WO2017056666A1 - 窒化珪素回路基板およびそれを用いた半導体モジュール - Google Patents

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circuit board
nitride circuit
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寛正 加藤
昇 北森
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株式会社東芝
東芝マテリアル株式会社
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Definitions

  • Embodiments described later generally relate to a silicon nitride circuit board and a semiconductor module using the same.
  • Patent Document 1 discloses a TCT characteristic by controlling the thickness ratio of the metal plate on the front surface side (first metal plate) and the metal plate on the back surface side (second metal plate) to 50% or more and 200% or less. (Thermal cycle test characteristics) is reported to be improved.
  • Patent Document 2 reports a ceramic circuit board in which a metal plate on the surface side (metal circuit board side) is warped in a convex shape.
  • the solder flow property is improved by adopting such a structure. It has been reported that TCT characteristics and solder flow properties are improved by using a ceramic circuit board as in Patent Document 1 or Patent Document 2.
  • a semiconductor element is mounted on a ceramic circuit board via a solder layer.
  • the heat transfer path of such a module structure is semiconductor element ⁇ solder layer ⁇ metal plate (front surface metal plate) ⁇ ceramics substrate ⁇ metal plate (back surface metal plate).
  • Thermal resistance is an indicator of the heat dissipation of ceramic circuit boards. A low thermal resistance indicates good heat dissipation.
  • H is a heat transfer path
  • k thermal conductivity
  • A is a heat dissipation area.
  • Rth H / (k ⁇ A)
  • Patent Document 3 Japanese Patent No. 3797905 (Patent Document 3) reports that a silicon nitride substrate having a three-point bending strength of 500 MPa or more has been developed. By using such a silicon nitride substrate having high mechanical strength, it is possible to improve TCT characteristics.
  • a method of increasing the heat radiation area (A) a method of enlarging a metal plate to be bonded to the ceramic substrate or a method of bonding a lead frame, a cooling fin, or the like is effective.
  • Patent Document 1 As shown in [Table 1], the thickness ratio of the metal plate bonded to the front surface side and the back surface side of the ceramic substrate is changed to a range of 50 to 250%.
  • a base plate is bonded to the back surface of the silicon nitride circuit board, and is bonded to the cooling fin via the base plate.
  • the silicon nitride circuit board and the cooling fin are integrally joined with a screw structure.
  • the silicon nitride circuit board according to the embodiment is a silicon nitride circuit board in which metal plates are bonded to both surfaces of a silicon nitride substrate having a three-point bending strength of 500 MPa or more, and the thickness of the metal plate on the front side is t1, and the metal on the back side
  • the thickness of the plate is t2
  • at least one of the thickness t1 or t2 is 0.6 mm or more, satisfies the relational expression 0.10 ⁇
  • the silicon nitride substrate is long
  • the warping amounts in the side direction and the short side direction are both in the range of 0.01 to 1.0 mm.
  • the silicon nitride circuit board according to the embodiment is a silicon nitride circuit board in which a metal plate is bonded to both surfaces of a silicon nitride substrate having a three-point bending strength of 500 MPa or more.
  • a metal plate is bonded to both surfaces of a silicon nitride substrate having a three-point bending strength of 500 MPa or more.
  • the thickness of the metal plate is t2
  • at least one of the thickness t1 or t2 is 0.6 mm or more, and satisfies the relational expression: 0.10 ⁇
  • the silicon nitride substrate Is characterized in that the warpage in the long side direction and the short side direction are both in the range of 0.01 to 1.0 mm.
  • the silicon nitride substrate has a three-point bending strength of 500 MPa or more. When the three-point bending strength is as low as less than 500 MPa, the TCT characteristics are deteriorated.
  • the three-point bending strength is preferably 500 MPa or more, and more preferably 600 MPa or more.
  • the silicon nitride substrate preferably has a fracture toughness value of 6.0 MPa ⁇ m 1/2 or more.
  • the silicon nitride substrate preferably has a thermal conductivity of 50 W / m ⁇ K or more. Furthermore, it is preferable that the thermal conductivity is as high as 60 W / m ⁇ K or higher, more preferably 80 W / m ⁇ K or higher. By increasing the thermal conductivity of the silicon nitride substrate, the overall thermal resistance of the silicon nitride circuit substrate can be reduced.
  • the silicon nitride substrate preferably has a thickness of 0.50 mm or less. Further, it is preferable to reduce the thickness to 0.33 mm or less and 0.26 mm or less. Since the silicon nitride substrate has high strength and excellent insulation, the substrate can be made thinner. Further, the thermal resistance of the circuit board can be lowered by making the board thinner. Note that the lower limit of the thickness of the silicon nitride substrate is preferably 0.10 mm or more. If the substrate thickness is as thin as less than 0.10 mm, it may be difficult to ensure strength and insulation.
  • metal plates are bonded to both sides of the silicon nitride substrate.
  • the metal plate is preferably a copper plate, an aluminum plate, a copper alloy plate, or an aluminum alloy plate.
  • the bonding method may be either a bonding method through a bonding layer or a bonding method in which bonding is performed directly without using a bonding layer.
  • an active metal joining method using an active metal brazing material is preferable.
  • the active metal brazing material is preferably made of silver (Ag), copper (Cu), or titanium (Ti). Further, tin (Sn) and indium (In) are added as necessary.
  • As the active metal brazing material Ag is 40 to 80% by mass, Cu is 20 to 60% by mass, Ti is 0.1 to 12% by mass, Sn is 20% by mass or less (including 0), and In is 20% by mass or less.
  • a brazing material made of (including 0) can be exemplified. If a metal plate is a copper plate or a copper alloy plate, there exists an advantage which is easy to join by an active metal joining method.
  • the active metal is Al (aluminum).
  • components other than the active metal include Si (silicon).
  • the active metal brazing material include a brazing material in which Si is 0.01 to 10% by mass and Al is the balance.
  • either the front or back metal plate may be thicker.
  • the metal plate on the front surface side is preferably a metal plate on which a semiconductor element is mounted, and the metal plate on the back surface side is preferably a heat radiating plate.
  • the surface side metal plate thicker.
  • the thickness of at least one of the thickness t1 of the front metal plate or the thickness t2 of the back metal plate be 0.6 mm or more. Moreover, it is preferable that the thickness of at least one of t1 or t2 is 0.8 mm or more.
  • the upper limit of the thickness of the metal plate is not particularly limited, but is preferably 5.00 mm or less. If the thickness of the metal plate exceeds 5.00 mm, the volume that changes due to the thermal expansion of the metal plate becomes large, so that it becomes difficult to control the amount of warpage described later.
  • the silicon nitride substrate is characterized in that the warpage in the long side direction and the short side direction are both in the range of 0.01 to 1.0 mm.
  • FIGS. 2 and 3 show an example of the configuration of the silicon nitride circuit board according to the embodiment.
  • 1 is a top view
  • FIGS. 2 and 3 are side views.
  • reference numeral 1 is a silicon nitride circuit substrate
  • 2 is a silicon nitride substrate
  • 3 is a metal plate (front metal plate) on the front surface side
  • 4 is a metal plate (back metal plate) on the back surface side.
  • L1 is the length (vertical width) in the longitudinal direction of the silicon nitride substrate 2
  • L2 is the length (horizontal width) in the short side direction of the silicon nitride substrate 2
  • S is the amount of warpage of the silicon nitride substrate 2.
  • the warpage amount in the longitudinal direction of the silicon nitride substrate 2 is S L1
  • the warpage amount in the short side direction is S L2 .
  • L3 is the length of the diagonal line of the silicon nitride substrate 2.
  • S L3 is the amount of warpage in the diagonal direction of the silicon nitride substrate.
  • a straight line is first drawn from one end of the silicon nitride substrate 2 to the other end.
  • the distance at which the silicon nitride substrate 2 is farthest from the straight line is defined as a warp amount S.
  • Silicon nitride circuit board 1 according to the embodiment, the longitudinal direction of the warp amount S L1 and the short side direction of the warp amount S L2 are both in the range of 0.01 ⁇ 1.0 mm. Further, the warp amount S L1 and the warp amount S L2 are preferably 0.1 to 0.5 mm.
  • the diagonal amount S L3 of the silicon nitride substrate 2 is in the range of 0.1 ⁇ S L3 ⁇ 1.5 mm. Further, the warp amount S L3 is preferably in the range of 0.2 ⁇ S L3 ⁇ 0.7 mm.
  • the lead frame is joined mainly for the conduction of semiconductor elements. For this reason, the lead frame is often extended to the outside of the silicon nitride circuit board 1.
  • the heat sink and the cooling fin are joined to the back side of the silicon nitride circuit board 1. Heat sinks and cooling fins are evenly bonded to the back side.
  • the lead frame is joined to the place where conduction is desired.
  • the lead frames are not necessarily arranged evenly. If the diagonal warp amount SL3 is set to 0.1 to 1.5 mm, the warp amount of the silicon nitride substrate 2 in the electronic component module is less than 0.1 mm (including 0 mm) even if the lead frame is unevenly arranged. ). In other words, the silicon nitride circuit substrate 1 in the range of 0.1 ⁇ S L3 ⁇ 1.5 mm is suitable for bonding lead frames. Note that the uniform arrangement means that they are arranged symmetrically.
  • FIG. 2 shows a structure in which the silicon nitride substrate is warped so that the back metal plate side is concave.
  • the circuit board having such a structure is referred to as a first silicon nitride circuit board.
  • the first silicon nitride circuit board preferably satisfies t1> t2.
  • FIG. 3 shows a structure in which the silicon nitride substrate is warped so that the surface metal plate side is convex.
  • a second silicon nitride circuit board 1a is a first silicon nitride circuit substrate and 1b is a second silicon nitride circuit substrate.
  • the second silicon nitride circuit board 1b is preferably t1 ⁇ t2. In other words, if t1> t2, it is easy to control the structure so that the back metal plate side is warped so as to be concave. Similarly, if t1 ⁇ t2, it is easy to control the structure so that the surface metal plate side is warped so as to be convex.
  • the silicon nitride circuit board according to the embodiment has a predetermined amount of warpage in both the longitudinal direction and the short side direction.
  • excellent TCT characteristics are exhibited even when the difference in thickness between the front and back metal plates is 0.10 mm or more and 0.30 mm or less.
  • the first silicon nitride circuit board 1a and the second silicon nitride circuit board 1b may have a plurality of metal plates bonded to at least one surface.
  • FIG. 4 shows a silicon nitride circuit board 1a in which two metal plates 3 and 3 are bonded to the front side.
  • reference numeral 1 is a silicon nitride circuit substrate
  • 2 is a silicon nitride substrate
  • 3 is a front metal plate
  • 4 is a back metal plate
  • S is a warp amount of the silicon nitride substrate 2.
