WO2018173921A1 - セラミックス金属回路基板およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

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ceramic
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隆之 那波
圭一 矢野
寛正 加藤
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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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    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient

Definitions

  • Embodiments described later relate to a ceramic metal circuit board and a semiconductor device using the same.
  • Semiconductor devices include power devices represented by IGBTs and the like. Power elements are becoming more sophisticated year by year. In addition, as the performance of semiconductor elements increases, the operation compensation temperature (junction temperature) is increased. Also, ceramic metal circuit boards on which semiconductor elements are mounted have been developed in order to cope with an increase in operation compensation temperature, ceramic metal circuit boards having excellent heat cycle characteristics (TCT characteristics). For example, in international publication WO2013 / 094213 (patent document 1), the TCT characteristic is improved by optimizing the side surface shape of the copper circuit board. In Patent Document 1, reliability is improved even if a semiconductor element having an operating temperature of 170 ° C. or higher is mounted. Also, a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on a ceramic metal circuit board is often resin-molded.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-83917
  • a concave portion is provided on the surface of a lead frame to obtain an anchor effect with a mold resin.
  • Patent Document 2 a fine recess is provided in the lead frame. Adhesion with the resin mold is improved by the fine recesses.
  • a semiconductor element is mounted on a lead frame.
  • the semiconductor device of Patent Document 2 does not use a ceramic substrate. In the case where the ceramic substrate is not used, the durability is insufficient when the operating temperature of the semiconductor element increases. In addition, the thermal expansion of the metal circuit board accompanying the increase in the operating temperature of the semiconductor element is increased, and the adhesiveness to the mold resin is insufficient in the minute recesses.
  • Patent Document 3 is a ceramic circuit board including a ceramic substrate and a metal plate bonded to at least the surface of the ceramic substrate, and an outer peripheral edge portion on the opposite surface side of the bonding surface of the metal plate to the ceramic substrate. It discloses that a plurality of holes are formed inside. In Patent Document 3, the plurality of holes are provided inside the outer peripheral edge of the metal plate in order to relieve stress on the outer peripheral edge of the metal plate. In Patent Document 4, a thin portion having a thickness d of 20 to 60% of the total thickness D of the copper circuit and the brazing material is provided in the range of 0.3 mm to 2.0 mm from the end of the semiconductor mounting area of the copper circuit.
  • Patent Document 4 describes that if a thin portion is provided in a range exceeding 2.0 mm from the end of the semiconductor mounting region, a crack is generated in the thermal shock test.
  • the present invention is to cope with such a problem, and to provide a ceramic metal circuit board and a semiconductor device which are excellent in adhesiveness with a mold resin.
  • the ceramic metal circuit board according to the embodiment is a ceramic metal circuit board in which a plurality of metal circuit boards are bonded to at least one surface of the ceramic board. At least one of the metal circuit boards having an area of 100 mm 2 or more is a surface 1. It has a recess having a depth of 0.02 mm or more in a range of ⁇ 70%.
  • Sectional drawing which shows an example of the semiconductor device concerning embodiment. Sectional drawing which shows another example of the semiconductor device concerning embodiment.
  • the top view which shows another example of the metal circuit board which has a recessed part.
  • the top view which shows another example of the ceramic metal circuit board concerning embodiment.
  • the ceramic metal circuit board according to the embodiment is a ceramic metal circuit board in which a plurality of metal circuit boards are bonded to at least one surface of the ceramic board. At least one of the metal circuit boards having an area of 100 mm 2 or more is a surface 1. In the range of ⁇ 70%, there is a recess having a depth of 0.02 mm or more, and the recess is formed 3 mm or more inside from the end of the metal circuit board. Even if the recess is formed only 3 mm or more inside from the end of the main surface of the metal circuit board, both the inside of the main surface of the metal circuit board is 3 mm or more from the end and less than 3 mm from the end. It may be formed. FIG.
  • FIG. 1 shows an example of a ceramic metal circuit board according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a top view of a metal circuit board having a recess as seen from above.
