以下、
活性金属含有ろう材と記す）層である。用いる活性金属
含有ろう材の組成としては、例えばＡｇ−Ｃｕの共晶組
成（７２ｗｔ％Ａｇ−２８ｗｔ％Ｃｕ）もしくはその近
傍組成のＡｇ−Ｃｕ系ろう材やＣｕ系ろう材を主体と
し、これに１〜１０重量％のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等
から選ばれた少なくとも１種の活性金属を添加した組成
等が例示される。なお、活性金属含有ろう材にＩｎを１
〜１０重量％添加して用いることもできる。

【００４２】図１に示した半導体モジュール１ａのよう
に、銅板３，４ａを高熱伝導性窒化けい素基板１０にＤ
ＢＣ法で接合したものは、単純構造で高接合強度が得ら
れ、また製造工程を簡易化できる等の利点を有する。一
方、銅板３，４ａを高熱伝導性窒化けい素基板１０に活
性金属法で接合した半導体モジュールは、高接合強度が
得られると共に、活性金属含有ろう材層が応力緩和層と
しても機能するため、より信頼性の向上が図れる。この
ようなことから、要求特性や用途等に応じて接合法を選
択することが好ましい。

【００４３】また、活性金属法により高熱伝導性窒化け
い素基板１０に金属回路板および金属板を接合する場合
には、銅板に限らず、用途に応じて各種の金属板、例え
ばニッケル板、タングステン板、モリブデン板、これら
の合金板やクラッド板（銅板とのクラッド板を含む）等
を用いることも可能である。

【００４４】また、図１に示した半導体モジュール１ａ
は、窒化けい素基板１０の外縁部に形成した取付ねじ用
貫通孔１１に取付ねじ６ａを挿通して機器ケーシング９
等に締着固定される。しかしながら、窒化けい素焼結体
は硬度が高く孔明け加工が容易ではない。そこで製造工
程を簡略化するために、例えば図２に示すように、取付
ねじ用貫通孔１１ａを形成した枠状のケース１２を用意
し、このケース１２の内周縁部を半導体モジュールの外
周縁部に押圧し、取付ねじ６ｂによってモジュールを機
器ケーシング９等に圧接して固定することも可能であ
る。

【００４５】次に、実施例の具体例およびその評価結果
について述べる。

【００４６】実施例１まず、高熱伝導性窒化けい素基板として、前記試料１〜
５１に係る窒化けい素基板を採用し、空気中で酸化する
ことにより、表面に厚さ４μｍ酸化物層（ＳｉＯ_２層）
を有する厚さ０．５ｍｍの高熱伝導性窒化けい素基板１
０を用意すると共に、プレス加工により形成した、タフ
ピッチ銅（酸素含有量：３００ｐｐｍ）からなる所定形
状の厚さ０．３ｍｍの金属回路板としての銅板３および
厚さ０．２５ｍｍの金属板としての銅板４ａを用意し
た。

【００４７】そして、図１に示したように、高熱伝導性
窒化けい素基板１０の両面に２枚の銅板３，４ａをそれ
ぞれ直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて１３４８Ｋ
の条件で加熱して接合させ、さらに半導体素子７を銅板
３上に半田接合し、ワイヤボンディングを施して目的と
する半導体モジュール１ａを得た。

【００４８】一方、比較例として、上記高熱伝導性窒化
けい素基板１０に代えて、厚さ０．６ｍｍの窒化アルミ
ニウム基板を使用した点以外は、実施例１と同様に処理
して比較例に係る半導体モジュールを製造した。

【００４９】このようにして得た実施例１に係る半導体
モジュール１ａおよび比較例の半導体モジュールに対し
て熱サイクル試験（ＴＣＴ：２３３Ｋ×３０分＋ＲＴ×
１０分＋３９８Ｋ×３０分を１サイクルとする）を施
し、セラミックス基板における割れの発生割合を測定し
た。その結果、実施例１の半導体モジュールは、１００
サイクルのＴＣＴ後においてもクラックが発生しなかっ
たのに対して、比較例による半導体モジュールは１００
サイクルでセラミックス基板の５〜９％にクラックが生
じた。