  • FIG. 4 illustrates the first silicon nitride circuit board 1a
  • the second silicon nitride circuit board 1b may be used.
  • two metal circuit boards (surface metal boards) 3 and 3 are illustrated, three or more metal circuit boards may be provided.
  • the first silicon nitride circuit board 1a is suitable for a semiconductor module in which a cooling fin is joined to a back metal plate.
  • FIG. 5 shows an example of a semiconductor module.
  • reference numeral 10 is a semiconductor module
  • 1a is a first silicon nitride circuit board
  • 4 is a heat sink (back metal plate)
  • 5 is a semiconductor element
  • 7 is a cooling fin
  • 9 is a screw receiving portion.
  • the semiconductor module 10 using the first silicon nitride circuit board 1a is referred to as a first semiconductor module 10a.
  • the warp direction of the silicon nitride circuit board 1a on which is convex to the back metal plate side, and the warpage S L1 and the short side direction of the warp amount S L2 of the long side direction are both 0.01 ⁇ 1.0 mm .
  • the second silicon nitride circuit board 1b is suitable for a semiconductor module in which the lead frames 6 and 6 are joined to the front metal plates 3 and 3.
  • FIG. 6 shows a configuration example of the semiconductor module.
  • reference numeral 10 is a semiconductor module
  • 1b is a second silicon nitride circuit board
  • 3 is a front metal plate (metal circuit board)
  • 5 is a semiconductor element
  • 6 is a lead frame.
  • the semiconductor module 10 using the second silicon nitride circuit board 1b is referred to as a first semiconductor module 10b.
  • the warp direction of the silicon nitride circuit board 1b on which the convex front metal plate side, and the warpage S L1 and the short side direction of the warp amount S L2 of the long side direction are both 0.01 ⁇ 1.0 mm .
  • the vertical width L1 of the silicon nitride substrate 2 is preferably 10 to 200 mm.
  • the lateral width L2 of the silicon nitride substrate is preferably 10 to 200 mm. If the vertical width (L1) or the horizontal width (L2) is as small as less than 10 mm, the mounting area of the semiconductor element on the metal plate on the surface side becomes small, and the degree of freedom in design decreases. In addition, it is difficult to form an area for providing a protruding region of a bonding layer described later. On the other hand, if the vertical width (L1) or the horizontal width (L2) is greater than 200 mm, it becomes difficult to control the warpage amount (S) within the range.
  • the amount of warpage of the long side direction (S L1) and short side direction of warpage ratio (S L1 / S L2) of (S L2) is in the range of 0.5-5.0. That the ratio (S L1 / S L2 ) is in the range of 0.5 to 5.0 indicates that the amount of warpage between the longitudinal direction and the short side direction is approximate.
  • the metal plate is preferably bonded to the silicon nitride substrate through a bonding layer containing an active metal.
  • the active metal indicates at least one element selected from Ti (titanium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), Nb (niobium), and Al (aluminum). Among these active metals, it is preferable to use Ti as described above.
  • the bonding layer containing an active metal has a Ag content of 40 to 80 mass%, a Cu content of 20 to 60 mass%, a Ti content of 0.1 to 12 mass%, and a Sn content of 20 mass% or less (including 0).
  • an active metal brazing material composed of 20 mass% or less (including 0) of In is preferable.
  • the active metal brazing material layer is provided between the silicon nitride substrate and the metal plate and bonded by heat treatment. After bonding, the active metal contained in the bonding layer is preferably mainly active metal nitride.
  • FIG. 7 shows a partial cross-sectional view of one configuration example of a silicon nitride circuit substrate in which the bonding layer has a protruding portion.
  • reference numeral 2 is a silicon nitride substrate
  • 3 is a metal plate
  • 11 is a protruding portion of the bonding layer.
  • W is the length of the protruding portion of the bonding layer.
  • FIG. 7 shows an example of a side surface of the metal plate 3 of the silicon nitride circuit board according to the embodiment.
  • reference numeral 2 is a silicon nitride substrate
  • 3 is a metal plate
  • 11 is a protruding portion of the bonding layer.
  • the angle ⁇ of the side surface of the metal plate 3 is determined by using a scanning electron microscope (SEM), a metal microscope, or a CCD camera after cutting the silicon nitride circuit board perpendicularly to the longitudinal direction and polishing the cut surface. This can be confirmed by observing at a magnification at which the thickness of the metal plate can be confirmed. In the observation image or the observation photograph, a straight line is drawn from a half point of the thickness of the metal plate 3 to the end of the metal plate on the silicon nitride substrate side, and the angle ⁇ between the straight line and the silicon nitride substrate is measured.
  • SEM scanning electron microscope
  • a metal microscope or a CCD camera
  • This angle ⁇ being 80 ° or less indicates a shape in which the side surface of the metal plate extends in the direction of the silicon nitride substrate. This cross-sectional shape can relieve the thermal stress between the metal plate and the silicon nitride substrate. Therefore, the straight line angle ⁇ is preferably 80 ° or less, and more preferably 60 ° or less.
  • the lower limit of the angle ⁇ is not particularly limited, but is preferably 30 ° or more. If the angle ⁇ is less than 30 °, the side surface of the metal plate becomes too long. If the length is too long, the flat area on the surface of the metal plate is reduced when the metal plate size is the same. When the flat area is small, the area where the semiconductor element can be mounted is small. Further, if the flat area is the same, it is necessary to form a large metal plate.
  • thermal stress can be further reduced by an appropriate combination of the protruding portion of the bonding layer and the angle ⁇ .
  • the TCT characteristics can be improved even if the thickness of the metal plate is increased or a difference (
  • the length W of the protruding portion 11 is less than 10 ⁇ m, the effect of providing the protruding portion is insufficient.
  • the length W of the protruding portion 11 is larger than 150 ⁇ m, it is easy to manufacture, but there are few effects.
  • the insulation distance between adjacent metal circuit boards is shortened, which may cause poor conduction. Further, in order to secure a sufficient insulation distance, it is necessary to increase the size of the entire circuit board, which may be a cause of deterioration in characteristics and cost.
  • the length W of the protruding portion 11 is preferably 10 to 150 ⁇ m, more preferably 15 to 60 ⁇ m. Further, the angle ⁇ is preferably 80 ° or less, and more preferably 60 ° or less. As a result, thermal stress relaxation is achieved, and TCT characteristics are improved.
  • H is a heat transfer path
  • k is thermal conductivity
  • A is a heat dissipation area.
  • the silicon nitride circuit board according to the embodiment can shorten the heat transfer path of the portion having low thermal conductivity by reducing the thickness of the silicon nitride substrate. Further, by increasing the thickness of the metal plate or increasing the size of the metal plate, the thermal conductivity (k) and the heat radiation area (A) of the silicon nitride circuit board can be increased. As a result, the thermal resistance (Rth) can be reduced.
  • the difference in thickness of the metal plate on the front surface side or the back surface side is defined so as to satisfy the relational expression: 0.10 mm ⁇
  • the silicon nitride circuit board as described above is suitable for a semiconductor module on which a high-power semiconductor element is mounted.
  • the silicon nitride circuit board according to the embodiment is suitable for a semiconductor element having a high junction temperature because it reduces thermal resistance and improves TCT characteristics.
  • SiC devices and GaN devices have junction temperatures as high as 175 ° C. or higher.
  • the silicon nitride circuit board according to the present embodiment is suitable for a semiconductor module on which an SiC element or a GaN element is mounted.
  • the lead frame 6 preferably has a thickness of 0.2 mm or more. Furthermore, the thickness of the lead frame 6 is preferably 0.4 mm or more. In addition, by increasing the thickness of the lead frame to 0.2 mm or more, it is possible to increase current carrying capacity and improve heat dissipation.
  • the upper limit of the thickness of the lead frame 6 is not particularly limited, but is preferably 5 mm or less.
  • the lead frame is preferably made of a metal plate such as a copper plate.
  • the warp amount S L1 in the long side direction and the warp amount S L2 in the short side direction are defined in the range of 0.01 to 1.0 mm. Therefore, even if a lead frame having a thickness of 0.2 mm or more is bonded to the surface metal plate, the warpage amount of the silicon nitride substrate can be made less than 0.1 mm (including 0 mm). In the case where only the warpage amount (S L1 ) in the long side direction is controlled as in the conventional case, the silicon nitride substrate is easily bent when the lead frame is joined.
  • the silicon nitride substrate 2 is not curved and the amount of warpage is reduced.
  • the silicon nitride substrate of the semiconductor module By reducing the amount of warpage of the silicon nitride substrate of the semiconductor module, it is possible to improve the TCT characteristics as the semiconductor module. In addition, it is possible to prevent the occurrence of mounting defects when mounting the semiconductor module itself.
  • the amount of warpage S L3 in the diagonal direction is less than 0.1 mm even when the lead frame is fixed in an uneven arrangement ( (Including 0 mm).
  • the silicon nitride circuit board according to this embodiment is suitable for a semiconductor module that is resin-sealed, such as a transfer mold method.
  • a semiconductor module is placed in a heated mold.
  • the semiconductor module is disposed in a space called a cavity.
  • die comprises one set up and down, and comprises a cavity.
  • a resin tablet solidified resin
  • the resin tablet put into the pot starts to melt gradually and is put into the cavity.
  • the liquid resin fills the surrounding space with the electronic component. When the filled resin is solidified, it becomes a molded state.
  • the transfer molding method is a resin sealing method that is excellent in mass productivity because many mold processes can be performed at once by increasing the mold size.
  • the transfer molding method is a method in which wire deformation and disconnection are likely to occur. Therefore, by adopting a structure that does not perform wire bonding, it is possible to eliminate wire disconnection failure and deformation failure when resin sealing is performed by a transfer molding method.
  • electrical_connection of a semiconductor element may be performed by wire bonding.
  • the first semiconductor module 10a using the first silicon nitride circuit board 1a is formed by joining a cooling fin to a back metal plate.
  • the cooling fin preferably has a thickness of 0.2 mm or more. Further, it is more preferable that the cooling fin has a thickness of 0.4 mm or more. Moreover, although the upper limit of the thickness of a cooling fin is not specifically limited, It is preferable that thickness is 20 mm or less.
  • the shape of the cooling fin may be various shapes such as a plate shape, a comb shape, a groove shape, and a pin shape.
  • the first silicon nitride circuit board 1 a is suitable for a structure that is screwed to the cooling fin 7.
  • the first silicon nitride circuit board 1a is provided with a convex amount of warpage on the back metal plate side. With this structure, the amount of warpage of the silicon nitride substrate 2 of the first semiconductor module 10a can be reduced. For this reason, the adhesion between the back metal plate 4 of the silicon nitride substrate 2 and the cooling fins 7 can be improved.