  • 1 is a ceramic metal circuit board
  • 2 is a ceramic substrate
  • 3 is a metal circuit board provided with a recess
  • 3-1 is a first metal circuit board provided with a recess
  • 3-2 is provided with a recess.
  • 4 is a metal circuit board (metal circuit board which does not provide the recessed part)
  • 5 is a recessed part.
  • a plurality of metal circuit boards are bonded to at least one surface of the ceramic substrate.
  • the metal circuit board may be provided only on one side of the ceramic substrate or on both sides. Moreover, when a metal circuit board is provided only on one side, the opposite side may join the back metal plate as a heat sink.
  • the metal circuit board is preferably made of any one of copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy.
  • FIG. 2 shows an example of a metal circuit board having a recess.
  • FIG. 2 is a top view of the metal circuit board 3 having a recess.
  • 3 is a metal circuit board having a recess
  • 5 is a recess
  • d is the minimum diameter of the recess
  • p is the shortest distance between the recesses
  • L1 is the length of the long side of the metal circuit board
  • L2 is the short length of the metal circuit board.
  • the length of the side The area of the metal circuit board is obtained by (long side length L1) ⁇ (short side length L2). If the metal plate is other than a rectangle, the area of the surface is obtained.
  • Various shapes such as L-shape, H-shape, S-shape, and circle other than the rectangle can be mentioned.
  • At least one of the metal plates having an area of 100 mm 2 or more is provided with a recess.
  • the metal circuit board provided with the recesses is provided with a recess in the range of 1 to 70% of the surface thereof.
  • the depth of the recess is 0.02 mm or more.
  • the recess is formed 3 mm or more inside from the end of the metal circuit board. That is, the concave portion is provided not only on the end portion of the metal circuit board having an area of 100 mm 2 or more, but also on the inner side.
  • the formation area of a recessed part shall be counted on the surface of one metal circuit board.
  • the recessed part should just be provided at least 3 mm or more inside from the edge part.
  • the entire recess may be 3 mm or more inside from the end of the metal plate, or a part thereof may be provided in a range less than 3 mm from the end.
  • the area of the main surface of the metal circuit board on which the semiconductor element or terminal is mounted is usually 100 mm 2 or more, but the thermal influence on the periphery of the semiconductor element or terminal increases as the operating temperature increases.
  • the mold resin near the periphery of the semiconductor element or terminal tends to be peeled off. Since at least a part of the recess is formed 3 mm or more inside from the end, peeling of the mold resin in the vicinity of the periphery of the semiconductor element and the terminal is suppressed. Therefore, peeling of the mold resin is suppressed through the entire metal circuit board. be able to.
  • the formation area of the recess is less than 1%, the anchor effect with the mold resin is insufficient. In addition, if the formation area of the recess exceeds 70%, the area for mounting the semiconductor element is insufficient.
  • the region where the recess is provided needs to be in the range of 3 to 70% of the metal circuit board having an area of 100 mm 2 or more. Further, it is preferable that the area where the recess is provided is in the range of 30 to 70% of the surface of one metal circuit board. Further, it is preferable that after mounting the semiconductor element or the terminal, a recess is provided in a range of 30 to 95% of the semiconductor element non-mounting area excluding the semiconductor element mounting portion and the terminal mounting portion. Therefore, in the ceramic metal circuit board before mounting the semiconductor element and the terminal, 30 to 95% of the non-mounting area excluding the semiconductor element mounting area and the terminal mounting area on the main surface of the metal circuit board.
  • FIG. 9 is a top view showing another example of a metal circuit board having a recess.
  • 3 is a metal circuit board provided with a recess
  • 5 is a recess
  • 10 is a semiconductor element mounting portion
  • 11 is a terminal mounting portion.
  • the areas of the semiconductor element mounting portion 10 and the terminal mounting portion 11 can be obtained by observing a semiconductor device on which a semiconductor element or the like is mounted. The obtained area is defined as the area of the semiconductor element mounting part region and the terminal mounting part region.
  • a solder layer or brazing material layer
  • the protruding solder layer is included in the semiconductor element mounting portion 11.