【００５０】実施例２高熱伝導性窒化けい素基板として、試料１〜５１に係る
厚さ０．５ｍｍの高熱伝導性窒化けい素基板１０を用意
すると共に、実施例１と同一形状であり、プレス加工に
より形成した所定形状の厚さ０．３ｍｍの銅板３，４と
厚さ０．２５ｍｍの銅板５とを用意した。

【００５１】そして、高熱伝導性窒化けい素基板１０の
両面に、Ｉｎ：Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝１４．０：５９．
０：２３．０：４．０組成の活性金属含有ろう材をペー
スト化したものを塗布し、この塗布層を介して銅板３，
４ａを積層配置した後、窒素ガス雰囲気中にて加熱して
接合させ、さらに半導体素子７を銅板３上に半田接合
し、ワイヤボンディングを施して目的とする半導体モジ
ュールを得た。

【００５２】このようにして得た半導体モジュールに対
して熱サイクル試験を実施例１と同一条件下で実施した
ところ、実施例１と同様な良好な結果が得られ、冷熱サ
イクルに対する信頼性に優れることを確認した。

【００５３】実施例３まず、高熱伝導性窒化けい素基板として、前記試料１〜
５１に係る窒化けい素基板を採用し、空気中で酸化する
ことにより、表面に厚さ４μｍ酸化物層（ＳｉＯ_２層）
を有する厚さ０．５ｍｍの高熱伝導性窒化けい素基板１
０を用意すると共に、プレス加工により形成した、タフ
ピッチ銅（酸素含有量：３００ｐｐｍ）からなる所定形
状の厚さ０．３ｍｍの銅板３および厚さ０．６ｍｍの銅
板４ｂを用意した。

【００５４】そして、図３に示すように、高熱伝導性窒
化けい素基板１０の両面に２枚の銅板３，４ｂをそれぞ
れ直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて１３４８Ｋの
条件で加熱して接合させ、さらに半導体素子７を銅板３
上に半田接合し、ワイヤボンデイグを施し、目的とする
半導体モジュールを得た。

【００５５】一方、比較例として、上記高熱伝導性窒化
けい素基板１０に代えて、厚さ０．６ｍｍの窒化アルミ
ニウム基板２ａ，２ｂを使用した点以外は、実施例３と
同様に処理して比較例に係る半導体モジュールを製造し
た。

【００５６】このようにして得た実施例３に係る半導体
モジュールおよび比較例の半導体モジュールに対して熱
サイクル試験（ＴＣＴ：２３３Ｋ×３０分＋ＲＴ×１０
分＋３９８Ｋ×３０分を１サイクルとする）を施し、セ
ラミックス基板における割れの発生割合を測定した。そ
の結果、実施例３の半導体モジュール１ｂは、１００サ
イクルのＴＣＴ後においてもクラックが発生しなかった
のに対して、比較例による半導体モジュールは１００サ
イクルでセラミックス基板の４〜７％にクラックが生じ
た。

【００５７】実施例４高熱伝導性窒化けい素基板として、試料１〜５１に係る
厚さ０．５ｍｍの高熱伝導性窒化けい素基板１０を用意
すると共に、実施例３と同一形状であり、プレス加工に
より形成した所定形状の厚さ０．３ｍｍの銅板３と厚さ
０．６ｍｍの銅板４ｂとを用意した。

【００５８】そして、高熱伝導性窒化けい素基板１０の
両面に、Ｉｎ：Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝１４．０：５９．
０：２３．０：４．０組成の活性金属含有ろう材をペー
スト化したものを塗布し、この塗布層を介して銅板３，
４ｂを積層配置した後、窒素ガス雰囲気中にて加熱して
接合させ、さらに半導体素子７を銅板３上に半田接合
し、ワイヤボンディングを施して目的とする半導体モジ
ュールを得た。

【００５９】このようにして得た半導体モジュールに対
して熱サイクル試験を実施例３と同一条件下で実施した
ところ、実施例３と同様な良好な結果が得られ、冷熱サ
イクルに対する信頼性に優れることを確認した。