  • the first silicon nitride circuit board 1a is to control the amount of warpage long side direction (S L1) and short side direction of the warp amount (S L2), or joining the cooling fins 7, or set screw Suitable for structure. Further, the warpage amount of the silicon nitride substrate 2 of the first semiconductor module 10a can be less than 0.1 mm (including 0 mm). In the conventional case where only the warpage amount (S L1 ) in the long side direction is controlled, the silicon nitride substrate is likely to bend when the cooling fin is joined or screwed.
  • the volume ratio of (volume of the joint portion of the lead frame to the front metal plate + volume of the front metal plate) / (volume of the back metal plate) is 0.6 to 1.5. It is preferable to be within the range. If it is out of this range, it may be difficult to reduce the warpage amount of the silicon nitride substrate as a semiconductor module to less than 0.1 mm (including 0 mm).
  • the joint portion to the front metal plate is 10 mm long ⁇ 10 mm wide.
  • the volume of each joined portion is obtained and the total value is defined as the “volume of the joined portion of the lead frame to the surface metal plate”.
  • the volume of a surface metal plate makes the value which totaled the volume of each surface metal plate the "volume of a surface metal plate", when a some surface metal plate is joined.
  • the volume of the back metal plate when a plurality of back metal plates are joined, is a value obtained by summing the volumes of the respective back metal plates as the “volume of the back metal plate”.
  • the volume ratio of (volume of the front metal plate) / (volume of the back metal plate + volume of the joint portion of the cooling fin to the back metal plate) is 0.3 to 1.5. It is preferable to be within the range. Outside this range, it may be difficult to reduce the amount of warpage of the silicon nitride substrate when it becomes a semiconductor module to less than 0.1 mm (including 0 mm).
  • the back metal plate is 30 mm long ⁇ 30 mm wide, and the size of the cooling fin is 50 mm long ⁇ 50 mm wide ⁇ 2 mm thick.
  • requires not using the volume of the whole cooling fin but using the volume of the junction part of a back metal plate.
  • the sum of the volumes of the joined portions of the respective front metal plates is obtained and set as the “volume of the front metal plate”.
  • the first silicon nitride circuit board 1a is used. Further, if (volume of the joining portion of the lead frame to the front metal plate + volume of the front metal plate) ⁇ (volume of the back metal plate + volume of the joining portion of the cooling fin to the back metal plate), the second A silicon nitride circuit board 1b is used.
  • the manufacturing method thereof is not particularly limited, but the following method may be mentioned as a method for obtaining it efficiently.
  • a silicon nitride substrate is prepared.
  • the silicon nitride substrate has a three-point bending strength of 500 MPa or more.
  • the silicon nitride substrate preferably has a fracture toughness value of 6.0 MPa ⁇ m 1/2 or more.
  • the silicon nitride substrate preferably has a thermal conductivity of 50 W / m ⁇ K or more. It is preferable that the thermal conductivity is as high as 50 W / m ⁇ K or higher, more preferably 80 W / m ⁇ K or higher.
  • the silicon nitride substrate preferably has a thickness of 0.1 mm or more and 0.50 mm or less. Further, it is preferable to reduce the thickness to 0.33 mm or less and 0.26 mm or less.
  • the warpage amount of the silicon nitride substrate is prepared such that the warpage amount S L1 on the long side direction side and the warpage amount S L2 on the short side direction are both less than 0.1 mm.
  • the metal plate is preferably one type selected from a copper plate, a copper alloy, an Al plate, and an Al alloy plate.
  • the thickness of the metal plate is defined so that the relationship between the thickness t1 of the front surface side metal plate and the thickness t2 of the back surface side metal plate is 0.10 ⁇
  • the joining process is performed using an active metal brazing material.
  • the active metal includes one selected from Ti (titanium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), and Nb (niobium). Ti is most preferable as the active metal. Moreover, Ag, Cu, In, and Sn are mentioned as components other than an active metal.
  • composition of the active metal brazing material Ag is 40 to 80% by mass, Cu is 20 to 60% by mass, Ti is 0.1 to 12% by mass, Sn is 20% by mass or less (including 0), A brazing material comprising 20% by mass or less (including 0) of In is preferable.
  • the active metal is Al (aluminum).
  • components other than the active metal include Si (silicon).
  • Examples of the composition of the active metal brazing material include 0.01 to 10% by mass of Si, and the balance of Al.
  • the side surface of the metal plate is processed in advance so that an angle ⁇ when a straight line is drawn from a half point of the thickness of the metal plate to the end of the metal plate on the silicon nitride substrate side is 80 ° or less. Good. Further, by performing an etching process after joining the metal plates, the angle ⁇ when a straight line is drawn from the half of the thickness of the metal plate to the end of the metal plate on the silicon nitride substrate side is 80 °. You may process so that it may become the following.
  • a resin binder is added to the active metal brazing material to prepare an active metal brazing paste.
  • An active metal brazing material paste is applied onto a silicon nitride substrate to form an active metal brazing material paste layer.
  • a metal plate is placed thereon. When the protruding portion of the bonding layer is provided, the active metal brazing paste layer is provided wider than the vertical and horizontal sizes of the metal plate.
  • the coating thickness of the active metal brazing paste layer is preferably in the range of 10 to 40 ⁇ m. If the thickness of the active metal brazing material layer paste layer is less than 10 ⁇ m, sufficient bonding strength may not be obtained. Further, even if the thickness exceeds 40 ⁇ m, not only the bonding strength is not improved, but also the cost is increased. Therefore, the thickness of the active metal brazing paste layer is preferably in the range of 10 to 40 ⁇ m, more preferably 15 to 25 ⁇ m.
  • the heating temperature is preferably in the range of 600 to 900 ° C.
  • the joining temperature is preferably in the range of 750 to 900 ° C.
  • the joining temperature is preferably in the range of 600 to 750 ° C.
  • the degree of vacuum is preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less, more preferably 4 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa or less.
  • the warp amount S L1 on the long side direction side and the warp amount S L2 on the short side direction are in the range of 0.01 to 1.0 mm. it can. Further, if necessary, a predetermined amount of warpage may be applied by heating in a state where stress is applied.
  • patterning is performed by etching. Further, the length W of the protruding portion of the brazing material and the angle ⁇ of the side surface of the metal plate are adjusted by the etching process.
  • a lead frame or cooling fin is joined. Moreover, if necessary, a screwing structure is adopted.
  • a semiconductor element is mounted on a metal plate (surface metal plate) on the front side. Further, the joining of the heat dissipation member such as the lead frame and the joining of the semiconductor element may be performed in the same process or in separate processes. Further, the order is not particularly limited.
  • the first or second silicon nitride circuit board is used according to the joining order.
  • the lead frame is bonded first, it is preferable to use a second silicon nitride circuit board that is convex toward the front metal plate.
  • the 2nd silicon nitride circuit board 1b which became concave shape by the back metal plate side.
  • the resin sealing step is preferably manufactured by a transfer mold method.
  • the transfer mold method is an excellent method for mass production. In the case of the silicon nitride circuit board according to the embodiment, even if the resin sealing is performed by the transfer molding method, the warpage amount can be reduced.
  • Example 2 As a silicon nitride substrate, a substrate having a thickness of 0.32 mm, a length in the longitudinal direction (L1) of 60 mm, and a length in the short side direction (L2) of 40 mm was prepared.
  • This silicon nitride substrate has a three-point bending strength of 600 MPa, a thermal conductivity of 90 W / m ⁇ K, and a fracture toughness value of 6.5 MPa ⁇ m 1/2 .
  • a copper plate as a metal plate was prepared. Further, a raw material mixture composed of Ag (60 wt%), Cu (30 wt%), In (8 wt%), and Ti (2 wt%) was prepared as an active metal brazing material raw material. This raw material mixture was mixed with a resin binder to prepare an active metal brazing paste. The above active metal brazing paste is applied to both sides of the silicon nitride substrate, a copper plate is placed, and a heating process is performed in which the copper plate is joined by heating to a temperature of 780 to 830 ° C. in a vacuum atmosphere of 1 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa or less. did.
  • the surface metal plate of the silicon nitride / copper circuit board that was heat-bonded was etched and patterned. Further, the side surfaces of the front metal plate and the back metal plate were etched to control the length W of the protruding portion of the brazing material and the inclination angle ⁇ of the side surface of the metal plate. Then, it adjusted so that the predetermined curvature amount might be obtained by heating, applying stress.
  • Table 1 shows the size of the copper plate on the front surface side, the size of the copper plate on the back surface side, the inclination angle ⁇ of the side surface of the metal plate, and the amount of protrusion of the active metal brazing material.
  • the angle of the side surface of the metal plate is an angle ⁇ when a straight line is drawn from the half point of the thickness of the metal plate to the end of the metal plate on the silicon nitride substrate side. did.
  • what joined the some copper plate unified the space
  • warpage S L1 of the long side direction was measured in the direction of warpage S L2 and warpage in the short side direction.
  • the amount of warpage was measured by drawing a straight line from one end of the silicon nitride substrate to the other end, and taking the distance that the substrate was farthest from the straight line as the amount of warpage.
  • warpage of diagonal S L3 was also measured. The results are shown in Table 2.
  • Examples 1 to 3 relate to the first silicon nitride circuit board.
  • Examples 4 to 6 relate to the second silicon nitride circuit board.
  • Comparative Example 1 has no warp. In Comparative Examples 2 and 3, the amount of warpage was large.
  • Reference Example 1 shows a case where the angle of the end portion of the metal plate is excessive, and Reference Example 2 shows a case where the length of the protruding portion of the brazing material is too small.
  • Example 7 Substrates having the specifications shown in Table 3 were prepared as silicon nitride substrates.
  • a warpage amount was prepared such that the warpage amount on the long side direction side was 0.02 mm or less, and the warpage amount on the short side side was 0.02 mm or less.
  • the joining process of a metal plate is the same as that of Example 1.
  • the copper plates shown in the left column of Table 4 were joined to the front side and back side of each silicon nitride substrate. Further, the angle ⁇ on the side surface of the metal plate and the length W of the protruding portion of the brazing material were controlled by etching. Moreover, what joined the several copper plate unified the distance between adjacent copper plates into 1.2 mm. Thereafter, heating was applied while applying a stress to give a predetermined amount of warpage.
  • Warpage of the long-side direction side of the resulting silicon nitride circuit board S L1, warpage S L2 of the short-side direction, a diagonal direction of warpage S L3, and the direction of the warp were measured.
  • the amount of warpage was measured by drawing a straight line from one end of the silicon nitride substrate to the other end, and taking the distance at which the silicon nitride substrate was farthest from the straight line as the amount of warpage.
  • Table 5 The results are shown in Table 5 below.