  • the solder layer protrudes from the terminal, it is included in the terminal mounting portion 11. This is because if the concave portion is filled with a solder layer, it becomes impossible to improve the adhesion to a resin mold described later. Further, since the concave portion is provided in the metal circuit board having an area of 100 mm 2 or more, a sufficient area for mounting the semiconductor element or the terminal can be secured. In addition, a very small metal circuit board or an elongated metal circuit board cannot secure an area for mounting a semiconductor element. In other words, it is suitable for a ceramic metal circuit board provided with a metal circuit board having an area of 100 mm 2 or more.
  • a method for obtaining the area ratio of the recesses using a design drawing is effective.
  • a top view photograph is measured with an optical microscope.
  • a method for obtaining the area ratio of the recesses from the upper surface photograph is effective.
  • a method using X-rays and a method of measuring after removing the resin are effective.
  • a method using X-rays includes X-ray CT observation. The area ratio of the recesses can be obtained using an X-ray CT observation image.
  • the depth of a recessed part can also be measured by using a 3D image.
  • the method for removing the resin include laser processing, chemical processing, and grinding processing.
  • the laser treatment is a method of melting and removing a resin with a laser. It is also called laser opening.
  • the chemical treatment is a method of dissolving a resin with a chemical solution.
  • the grinding process is a method of scraping off the resin. A method of performing laser treatment or chemical treatment after grinding a certain amount is also effective. After removing the resin, it is effective to obtain the area ratio of the recesses by observing with an optical microscope.
  • the depth of the recess is 0.02 mm or more. If the depth of the recess is less than 0.02 mm, the anchor effect with the mold resin is insufficient.
  • the depth of the recess is preferably in the range of 10 to 90% of the thickness of the metal circuit board. Further, a part of the recess may be a penetration type. That is, both the through-type recess and the non-through-type recess may be provided on the metal circuit board.
  • the average minimum diameter d (mm) when the recess is viewed from above when the recess is circular, or the average minimum groove width W when the recess is viewed from above when the recess is a continuous groove. (mm) is preferably in the range of 0.5 to 2 mm.
  • the top view of the recessed part was illustrated in FIG. 3a and 3b.
  • FIG. 3A shows a circular shape
  • FIG. 3B shows a rectangular shape.
  • the shape of the recess is not limited to this, and various shapes such as an ellipse, a rectangle, a polygon, a star, and a wave shape can be applied.
  • the shortest diagonal line is the minimum diameter d
  • the minimum groove width W is also expressed by d.
  • the measuring method of the average minimum diameter d or the average minimum groove width W includes photographing the metal circuit board having the recesses from above with an optical microscope. The minimum diameter d of each concave portion is measured in one metal circuit board. By rounding off the second digit of the decimal point, the minimum diameter d of the concave portion is obtained. The minimum diameter d of all the recesses in one metal circuit board is measured. Among the individual minimum diameters d, the average minimum diameter d is obtained by averaging the values excluding the minimum value and the maximum value. The average minimum groove width W is determined by the same method.
  • the average minimum diameter d (or average minimum width W) is less than 0.5 mm, the entrance of the recess is too small and the mold resin may not enter sufficiently. Further, if the average minimum diameter d (or the average minimum width W) is larger than 2 mm, the mold resin may be easily removed. Therefore, in order to obtain an anchor effect with the mold resin, it is preferable that the average minimum diameter d (or average minimum width W) of the recess is in the range of 0.5 to 2 mm. Within this range, the minimum diameter d (or minimum width W) of the individual recesses may be the same or different. Also, the shapes may be unified or a combination of different shapes. All the minimum diameters d are preferably in the range of 0.5 to 2 mm.
  • all the minimum widths w are preferably in the range of 0.5-2 mm.
  • the average shortest distance p between the recesses is preferably d / 2 (mm) or more.
  • the shortest distance p between the recesses indicates the closest distance among the recesses around the recess.