【００６０】また上記各実施例に係る半導体モジュール
によれば、窒化けい素焼結体が本来的に有する高強度高
靭性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改善した高熱伝
導性窒化けい素基板１０を使用している。したがって、
裏銅板（裏金属板）とヒートシンク板との両方は必要と
せず、いずれか一方で足りることとなり、モジュールの
構造が簡素化されて製造コストが大幅に削減される。ま
た基板に搭載する半導体素子７等の発熱部品からの発熱
は熱伝導率が高い窒化けい素基板１０を経て迅速に系外
に伝達されるため放熱性が極めて良好である。

【００６１】また、高強度高靭性である高熱伝導率窒化
けい素基板１０を使用しているため、モジュールの最大
たわみ量を大きく確保することができる。そのため、ア
ッセンブリ工程においてモジュールを機器ケーシング９
に取付ねじ６ａによって固定した場合においても、締め
付け割れが発生しない。

【００６２】また高熱伝導性窒化けい素基板１０の靭性
値が高いため、熱サイクルによって基板１０と金属回路
板や金属板４ａ，４ｂとの接合部に割れが発生すること
が少なく、耐熱サイクル特性が著しく向上し、耐久性お
よび信頼性に優れた半導体モジュールを提供することが
できる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る半導
体モジュールによれば、窒化けい素焼結体が本来的に有
する高強度高靭性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改
善した高熱伝導性窒化けい素基板を使用しているため、
熱サイクルや組立て時の衝撃力によって基板に割れが発
生することが少なく、裏銅板（裏金属板）と放熱性や構
造強度を高めるためのヒートシンク板との両方は必要と
しない。したがって、半導体モジュールの構造が簡素化
されて製造コストが大幅に低減されるとともに、小型化
でき高密度実装も可能となる。

【００６４】また基板に搭載する半導体素子等の発熱部
品からの発熱は、高熱伝導性窒化けい素基板を経て迅速
に系外に伝達されるため放熱性が極めて良好である。ま
た、高強度高靭性である窒化けい素基板を使用している
ため、モジュールの最大たわみ量を大きく確保すること
ができる。そのため、アッセンブリ工程においてモジュ
ールの締め付け割れが発生しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る半導体モジュールの構
造を示す断面図。

【図２】本発明の他の実施例に係る半導体モジュールの
断面図。

【図３】本発明の他の実施例に係る半導体モジュールの
断面図。

【図４】従来の半導体モジュールの構造を示す断面図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，半導体モジュール２セラミックス基板（ＡｌＮ基板）３金属回路板（銅板）４，４ａ，４ｂ金属板（裏銅板）５ヒートシンク板６，６ａ，６ｂ取付ねじ７半導体素子（Ｓｉチップ）８ボンディングワイヤ９機器ケーシング（実装ボード，放熱フィン）１０高熱伝導性窒化けい素基板１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ取付ねじ貫通孔１２ケース１３端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小松通泰神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者佐藤孔俊神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不純物陽イオン元素としてのＬｉ，Ｎ
ａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で
１．０重量％以下含有し、熱伝導率が６０ｗ／ｍ・ｋ以
上である高熱伝導性窒化けい素基板と、この高熱伝導性
窒化けい素基板に搭載された半導体素子と、この高熱伝
導性窒化けい素基板の半導体素子搭載面側に接合された
金属回路板と、上記高熱伝導性窒化けい素基板の半導体
素子非搭載面側に接合され、かつ機器ケーシングあるい
は実装ボードに一体に接合される金属板とを具備するこ
とを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】機器ケーシングあるいは実装ボードに接
合される金属板の厚さが前記金属回路板の厚さ以下であ
ることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
【請求項３】機器ケーシングあるいは実装ボードに接
合される金属板の厚さが前記金属回路板の厚さの２倍以
上であることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュ
ール。
【請求項４】高熱伝導性窒化けい素基板は、不純物陽
イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｓ
ｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂを合計で０．３重量％以下含有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
【請求項５】高熱伝導性窒化けい素基板は、窒化けい
素結晶相および粒界相から構成されるとともに粒界相中
における結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が２０
％以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体モ
ジュール。
【請求項６】前記金属回路板および金属板は、前記高
熱伝導性窒化けい素基板に直接接合法により接合されて
いることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュー
ル。
【請求項７】前記金属回路板および金属板は、前記高
熱伝導性窒化けい素基板に活性金属含有層により接合さ
れていることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュ
ール。