  • Example 8 is an example of the first silicon nitride circuit board 1a.
  • Examples 7, 9, and 10 are examples of the second silicon nitride circuit board 1b.
  • TCT characteristics of the silicon nitride circuit substrates according to Examples 1 to 10, Comparative Examples 1 to 3, and Reference Examples 1 to 2 were measured.
  • a thermal cycle of temperature ⁇ 40 ° C. ⁇ 30 minutes hold ⁇ room temperature (25 ° C.) ⁇ 10 minutes hold ⁇ temperature 175 ° C. ⁇ 30 minutes hold ⁇ room temperature (25 ° C.) ⁇ 10 minutes hold is set to 500 cycles.
  • the occurrence of peeling of the metal plate and occurrence of cracks in the silicon nitride substrate after 1500 cycles was measured. The results are shown in Table 6 below.
  • the silicon nitride circuit boards according to the examples and comparative examples were excellent in TCT characteristics. Moreover, in order to fully demonstrate the durability of the circuit board, particularly over a long period of 1500 cycles, it is necessary to control the side surface angle ⁇ of the metal plate and the length W of the protruding portion of the brazing material. There was found.
  • Example 4 A second semiconductor module 10b according to Examples 1A to 3A and Example 8A was fabricated by bonding cooling fins to the back metal plate of the first silicon nitride circuit board (Examples 1 to 3 and 8). Further, in Comparative Examples 1 and 2, the cooling fins were joined to produce semiconductor modules according to Comparative Example 1A and Comparative Example 2A. Further, as Reference Example 4, a semiconductor module was manufactured by bonding a cooling fin to the first silicon nitride circuit board (Example 4). The cooling fin was made of a copper plate.
  • the amount of warpage of the silicon nitride substrate in each semiconductor module was measured. Further, TCT characteristics of the semiconductor module were measured. The TCT characteristics are as follows: temperature -40 ° C x 30 minutes hold ⁇ room temperature (25 ° C) x 10 minutes hold ⁇ temperature 200 ° C x 30 minutes hold ⁇ room temperature (25 ° C) x 10 minutes hold. After that, the presence or absence of defects such as peeling of the metal plate and occurrence of cracks was investigated. The results are shown in Table 7 below.
  • the warpage amount of the silicon nitride substrate was less than 0.10 mm after the cooling fins were joined. As a result, the TCT characteristics were also excellent.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 the amount of warpage increased and the TCT characteristics deteriorated.
  • the warping direction was reversed as in Reference Example 4, the warping toward the back substrate side was increased (warping amount minus display). Also in this case, the TCT characteristics deteriorated.
  • the comparative example and the reference example it was found that when a warp structure is used, stress is applied to the silicon nitride substrate and the TCT characteristics are further deteriorated when the screwing structure is used.
  • the first silicon nitride circuit board is effective for the structure in which the cooling fin is joined to the surface metal plate.
  • Example 4B-6B, 7B, 9B, 10B, Comparative Examples 1B, 3B, Reference Example 3 A lead frame was joined to the surface metal plate of the second silicon nitride circuit board (Examples 4 to 6, 7, 9, 10) to produce semiconductor modules according to Examples 4B to 6B, 7B, 9B, and 10B. Further, lead frames were joined to the silicon nitride circuit boards according to Comparative Examples 1 and 3 to produce semiconductor modules according to Comparative Examples 1B and 3B. Further, as Reference Example 3, a lead frame was joined to the first silicon nitride circuit board (Example 1) to produce a semiconductor module. The lead frame was made of a copper plate.
  • the amount of warpage of the silicon nitride substrate in each semiconductor module was measured. Further, TCT characteristics of the semiconductor module were measured. Here, the TCT characteristic is 1000 cycles with a temperature of ⁇ 40 ° C. ⁇ 30 minutes hold ⁇ room temperature (25 ° C.) ⁇ 10 minutes hold ⁇ temperature 200 ° C. ⁇ 30 minutes hold ⁇ room temperature (25 ° C.) ⁇ 10 minutes hold. After the implementation, the presence or absence of peeling or cracking of the metal plate was investigated. The results are shown in Table 8 below.
  • the warpage amount of the silicon nitride substrate was less than 0.10 mm after the lead frame was joined.
  • the TCT characteristics were also excellent.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 3 the amount of warpage increased, and the TCT characteristics deteriorated. Further, when the warping direction was reversed as in Reference Example 3, the warping toward the back substrate side increased and the warping amount became negative (indicated by the amount of warping minus). Also in this case, the TCT characteristics deteriorated. For this reason, it has been found that the second silicon nitride circuit board is effective for a module structure in which a lead frame is bonded to a surface metal plate.

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Abstract

３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上である窒化珪素基板の両面に金属板を接合した窒化珪素回路基板において、表面側の金属板の厚さをｔ１、裏面側の金属板の厚さをｔ２としたとき、厚さｔ１またはｔ２の少なくとも一方は０．６ｍｍ以上、０．１０≦｜ｔ１－ｔ２｜≦０．３０ｍｍを満たし、窒化珪素基板は長辺方向および短辺方向共に反り量が０．１～０．５ｍｍの範囲内であることを特徴とする窒化珪素回路基板である。上記構成によれば、表裏の金属板の厚さが大きい窒化珪素回路基板において、ＴＣＴ特性を向上させることができる。

Description

窒化珪素回路基板およびそれを用いた半導体モジュール