  • the shortest distance p between the recesses is also called the pitch of the recesses. If the average shortest distance p is smaller than d / 2, the strength between the pitches of the recesses may be insufficient. For example, when the metal circuit board becomes thicker than 0.3 mm, further 0.8 mm or more, if the strength between the pitches is insufficient, the adhesiveness with the mold resin may be lowered.
  • the average shortest distance p between the recesses is preferably W / 2 (mm) or more with respect to the minimum width W. Further, it is preferable that the shortest distance p between the recesses satisfies d / 2 (mm) or more or W / 2 (mm) or more.
  • a method for measuring the average shortest distance p will be described. A metal circuit board having a recess is photographed from above with an optical microscope. The shortest distance p between the recesses is measured in one metal circuit board. By rounding off the second digit of the decimal point, the shortest distance p of the concave portion is obtained. The shortest distance p of all the recesses in one metal circuit board is measured. Among the individual shortest distances p, the values excluding the minimum value and the maximum value are averaged to obtain an average shortest distance p.
  • the cross-sectional shape of a recessed part is 1 type chosen from U character, V character, a rectangle, and a circle.
  • An example of the recess is shown in FIGS. 4a to 4f.
  • C) of FIG. 4a is a thing with a rectangular cross-sectional shape.
  • D) of FIG. 4b has a V-shaped cross section.
  • FIG. 4C (e) shows a U-shaped cross section.
  • FIG. 4D (f) shows a circular cross-sectional shape.
  • FIG. 4e (g) shows a triangular cross-sectional shape.
  • H) of FIG. 4f is the shape where the convex part 22 is made in the edge part (entrance periphery) of the recessed part 5.
  • the circular shape in FIG. 4d (f) or the triangular shape in FIG. 4e (g) tends to improve the adhesive strength with the mold resin.
  • the circular or triangular recess is wider in the interior than the entrance of the recess. With such a structure, it is difficult to remove the mold resin after it has solidified.
  • Other rectangles, V-shapes, and U-shapes are structures that can easily form recesses. For this reason, rectangular, V-shaped and U-shaped are preferable in consideration of mass productivity.
  • the cross-sectional shape of the recess may be unified within one metal circuit board or may be different. Moreover, as shown to (h) of FIG.
  • the shape where the convex part 22 is made in the opening edge periphery which is an edge part of the recessed part 5 may be sufficient. If the convex part 22 is formed in the edge part of the recessed part 5, it can prevent that mold resin slip
  • the concave portion having a convex portion at the periphery of the opening end can be formed, for example, by performing laser processing on the metal circuit board.
  • the cross-sectional shape of the recess is not limited to that shown in FIGS. 4a to 4f. Other than this, a thread groove shape and the like can be mentioned. Further, the shape of the recess may be a groove shape.
  • FIG. 5 shows an example of a metal circuit board having a groove-shaped recess.
  • 3 is a metal circuit board having a recess
  • 5 is a recess
  • w is the minimum width of the recess
  • p is the shortest distance between the recesses.
  • the top view of the recess has a rectangular shape.
  • the groove-shaped recess is not limited to a rectangle, but may be a curved shape such as an S-shape or an M-shape.
  • the cross-sectional shape shown in FIGS. 4a to 4f can be applied.
  • the concave portion may have a continuous groove shape.
  • FIG. 6 illustrates a top view of a metal circuit board having continuous groove-shaped recesses.
  • 3 is a metal circuit board having a recess
  • 5 is a recess
  • w is the minimum width of the recess
  • p is the shortest distance between the recesses.
  • the groove-shaped recessed part which followed the square shape is shown.
  • the continuous groove shape indicates a shape in which the concave portions are connected.
  • the continuous groove shape is not limited to a rectangular shape, and various shapes such as a polygon, a circle, and an ellipse can be used. Further, it can be combined with the shapes shown in FIGS. 3a to 3b and FIGS. 4a to 4f.
  • the recessed part 5 has at least one place where 2 or more or 2 or more rows are arrange
  • the modular resin can be prevented from shifting.
  • the metal circuit board having the above arrangement include FIGS. 1, 2, 5, 9, and 10.