　後述する実施形態は、概ね、窒化珪素回路基板およびそれを用いた半導体モジュールに関する。
　近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高効率インバーター等の大電力モジュールの開発が進められている。この大電力モジュールの実用化に応じて、半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放散するため、大電力モジュールでは様々な方法が採用されている。最近では、セラミックス基板の両面に金属板を接合したセラミックス回路基板が使用されている。
　セラミックス回路基板としては、ＷＯ２００７／１０５３６１号公報（特許文献１）、特開２０１０－１１８６８２号公報（特許文献２）に記載されるような回路基板が開発されている。特許文献１は、表面側の金属板（第１の金属板）と裏面側の金属板（第２の金属板）との厚さ比を５０％以上２００％以下に制御することにより、ＴＣＴ特性（熱サイクル試験特性）を向上させることを報告している。
　また、特許文献２には、表面側の金属板（金属回路板側）が凸状に反ったセラミックス回路基板が報告されている。特許文献２では、このような構造を採用することにより、はんだフロー性を改善している。特許文献１や特許文献２のようなセラミックス回路基板とすることにより、ＴＣＴ特性やはんだフロー性が改善されることが報告されている。
　近年、半導体素子の大電力化に伴って、更なる放熱性の改善が要請されている。半導体モジュールは、はんだ層を介して半導体素子をセラミックス回路基板に実装している。このようなモジュール構造の熱伝達経路は、半導体素子→はんだ層→金属板（表面側の金属板）→セラミックス基板→金属板（裏面側の金属板）となる。
　セラミックス回路基板の放熱性を示す指標として熱抵抗がある。熱抵抗が小さいと放熱性が良いことを示している。また、熱抵抗（Ｒｔｈ）は、Ｒｔｈ＝Ｈ／（ｋ×Ａ）で求められる。ここで、Ｈは熱伝達経路、ｋは熱伝導率、Ａは放熱面積である。熱抵抗（Ｒｔｈ）を小さくするには、熱伝達経路（Ｈ）を短くすること、熱伝導率（ｋ）を大きくすること、または放熱面積（Ａ）を大きくすることが必要である。
　また、セラミックス回路基板にはＴＣＴ特性（熱サイクル試験特性）の向上も求められている。特許第３７９７９０５号公報（特許文献３）には、３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上である窒化珪素基板が開発されていることが報告されている。このような機械的強度が高い窒化珪素基板を使用することにより、ＴＣＴ特性の向上を図ることができる。
　前述したモジュールの大電力化に対応するためには、放熱性とＴＣＴ特性との更なる改善が求められている。強度が高い窒化珪素基板を活かして放熱性を向上させるには、放熱面積（Ａ）を大きくすることが有効である。一方、熱伝達経路（Ｈ）を短くするには、金属回路板およびセラミックス基板を薄くすることが有効である。しかしながら、金属回路板を薄くし過ぎると大電流を流し難くなる。また、セラミックス基板を薄くし過ぎると絶縁性に不安がある。また、熱伝導率（ｋ）に関しては、窒化アルミニウム基板では熱伝導率２５０Ｗ／ｍ・Ｋクラスのものが開発されているが、強度が２５０ＭＰａ程度であるため、ＴＣＴ特性が悪いという難点がある。
　放熱面積（Ａ）を大きくする方法としては、セラミックス基板に接合する金属板を大きくする方法や、リードフレーム、冷却フィンなどを接合する方法が有効である。
国際公開番号第２００７／１０５３６１号公報 特開２０１０－１１８６８２号公報 特許第３７９７９０５号公報
　特許文献１では、［表１］に示すように、セラミックス基板の表面側と裏面側とに接合する金属板の厚さ比を５０～２５０％の範囲に変えている。一方、従来の半導体モジュールは窒化珪素回路基板の裏面にベース板を接合し、ベース板を介して冷却フィンに接合していた。また、併せて窒化珪素回路基板と冷却フィンとは、ねじ止め構造で一体的に接合していた。
　上記のベース板を介して冷却フィンに接合した場合には、熱伝達経路（Ｈ）が大きくなり、熱抵抗（Ｒｔｈ）が高くなる。このため、ベース板を用いず、窒化珪素回路基板の裏面を冷却フィンに直接接合してねじ止めする構造が試みられている。特許文献１の窒化珪素回路基板にて、冷却フィンに直接接合してねじ止めする構造を採用すると、窒化珪素回路基板の反りが発生していた。また、放熱性を改善するために、リードフレームを接合した場合も、同様に窒化珪素回路基板に反りが発生する問題点があった。
　このように、従来の窒化珪素回路基板においては、表面側または裏面側に設けた金属板に直接、リードフレームまたは冷却フィンを設けた場合、窒化珪素基板の反りが大きくなるという不具合が発生していた。
　実施形態に係る窒化珪素回路基板は、３点曲げ強度５００ＭＰａ以上の窒化珪素基板の両面に金属板を接合した窒化珪素回路基板において、表面側の金属板の厚さをｔ１とし、裏面側の金属板の厚さをｔ２としたときに、厚さｔ１またはｔ２の少なくとも一方は０．６ｍｍ以上であり、関係式０．１０≦｜ｔ１－ｔ２｜≦０．３０ｍｍを満たし、窒化珪素基板は長辺方向および短辺方向の反り量が、共に０．０１～１．０ｍｍの範囲内であることを特徴とするものである。
実施形態に係る窒化珪素回路基板の一構成例を示す上面図である。 実施形態に係る窒化珪素回路基板の一構成例を示す側断面図である。 実施形態に係る窒化珪素回路基板の他の一構成例を示す側断面図である。 実施形態に係る窒化珪素回路基板のさらに別の一構成例を示す側断面図である。 実施形態に係る半導体モジュールの一構成例を示す側断面図である。 実施形態に係る半導体モジュールの別の一構成例を示す側断面図である。 実施形態に係る窒化珪素回路基板の金属板側面の一構成例を示す側断面図である。
　実施形態に係る窒化珪素回路基板は、３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上である窒化珪素基板の両面に金属板を接合した窒化珪素回路基板において、表面側の金属板の厚さをｔ１、裏面側の金属板の厚さをｔ２としたとき、厚さｔ１またはｔ２の少なくとも一方は０．６ｍｍ以上であり、関係式：０．１０≦｜ｔ１－ｔ２｜≦０．３０ｍｍを満たし、上記窒化珪素基板は長辺方向および短辺方向の反り量が共に０．０１～１．０ｍｍの範囲内であることを特徴とするものである。
　窒化珪素基板は３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上のものである。３点曲げ強度が５００ＭＰａ未満と低いと、ＴＣＴ特性が低下する。３点曲げ強度は５００ＭＰａ以上、さらには６００ＭＰａ以上であることが好ましい。また、窒化珪素基板は、破壊靭性値が６．０ＭＰａ・ｍ１／２以上であることが好ましい。
　また、窒化珪素基板は熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。さらに熱伝導率は６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いことが好ましい。窒化珪素基板の熱伝導率を高くすることにより、窒化珪素回路基板の全体の熱抵抗を小さくすることができる。
　また、窒化珪素基板は、厚さが０．５０ｍｍ以下であることが好ましい。さらに０．３３ｍｍ以下、０．２６ｍｍ以下と薄型化することが好ましい。窒化珪素基板は高強度で絶縁性も優れていることから基板の薄型化が可能である。また、基板の薄型化により回路基板の熱抵抗を下げることができる。なお、窒化珪素基板の厚さの下限としては０．１０ｍｍ以上が好ましい。基板厚さが０．１０ｍｍ未満と薄くなると、強度や絶縁性の確保が困難になるおそれがある。
　また、窒化珪素基板の両面には金属板が接合されている。金属板は、銅板、アルミニウム板、銅合金板、アルミニウム合金板が好ましい。また、接合方法は、接合層を介した接合方法、接合層を介さずに直接接合する接合方法のどちらでもよい。接合層を介した接合方法としては活性金属ろう材を用いた活性金属接合法が好ましい。活性金属ろう材は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）からなるものが好ましい。また、必要に応じ、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）を添加するものとする。活性金属ろう材としては、Ａｇを４０～８０質量％、Ｃｕを２０～６０質量％、Ｔｉを０．１～１２質量％、Ｓｎを２０質量％以下（０含む）、Ｉｎを２０質量％以下（０含む）から成るろう材が例示できる。金属板が銅板または銅合金板であれば活性金属接合法によって接合し易い利点がある。
　また、金属板がＡｌ板またはＡｌ合金板の場合、活性金属は、Ａｌ（アルミニウム）である。活性金属以外の成分としてはＳｉ（珪素）が挙げられる。活性金属ろう材としては、Ｓｉが０．０１～１０質量％、Ａｌが残部であるろう材が例示できる。
　両面に接合された金属板のうち、表面側の金属板の厚さをｔ１とし、裏面側の金属板の厚さをｔ２としたとき、関係式０．１０≦｜ｔ１－ｔ２｜≦０．３０ｍｍを満たすものとする。０．１０≦｜ｔ１－ｔ２｜≦０．３０ｍｍを満たすということは、表面側の金属板と裏面側の金属板との厚さの差が、０．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であるということを示している。また、表面側の金属板と裏面側の金属板との厚さの差が０．１０ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下がさらに好ましい。厚さの差をこの範囲に規定することにより、各方向の反り量ＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３を所定の範囲に制御し易くなる。
　また、表面側と裏面側の金属板は、どちらが厚くても良い。また、表面側の金属板は半導体素子を搭載する金属板であり、裏面側の金属板は放熱板であることが好ましい。また、通電容量を稼ぎたいときは表面側の金属板の方を厚くすることが好ましい。また、放熱性を良好にしたいときは、裏面側の金属板を厚くすることが好ましい。
　また、表金属板の厚さｔ１または裏金属板の厚さｔ２の少なくとも一方の厚さが０．６ｍｍ以上とすることが必要である。また、ｔ１またはｔ２の少なくとも一方の厚さが０．８ｍｍ以上であることが好ましい。なお、金属板の板厚の厚さの上限は特に限定されるものではないが、５．００ｍｍ以下であることが好ましい。金属板の厚さが５．００ｍｍを超えると金属板の熱膨張により変化する体積が大きくなるため、後述する反り量の制御が困難になる。
　また、窒化珪素基板は長辺方向および短辺方向における反り量が、共に０．０１～１．０ｍｍの範囲内であることを特徴とする。
　図１、図２および図３に実施形態に係る窒化珪素回路基板の一構成例を示す。図１は上面図、図２および図３は側面図である。図中、符号１は窒化珪素回路基板であり、２は窒化珪素基板であり、３は表面側の金属板（表金属板）であり、４は裏面側の金属板（裏金属板）である。また、Ｌ１は窒化珪素基板２の長手方向の長さ（縦幅）、Ｌ２は窒化珪素基板２の短辺方向の長さ（横幅）、Ｓは窒化珪素基板２の反り量である。また、窒化珪素基板２の長手方向の反り量をＳＬ１、短辺方向の反り量をＳＬ２とする。図1に示すように、Ｌ３は窒化珪素基板２の対角線の長さである。また図示していないが、ＳＬ３は窒化珪素基板の対角線方向の反り量である。
　反り量Ｓの測定方法は、まず窒化珪素基板２の一端からもう一方の他端まで直線を引く。その直線に対し、窒化珪素基板２が最も離れている距離を反り量Ｓとする。実施形態に係る窒化珪素回路基板１は、長手方向の反り量ＳＬ１と短辺方向の反り量ＳＬ２が共に０．０１～１．０ｍｍの範囲内となる。また、反り量ＳＬ１と反り量ＳＬ２は０．１～０．５ｍｍであることが好ましい。
　また、窒化珪素基板２の対角線方向の反り量ＳＬ３は、０．１≦ＳＬ３≦１．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。また、反り量ＳＬ３は０．２≦ＳＬ３≦０．７ｍｍの範囲であることが好ましい。
　リードフレームは、主に半導体素子の導通のために接合される。そのため、リードフレームは窒化珪素回路基板１の外側まで延在させることが多い。ヒートシンクや冷却フィンは、窒化珪素回路基板１の裏面側に接合される。ヒートシンクや冷却フィンは裏面側に均等に接合される。それに対し、リードフレームは導通したい箇所に接合される。
　そのため、リードフレームは、必ずしも均等に配置されるものではない。対角線の反り量ＳＬ３を０．１～１．５ｍｍにしておけば、リードフレームが不均等な配置であっても、電子部品モジュールにおける窒化珪素基板２の反り量を０．１ｍｍ未満（０ｍｍ含む）にすることができる。言い換えると、０．１≦ＳＬ３≦１．５ｍｍの範囲にした窒化珪素回路基板１は、リードフレームを接合するものに好適である。なお、均等配置とは、左右対称になるように配置することを意味する。
　図２は裏金属板側が凹状になるように窒化珪素基板が反った構造である。このような構造を有する回路基板を第一の窒化珪素回路基板と呼ぶ。第一の窒化珪素回路基板はｔ１＞ｔ２であることが好ましい。
　また、図３は表金属板側が凸状になるように窒化珪素基板が反った構造である。このような構造を有するものを第二の窒化珪素回路基板と呼ぶ。また、図中、１ａを第一の窒化珪素回路基板とし、１ｂを第二の窒化珪素回路基板、とする。また、第二の窒化珪素回路基板１ｂはｔ１＜ｔ２であることが好ましい。言い換えれば、ｔ１＞ｔ２であれば裏金属板側が凹状になるように反った構造に制御し易い。同様に、ｔ１＜ｔ２であれば表金属板側が凸状になるように反った構造に制御し易い。
　実施形態に係る窒化珪素回路基板は長手方向と短辺方向の両方に所定の反り量を有している。このような構造とすることにより、表裏の金属板の厚さの差が０．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の場合であっても、優れたＴＣＴ特性を示す。
　また、第一の窒化珪素回路基板１ａおよび第二の窒化珪素回路基板１ｂは、少なくとも一方の面に複数の金属板を接合しても良い。図４に表面側に２つの金属板３，３を接合した窒化珪素回路基板１ａを示す。図中、符号１は窒化珪素回路基板であり、２は窒化珪素基板であり、３は表金属板であり、４は裏金属板であり、Ｓは窒化珪素基板２の反り量、である。図４は第一の窒化珪素回路基板１ａを例示したが、第二の窒化珪素回路基板１ｂであってもよい。また、金属回路板（表金属板）３，３が２つのものを例示したが、３個以上の複数の金属回路板を設けても良いものとする。
　また、第一の窒化珪素回路基板１ａは、裏金属板に冷却フィンを接合した半導体モジュールに好適である。図５に半導体モジュールの一例を示す。図中、符号１０は半導体モジュールであり、１ａは第一の窒化珪素回路基板であり、４は放熱板（裏金属板）であり、５は半導体素子であり、７は冷却フィンであり、８はねじであり、９はねじ受け部である。また、第一の窒化珪素回路基板１ａを用いた半導体モジュール１０は、第一の半導体モジュール１０ａと呼ぶ。
　窒化珪素回路基板１ａの反り方向を裏金属板側に凸状にした上で、長辺方向の反り量ＳＬ１と短辺方向の反り量ＳＬ２を共に０．０１～１．０ｍｍにしている。このような構造とすることにより、後述するように冷却フィンを接合したとしても窒化珪素基板２の反り量を低減することができる。
　また、第二の窒化珪素回路基板１ｂは、表金属板３，３にリードフレーム６，６を接合した半導体モジュールに好適である。図６に、半導体モジュールの一構成例を示す。図中、符号１０は半導体モジュールであり、１ｂは第二の窒化珪素回路基板であり、３は表金属板（金属回路板）であり、５は半導体素子であり、６はリードフレームである。また、第二の窒化珪素回路基板１ｂを用いた半導体モジュール１０は、第一の半導体モジュール１０ｂと呼ぶ。
　窒化珪素回路基板１ｂの反り方向を表金属板側に凸状にした上で、長辺方向の反り量ＳＬ１と短辺方向の反り量ＳＬ２を共に０．０１～１．０ｍｍにしている。このような構造とすることにより、後述するように厚さ０．２ｍｍ以上のリードフレームを接合したとしても窒化珪素基板２の反り量を低減することができる。
　また、窒化珪素基板２の縦幅Ｌ１は１０～２００ｍｍであることが好ましい。また、窒化珪素基板の横幅Ｌ２は１０～２００ｍｍであることが好ましい。縦幅（Ｌ１）または横幅（Ｌ２）が１０ｍｍ未満と小さいと、表面側の金属板の半導体素子の実装面積が小さくなるため設計の自由度が下がる。また、後述する接合層のはみ出し領域を設ける面積を形成し難くなる。一方、縦幅（Ｌ１）または横幅（Ｌ２）が２００ｍｍを超えて大きいと反り量（Ｓ）を範囲内に制御し難くなる。
　また、長辺方向の反り量（ＳＬ１）と短辺方向の反り量（ＳＬ２）の比（ＳＬ１／ＳＬ２）が０．５～５．０の範囲内であることが好ましい。比（ＳＬ１／ＳＬ２）が０．５～５．０の範囲内であるということは、長手方向と短辺方向との反り量が近似していることを示している。このような構造とすることにより、表裏の金属板の厚さの差が０．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下と大きくなっても、ＴＣＴ特性を向上させることができる。
　また、金属板は活性金属を含む接合層を介して窒化珪素基板に接合されたものであることが好ましい。活性金属とは、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ａｌ（アルミニウム）から選択される少なくとも１種の元素を示す。これらの活性金属の中で、前述のようにＴｉを使用することが好ましい。また、活性金属を含む接合層は、Ａｇを４０～８０質量％と、Ｃｕを２０～６０質量％と、Ｔｉを０．１～１２質量％と、Ｓｎを２０質量％以下（０含むと）、Ｉｎを２０質量％以下（０含む）とから成る活性金属ろう材を使用して形成したものが好ましい。また、窒化珪素基板と金属板との間に活性金属ろう材層を設けて熱処理することにより接合される。接合後においては、接合層中に含有される活性金属は主に活性金属窒化物となっていることが好ましい。
　また、接合層は金属板端部からはみ出して形成されることが好ましい。また、金属板端部からはみ出した接合層のはみ出し量が１０～１５０μｍであることが好ましい。図７に接合層がはみ出し部を有する窒化珪素回路基板の一構成例の部分断面図を示す。図中、符号２は窒化珪素基板であり、３は金属板であり、１１は接合層のはみ出し部である。また、Ｗは接合層のはみ出し部の長さである。はみ出し部１１を設けることにより、金属板３と窒化珪素基板２の熱応力を緩和することができる。
　また、金属板３の側面において、金属板厚さの１／２の点から窒化珪素基板２側の金属板の端部まで直線を引いたときの角度θが８０°以下であることが好ましい。図７に実施形態に係る窒化珪素回路基板の金属板３の側面の一例を示す。図中、符号２は窒化珪素基板であり、３は金属板であり、１１は接合層のはみ出し部、である。
　金属板３の側面の角度θは、窒化珪素回路基板を長手方向に垂直に切断し、切断面の研磨加工を行った後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）あるいは金属顕微鏡やＣＣＤカメラを用いて、金属板の厚さが全て確認できる倍率で観察することにより確認できる。観察画像あるいは観察写真において、金属板３の厚さの１／２の点から窒化珪素基板側の金属板の端部まで直線を引き、直線と窒化珪素基板との角度θを測定する。
　この角度θが８０°以下であるということは、金属板の側面が窒化珪素基板側方向に伸びている形状を示している。この断面形状により、金属板と窒化珪素基板の熱応力を緩和することができる。そのため、直線の角度θは８０°以下、さらには６０°以下であることが好ましい。
　なお、角度θの下限は特に限定されるものではないが、３０°以上であることが好ましい。この角度θが３０°未満であると金属板の側面が長くなり過ぎる。長くなり過ぎると、金属板サイズが同じとき、金属板表面の平坦面積が小さくなる。平坦面積が小さくなると半導体素子を搭載できる面積が小さくなる。また、平坦面積を同じにすると金属板を大きく形成する必要がある。
　また、接合層のはみ出し部と角度θとの適正な組合せにより、さらに熱応力を緩和することができる。
　このため、金属板の厚さを厚くしたり、表裏面の金属板の厚さの差（｜ｔ１－ｔ２｜）を設けたりしても、ＴＣＴ特性を向上させることができる。また。はみ出し部１１の長さＷが１０μｍ未満では、はみ出し部を設ける効果が不十分である。また、はみ出し部１１の長さＷが１５０μｍを超えて大きいと、作製が容易ではあるものの、それ以上の効果が少ない。また、隣接する金属回路板間の絶縁距離が短くなり導通不良を起こす原因となる恐れがある。また、十分な絶縁距離を確保するために、回路基板全体の大きさを大きくする必要が生じるため、特性やコスト面での悪化要因となり得る。このため、はみ出し部１１の長さＷは１０～１５０μｍ、さらには１５～６０μｍであることが好ましい。また、角度θは８０°以下、さらには６０°以下であることが好ましい。これにより熱応力緩和が達成されるので、ＴＣＴ特性が向上する。
　熱抵抗（Ｒｔｈ）は、Ｒｔｈ＝Ｈ／（ｋ×Ａ）の計算式で求められる。ここでＨは熱伝達経路であり、ｋは熱伝導率であり、Ａは放熱面積である。熱抵抗（Ｒｔｈ）を小さくするには、熱伝達経路（Ｈ）を短くすること、熱伝導率（ｋ）を大きくすること、放熱面積（Ａ）を大きくすることが上げられる。実施形態に係る窒化珪素回路基板は、窒化珪素基板を薄型化することにより、熱伝導率の低い部分の熱伝達経路を短くすることができる。また、金属板を厚くすることや金属板のサイズを大きくすることにより、窒化珪素回路基板の熱伝導率（ｋ）および放熱面積（Ａ）を大きくすることができる。この結果、熱抵抗（Ｒｔｈ）を小さくすることができる。
　また、関係式：０．１０ｍｍ≦｜ｔ１－ｔ２｜≦０．３０ｍｍを満たすように、表面側または裏面側の金属板の厚さの差を規定している。表面側の金属板を厚くすることにより通電容量を稼ぐことができる。また、裏面側の金属板を厚くすることにより、熱の逃げ道を広くとることができるので放熱性を向上させることができる。
　以上のような窒化珪素回路基板は、高出力の半導体素子を実装した半導体モジュールに好適である。実施形態に係る窒化珪素回路基板は、熱抵抗を低減し、ＴＣＴ特性を向上させているためジャンクション温度が高い半導体素子に好適である。ＳｉＣ素子やＧａＮ素子はジャンクション温度が１７５℃以上と高くなる。言い換えると、本実施形態に係る窒化珪素回路基板は、ＳｉＣ素子またはＧａＮ素子を実装した半導体モジュールに好適である。
　また、第二の窒化珪素回路基板１ｂを用いた第二の半導体モジュール１０ｂは、表金属板にリードフレーム６，６を接合している。また、リードフレーム６は、厚さが０．２ｍｍ以上であることが好ましい。さらには、リードフレーム６の厚さは０．４ｍｍ以上であることが好ましい。また、リードフレームの厚さを０．２ｍｍ以上と厚くすることにより、通電容量を稼ぐと共に放熱性を向上させることができる。なお、リードフレーム６の厚さの上限は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下であることが好ましい。また、リードフレームは、銅板などの金属板で構成されることが好ましい。
　第二の窒化珪素回路基板１ｂは長辺方向の反り量ＳＬ１および短辺方向の反り量ＳＬ２を０．０１～１．０ｍｍの範囲に規定している。そのため、表金属板に厚さ０．２ｍｍ以上のリードフレームを接合したとしても窒化珪素基板の反り量を０．１ｍｍ未満（０ｍｍ含む）にすることができる。従来のように、長辺方向のみの反り量（ＳＬ１）のみを制御したものでは、リードフレームを接合した際に窒化珪素基板が湾曲し易くなる。
　リードフレームを接合した第二の半導体モジュール１０ｂを作製したとき、窒化珪素基板２が湾曲せず、反り量が小さくなる。半導体モジュールの窒化珪素基板の反り量が低減されることにより、半導体モジュールとしてのＴＣＴ特性を向上させることができる。また、半導体モジュール自体を実装する際の実装不良の発生を防ぐことができる。
　また、対角線方向の反り量ＳＬ３を０．１～１．５ｍｍの範囲に制御することにより、リードフレームを不均等な配置で固定しても、窒化珪素基板の反り量を０．１ｍｍ未満（０ｍｍ含む）に制御し易くなる。
　また、このような構造とすることにより、ワイヤボンディングを実施しない構造とすることもできる。ワイヤボンディング構造を採用しないことにより、トランスファーモールド法による樹脂封止を実施した際に、ワイヤが断線することを防止することができる。言い換えると、本実施形態に係る窒化珪素回路基板は、トランスファーモールド法などの樹脂封止する半導体モジュールに好適である。
　トランスファーモールド法は、加熱された金型内に半導体モジュールを配置する。半導体モジュールは、キャビティと呼ばれる空間に配置される。また、金型は上下１セットになってキャビティを構成する。次に、樹脂タブレット（樹脂を固めたもの）をポットと呼ばれる空間に投入する。ポットに投入された樹脂タブレットは徐々に溶け始め、キャビティ内に投入される。液状となった樹脂は、電子部品を周りの空間に充填される。充填された樹脂が固まることにより、モールドされた状態となる。
　トランスファーモールド法は、金型サイズを大きくすることにより、一度に多くののモールド処理を実施することができるため、量産性に優れた樹脂封止方法である。一方、トランスファーモールド法は、ワイヤの変形や断線が起きやすい製法である。そのため、ワイヤボンディングを実施しない構造とすることにより、トランスファーモールド法により樹脂封止した際にワイヤの断線不良や変形不良を無くすことができる。なお、ワイヤボンディングを実施しないメリットを説明したが、ワイヤボンディングにより半導体素子の導通を行っても良いものとする。
　また、第一の窒化珪素回路基板1ａを用いた第一の半導体モジュール１０ａは、裏金属板に冷却フィンを接合したものである。冷却フィンは厚さが０．２ｍｍ以上であることが好ましい。また、冷却フィンは厚さが０．４ｍｍ以上であることが、さらに好ましい。また、冷却フィンの厚さの上限は特に限定されるものではないが、厚さは２０ｍｍ以下であることが好ましい。また、冷却フィンの形状は、板状、くし歯状、溝型やピン型など様々な形状であってもよい。
　また、図５に例示したように、第一の窒化珪素回路基板１ａは、冷却フィン７にねじ止めする構造に適している。第一の窒化珪素回路基板１ａは裏金属板側に凸状に反り量を設けている。このような構造にすることにより、第一の半導体モジュール１０ａの窒化珪素基板２の反り量を低減できる。このため、窒化珪素基板２の裏金属板４と冷却フィン７との密着性を向上させることができる。
　この密着性の向上により、放熱性を向上させることができる。また、ねじ止め構造をとったときに窒化珪素基板が湾曲するのを防止することができる。第一の窒化珪素回路基板１ａは長辺方向の反り量（ＳＬ１）と短辺方向の反り量（ＳＬ２）を制御しているので、冷却フィン７を接合したり、ねじ止めしたりする構造に適している。また、第一の半導体モジュール１０ａの窒化珪素基板２の反り量を０．１ｍｍ未満（０ｍｍ含む）とすることができる。従来のように、長辺方向のみの反り量（ＳＬ１）のみを制御したものでは、冷却フィンの接合やねじ止め構造をとったときに窒化珪素基板が湾曲し易い。
　また、第二の半導体モジュール１０ｂの場合、（リードフレームの表金属板への接合部分の体積＋表金属板の体積）／（裏金属板の体積）の体積比が０．６～１．５の範囲内であることが好ましい。この範囲を外れると、半導体モジュールとしたときの窒化珪素基板の反り量を０．１ｍｍ未満（０ｍｍ含む）と小さくすることが困難になるおそれがある。
　例えば、縦３０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのリードフレームにおいて、表金属板への接合部分を縦１０ｍｍ×横１０ｍｍとする。リードフレームの表金属板への接合部分の体積は、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ＝５０ｍｍ３となる。
　複数のリードフレームを接合する場合は、それぞれの接合部分の体積を求めて合計した値を「リードフレームの表金属板への接合部分の体積」とする。また、表金属板の体積は、複数の表金属板を接合した場合は、それぞれの表金属板の体積を合計した値を「表金属板の体積」とする。同様に、裏金属板の体積は、複数の裏金属板を接合した場合は、それぞれの裏金属板の体積を合計した値を「裏金属板の体積」とする。
　また、第一の半導体モジュール１０ａの場合、（表金属板の体積）／（裏金属板の体積＋冷却フィンの裏金属板への接合部分の体積）の体積比が０．３～１．５の範囲内であることが好ましい。この範囲を外れると、半導体モジュールとなったときの窒化珪素基板の反り量を０．１ｍｍ未満（０ｍｍ含む）と小さくすることが困難になるおそれがある。
　例えば、裏金属板が縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ、冷却フィンのサイズが縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２ｍｍとする。冷却フィンの裏金属板への接合部分の体積は、縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ２ｍｍ＝１８００ｍｍ３となる。このように冷却フィン全体の体積ではなく、裏金属板の接合部分の体積を使って求めるものとする。また、複数の表金属板を使うときは、それぞれの表金属板の接合部分の体積の合計を求めて「表金属板の体積」とする。
　また、リードフレームと冷却フィンとの両方を接合する場合、（リードフレームの表金属板への接合部分の体積＋表金属板の体積） ≧（裏金属板の体積＋冷却フィンの裏金属板への接合部分の体積）の場合は第一の窒化珪素回路基板１ａを用いるものとする。また、（リードフレームの表金属板への接合部分の体積＋表金属板の体積）＜（裏金属板の体積＋冷却フィンの裏金属板への接合部分の体積）の場合は、第二の窒化珪素回路基板１ｂを用いるものとする。
　次に、窒化珪素回路基板の製造方法について説明する。実施形態に係る窒化珪素回路基板は前述の構造を有していれば、その製造方法は特に限定されるものではないが効率よく得るための方法として次の方法が挙げられる。
　まず、窒化珪素基板を用意する。窒化珪素基板は３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上のものとする。また、窒化珪素基板は、破壊靭性値が６．０ＭＰａ・ｍ１／２以上であることが好ましい。また、窒化珪素基板は熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いことが好ましい。また、窒化珪素基板は厚さが０．１ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下であることが好ましい。さらに０．３３ｍｍ以下、０．２６ｍｍ以下と薄型化することが好ましい。
　また、窒化珪素基板の反り量は、長辺方向側の反り量ＳＬ１および短辺方向の反り量ＳＬ２が共に０．１ｍｍ未満のものを用意するものとする。
　次に金属板を用意する。金属板は、銅板、銅合金、Ａｌ板、Ａｌ合金板から選択される１種であることが好ましい。金属板の厚さは、表面側金属板の厚さｔ１と、裏面側金属板の厚さｔ２との関係が０．１０ ≦｜ｔ１－ｔ２｜≦０．３０ｍｍとなるように規定される。第一の窒化珪素回路基板１ａとするときはｔ１＞ｔ２とし、第二の窒化珪素回路基板１ｂとするときはｔ１＜ｔ２とする。
　次に窒化珪素基板と金属板を接合する工程を行う。接合工程は、活性金属ろう材を用いて実施する。金属板が銅板または銅合金板の場合、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）から選択される１種を含むものとする。活性金属としてはＴｉが最も好ましい。また、活性金属以外の成分としては、Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎが挙げられる。
　活性金属ろう材の組成としては、Ａｇを４０～８０質量％と、Ｃｕを２０～６０質量％と、Ｔｉを０．１～１２質量％と、Ｓｎを２０質量％以下（０含む）と、Ｉｎを２０質量％以下（０含む）とから成るろう材が好ましい。
　また、金属板がＡｌ板またはＡｌ合金板の場合、活性金属は、Ａｌ（アルミニウム）である。活性金属以外の成分としてはＳｉ（珪素）が挙げられる。活性金属ろう材の組成としては、Ｓｉが０．０１～１０質量％、Ａｌが残部のろう材が例示できる。
　また、金属板の側面は、予め金属板の厚さの１／２の点から窒化珪素基板側の金属板の端部まで直線を引いたときの角度θが８０ °以下になるように加工するとよい。また、金属板を接合後に、エッチング処理を実施することにより、金属板の厚さの１／２の点から窒化珪素基板側の金属板の端部まで直線を引いたときの角度θが８０°以下になるように加工してもよい。
　一方、活性金属ろう材に樹脂バインダを添加し、活性金属ろう材ペーストを調製する。活性金属ろう材ペーストを窒化珪素基板上に塗布し、活性金属ろう材ペースト層を形成する。その上に金属板を配置する。接合層のはみ出し部を設ける場合は、活性金属ろう材ペースト層を金属板の縦横サイズより広めに設けるものとする。
　活性金属ろう材ペースト層の塗布厚さは１０～４０μｍの範囲であることが好ましい。活性金属ろう材層ペースト層の厚さが１０μｍ未満では十分な接合強度が得られないおそれがある。また、厚さが４０μｍを超えて厚くしても、接合強度にそれ以上の向上がみられないだけでなくコストアップの要因となる。そのため、活性金属ろう材ペースト層の厚さは１０～４０μｍ、さらには１５～２５μｍの範囲であることが好ましい。
　次に、加熱工程を行う。加熱温度は６００～９００℃の範囲であることが好ましい。活性金属ろう材が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂから選択される１種を含有する場合は、接合温度が７５０～９００℃の範囲であることが好ましい。また、活性金属ろう材がＡｌを含有する場合は接合温度が６００～７５０℃の範囲であることが好ましい。また、加熱工程は真空雰囲気中で実施することが好ましい。真空度としては、１×１０－２Ｐａ以下、さらには４×１０－３Ｐａ以下であることが好ましい。真空雰囲気中で加熱工程を実施することにより、銅板や活性金属ろう材が酸化することや窒化することを防止することができる。
　このような工程を実施することにより、長辺方向側の反り量ＳＬ１および短辺方向の反り量ＳＬ２が０．０１～１．０ｍｍの範囲内である窒化珪素回路基板を作製することができる。また、必要に応じ、応力を加えた状態で加熱して所定の反り量を付与しても良い。
　また、必要に応じて、エッチング加工によりパターニングを実施する。また、エッチング工程により、ろう材のはみ出し部の長さＷおよび金属板側面の角度θを調整するものとする。
　また、半導体モジュールとするときには、リードフレームまたは冷却フィンを接合する。また、必要に応じて、ねじ止め構造を採用する。
　次に、表面側の金属板（表金属板）に半導体素子を実装する。また、リードフレームなどの放熱部材の接合と半導体素子の接合は、同一工程で実施してもよいし、別々の工程で実施してもよい。また、その順番は特に限定されるものではない。
　また、表金属板にリードフレームを接合し、裏金属板に冷却フィンの両方を接合する場合は、接合する順番に応じて第一または第二の窒化珪素回路基板を使用する。先にリードフレームを接合する場合は、表金属板側に凸状となった第二の窒化珪素回路基板を用いることが好ましい。また、先に冷却フィンを接合する場合は、裏金属板側に凹状となった第二の窒化珪素回路基板１ｂを使用することが好ましい。
　また、必要に応じ、樹脂封止工程を実施する。樹脂封止工程は、トランスファーモールド法で製造することが好ましい。トランスファーモールド法は量産性に優れた方法である。実施形態に係る窒化珪素回路基板であれば、トランスファーモールド法により樹脂封止したとしても反り量を小さくすることができる。
（実施例）
（実施例１～６、比較例１～３および参考例１～２）
　窒化珪素基板として、厚さが０．３２ｍｍであり、長手方向（Ｌ１）の長さが６０ｍｍであり、短辺方向（Ｌ２）の長さが４０ｍｍである基板を用意した。この窒化珪素基板は、３点曲げ強度が６００ＭＰａであり、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋであり、破壊靭性値が６．５ＭＰａ・ｍ１／２である。また、銅板を接合する前の窒化珪素基板の反り量は、長辺方向側の反り量ＳＬ１＝０．０２ｍｍ、短辺方向の反り量ＳＬ２＝０．０１ｍｍである基板を用いた。
　次に、金属板としての銅板を用意した。また、活性金属ろう材原料として、Ａｇ（６０ｗｔ％）と、Ｃｕ（３０ｗｔ％）と、Ｉｎ（８ｗｔ％）と、Ｔｉ（２ｗｔ％）とから成る原料混合体を用意した。この原料混合体を樹脂バインダと混合して活性金属ろう材ペーストを調製した。窒化珪素基板の両面に上記活性金属ろう材ペーストを塗布し、銅板を配置し、１×１０－３Ｐａ以下の真空雰囲気中で、温度７８０～８３０℃に加熱し銅板を接合する加熱工程を実施した。
　また、加熱接合した窒化珪素／銅回路基板の表金属板をエッチング加工してパターニングを実施した。また、表金属板および裏金属板の側面をエッチングして、ろう材のはみ出し部の長さＷおよび金属板の側面の傾斜角度θを制御した。その後、応力を負荷しながら加熱して所定の反り量を得るように調整した。
　表面側の銅板のサイズ、裏面側の銅板のサイズ、金属板の側面の傾斜角度θ、活性金属ろう材のはみ出し量は表１に示す通りである。なお、金属板の側面の角度は、図７に示したように、金属板の厚さの１／２の点から窒化珪素基板側の金属板の端部まで直線を引いたときの角度θとした。また、複数の銅板を接合したものは、銅板同士の間隔を１．２ｍｍに統一した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記製造方法で得られた窒化珪素回路基板について、長辺方向側の反り量ＳＬ１、短辺方向の反り量ＳＬ２および反りの方向を測定した。反り量の測定は、図２に示したように、窒化珪素基板の一端から他端まで直線を引き、基板がその直線から最も離れた距離を反り量とした。また、対角線方向の反り量ＳＬ３も測定した。その結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　実施例１～３は第一の窒化珪素回路基板に係るものである。また、実施例４～６は第二の窒化珪素回路基板に係るものである。また、比較例１は反りが無いものである。また、比較例２および比較例３は反り量が大きなものとした。参考例１は金属板端部の角度が過大である場合を示し、参考例２はろう材のはみ出し部の長さが過少である場合を示すものである。
（実施例７～１０）
　窒化珪素基板として表３に示す仕様を有する基板をそれぞれ用意した。反り量は、長辺方向側の反り量を０．０２ｍｍ以下であり、短辺側の反り量も０．０２ｍｍ以下である基板を用意した。金属板の接合工程は実施例１と同様である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　次に表４の左欄に示す銅板を各窒化珪素基板の表面側及び裏面側に接合した。また、エッチング加工により、金属板側面の角度θ、ろう材のはみ出し部の長さＷを制御した。また、複数の銅板を接合したものは隣接する銅板間の距離を１．２ｍｍに統一した。その後、応力を負荷しながら加熱して所定の反り量を付与した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　得られた窒化珪素回路基板の長辺方向側の反り量ＳＬ１、短辺方向の反り量ＳＬ２、対角線方向の反り量ＳＬ３、および反りの方向を測定した。反り量の測定は、図２に示すように、窒化珪素基板の一端から他端まで直線を引き、窒化珪素基板がその直線から最も離れた距離を反り量とした。その結果を下記表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　実施例８は第一の窒化珪素回路基板１ａの実施例である。また、実施例７，９，１０は第二の窒化珪素回路基板１ｂの実施例である。
　次に、実施例１～１０、比較例１～３および参考例１～２に係る窒化珪素回路基板のＴＣＴ特性を測定した。ＴＣＴ試験は、温度－４０℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持→温度１７５℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持の熱サイクルを１サイクルとし、５００サイクルと１５００サイクル後における金属板のはがれや窒化珪素基板のクラックの発生の有無を測定した。その結果を下記表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表６に示す結果から明らかなように、各実施例および比較例に係る窒化珪素回路基板はＴＣＴ特性が優れていた。また、特に１５００サイクルの長期に渡って、回路基板の耐久性を十分に発揮させるためには、金属板の側面角度θやろう材のはみ出し部の長さＷを制御することが必要であることが判明した。
（実施例１Ａ～３Ａ、実施例８Ａ、比較例１Ａ、比較例２Ａおよび参考例４）
　第一の窒化珪素回路基板（実施例１～３、８）の裏金属板に冷却フィンを接合することにより実施例１Ａ～３Ａ、実施例８Ａに係る第二の半導体モジュール１０ｂを作製した。また、比較例１および比較例２についても冷却フィンを接合して比較例１Ａ、比較例２Ａに係る半導体モジュールを作成した。また、参考例４として第一の窒化珪素回路基板（実施例４）に冷却フィンを接合して半導体モジュールを作製した。なお、冷却フィンは銅板で作製した。
　それぞれの半導体モジュールにおいて窒化珪素基板の反り量を測定した。また、半導体モジュールのＴＣＴ特性を測定した。また、ＴＣＴ特性は、温度－４０℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持→温度２００℃×３０分保持 →室温（２５℃）×１０分保持を１サイクルとし、１０００サイクル実施した後における金属板のはがれやクラックの発生などの不具合の有無を調査した。その結果を下記表７に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　上記表７に示す結果から明らかなように、各実施例に係る半導体モジュールは、冷却フィンを接合した後において窒化珪素基板の反り量が０．１０ｍｍ未満になった。その結果、ＴＣＴ特性も優れていた。一方、比較例１および比較例２では、反り量が大きくなりＴＣＴ特性が悪化した。また、参考例４のように反り方向が逆のものでは反って裏基板側への反りが大きくなった（反り量マイナス表示）。この場合もＴＣＴ特性は悪化した。比較例や参考例のように、反りが大きなものではねじ止め構造を行ったとき、窒化珪素基板に応力が作用し、さらにＴＣＴ特性が悪化することが判明した。
　このため、第一の窒化珪素回路基板は表金属板に冷却フィンを接合した構造に有効であることが分かる。
（実施例４Ｂ～６Ｂ、７Ｂ、９Ｂ、１０Ｂ、比較例１Ｂ、３Ｂ、参考例３）
　第二の窒化珪素回路基板（実施例４～６、７，９，１０）の表金属板にリードフレームを接合して実施例４Ｂ～６Ｂ,７Ｂ,９Ｂ,１０Ｂに係る半導体モジュールを作製した。また、比較例１,３に係る窒化珪素回路基板についてもリードフレームを接合して比較例１Ｂ、３Ｂに係る半導体モジュールを作製した。さらに、参考例３として第一の窒化珪素回路基板（実施例１）にリードフレームを接合して半導体モジュールを作製した。なお、リードフレームは銅板で作製した。
　それぞれの半導体モジュールにおいて窒化珪素基板の反り量を測定した。また、半導体モジュールのＴＣＴ特性を測定した。ここで、ＴＣＴ特性は、温度－４０℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持→温度２００℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持を１サイクルとし、１０００サイクル実施した後において金属板のはがれやクラックの発生の有無を調査した。その結果を下記表８に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　上記表８に示す結果から明らかなように、各実施例に係る半導体モジュールはリードフレームを接合した後に窒化珪素基板の反り量が０．１０ｍｍ未満になった。その結果、ＴＣＴ特性も優れていた。一方、比較例１および比較例３では反り量が大きくなり、ＴＣＴ特性が悪化した。また、参考例３のように反り方向が逆のものでは、反って裏基板側への反りが大きくなった（反り量マイナス表示）。この場合もＴＣＴ特性は悪化した。このため、第二の窒化珪素回路基板は表金属板にリードフレームを接合したモジュール構造に有効であることが判明した。
　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 …窒化珪素回路基板
１a …第一の窒化珪素回路基板
１ｂ…第二の窒化珪素回路基板
２ …窒化珪素基板
３ …表面側の金属板
Ｌ１ …窒化珪素基板の長辺方向の長さ
Ｌ２ …窒化珪素基板の短辺方向の長さ
Ｌ３…窒化珪素基板の対角線の長さ
４ …裏面側の金属板
Ｓ …窒化珪素基板の反り量
ＳＬ１ …窒化珪素基板の長辺方向の反り量
ＳＬ２ …窒化珪素基板の短辺方向の反り量
ＳＬ３…窒化珪素基板の対角線方向の反り量
５ …半導体素子
６ …リードフレーム
７ …冷却フィン
８ …ねじ
９ …ねじ受け部
１０ …半導体モジュール
１０a …第一の半導体モジュール
１０ｂ…第二の半導体モジュール
１１ …接合層（ろう材）のはみ出し部
θ…金属板側面の角度
Ｗ …接合層のはみ出し部の長さ

Claims (15)

  1. ３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上である窒化珪素基板の両面に接合層を介して金属板を接合した窒化珪素回路基板において、
    　表面側の金属板の厚さをｔ１とし、裏面側の金属板の厚さをｔ２としたとき、厚さｔ１およびｔ２の少なくとも一方は０．６ｍｍ以上であり、関係式：０．１０≦｜ｔ１－ｔ２｜≦０．３０ｍｍを満たし、
    　上記窒化珪素基板は長辺方向および短辺方向共に反り量が０．０１～１．０ｍｍの範囲内であることを特徴とする窒化珪素回路基板。
  2. 前記窒化珪素基板の縦幅（Ｌ１）が１０～２００ｍｍであり、横幅（Ｌ２）が１０～２００ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１記載の窒化珪素回路基板。
  3. 前記窒化珪素基板の長辺方向側の反り量をＳＬ１、短辺方向の反り量をＳＬ２としたとき、比（ＳＬ１／ＳＬ２）が０．５～５．０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のいずれか１項に記載の窒化珪素回路基板。
  4. 前記窒化珪素基板の対角線の長さ方向の反り量をＳＬ３としたとき、０．１≦ＳＬ３≦１．５ｍｍ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項に記載の窒化珪素回路基板。
  5. ｔ１＞ｔ２であり、裏面側に凸状に反ってい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項に記載の窒化珪素回路基板。
  6. ｔ１＜ｔ２であり、表面側に凸状に反ってい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項に記載の窒化珪素回路基板。
  7. 前記金属板の端部からはみ出した接合層のはみ出し部の長さが１０～１５０μｍ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６のいずれか１項に記載の窒化珪素回路基板。
  8. 前記金属板の側面において、金属板厚さの１／２の点から窒化珪素基板側の金属板の端部まで直線を引いたとき、この直線と窒化珪素基板の平面方向とがなす角度が８０°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項に記載の窒化珪素回路基板。
  9. 前記窒化珪素基板の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、厚さが０．５０ｍｍ以下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項に記載の窒化珪素回路基板。
  10. 請求項５記載の窒化珪素回路基板の裏面側に接合した金属板を冷却フィンに接合した構造を有することを特徴とする半導体モジュール。
  11. 前記窒化珪素回路基板と冷却フィンとをねじ止めする構造を有することを特徴とする請求項１０記載の半導体モジュール。
  12. 前記窒化珪素基板の長辺方向の反り量および短辺方向の反り量は共に０．１ｍｍ未満（０ｍｍ含む）であることを特徴とする請求項１０ないし請求項１１のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  13. 請求項６記載の窒化珪素回路基板の表面側に接合した金属板にリードフレームを接合した構造を有することを特徴とする半導体モジュール。
  14. 前記リードフレームの厚さが０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１３記載の半導体モジュール。
  15. 前記窒化珪素基板の長辺方向の反り量および短辺方向の反り量は共に０．１ｍｍ未満（０ｍｍ含む）であることを特徴とする請求項１３ないし請求項１４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
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