  • FIG. 1 and 10 it is preferable that there are three or more portions or three or more portions.
  • the center of the metal circuit board having the recess is the intersection of two diagonal lines of the circumscribed rectangle of the target metal circuit board.
  • the thickness of a metal circuit board is 0.3 mm or more.
  • the thickness of the metal circuit board is preferably 0.8 mm or more.
  • the heat dissipation of the ceramic metal circuit board can be improved. It is effective as a ceramic metal circuit board on which a semiconductor element having a high operating temperature is mounted.
  • the surface size of the ceramic substrate is preferably 12 cm 2 or more.
  • the surface size of the ceramic substrate is obtained as long side ⁇ short side when the ceramic substrate is rectangular. Further, when the ceramic substrate is not rectangular, it is determined by the area of the surface to which the metal circuit board is joined. Further, when a screw hole is provided in the ceramic substrate, the surface size is not counted.
  • the surface size of the ceramic substrate is 12 cm 2 or more (1200 mm 2 or more), a structure in which a plurality of metal circuit boards can be easily provided. Moreover, it becomes easy to provide two or more metal circuit boards having an area of 100 mm 2 or more. Further, by providing two or more metal circuit boards provided with recesses, the adhesion to the mold resin can be further strengthened.
  • the upper limit of the surface size of a ceramic substrate is not specifically limited, 100 cm ⁇ 2 > or less is preferable. If it exceeds 100 cm 2 , resin molding may be difficult.
  • the surface size of the ceramic substrate is preferably 12 to 100 cm 2 , more preferably 20 to 50 cm 2 .
  • the ceramic substrate 2 may be a single plate or may have a three-dimensional structure such as a multilayer structure.
  • the ceramic substrate is preferably a silicon nitride substrate.
  • any of an aluminum nitride substrate, an alumina substrate, an Arzil substrate, and a silicon nitride substrate can be applied.
  • Ordinary aluminum nitride substrates and alumina substrates have a three-point bending strength of about 300 to 450 MPa.
  • the Alzil substrate is a sintered body in which aluminum oxide and zirconium oxide are mixed. The strength of the Alzil substrate is also around 550 MPa. If the substrate thickness is as thin as 0.4 mm or less at a strength of 550 MPa or less, the possibility of the substrate breaking during molding increases, and the TCT (thermal cycle) characteristics as a semiconductor device deteriorate.
  • the durability decreases when the high temperature side of the TCT test is increased to 175 ° C. or higher.
  • the silicon nitride substrate can have a high strength such as a three-point bending strength of 600 MPa or more, and further 700 MPa or more.
  • the thermal conductivity is 50 W / m ⁇ K or more, and further 80 W / m ⁇ K or more.
  • a silicon nitride substrate is preferable when the substrate size is increased to 12 cm 2 or more, more preferably 20 cm 2 or more.
  • the three-point bending strength is measured by a laser flash method according to JIS-R-1601 and the thermal conductivity according to JIS-R-1611.
  • the bonding method between the ceramic substrate and the metal circuit board is not particularly limited, such as an active metal method and a direct bonding method.
  • a structure in which the back metal plate 8 is provided on the back surface of the surface of the ceramic substrate 2 on which the metal circuit plate 3 is provided may be employed.
  • the back metal plate 8 can be used as a heat sink or a circuit board.
  • FIG. 8 This is effective when the back surface (the surface provided with the back metal plate 8) is resin-molded. Further, as will be described later, a grease layer is used when the mounting substrate 9 and the back metal plate 8 are joined. By providing the recess in the back metal plate 8, the adhesion with the grease layer can be improved. Moreover, you may provide a recessed part in at least one part of the location where the metal circuit board is not provided among the surfaces (both main surfaces) of a ceramic substrate. In addition, when providing a back metal plate, you may provide a recessed part in at least one part of the surface in which the back metal plate is not provided among the surfaces (both main surfaces) of a ceramic substrate.
  • FIG. 10 shows an example in which a concave portion is provided in a ceramic substrate.
  • 1 is a ceramic metal circuit board
  • 2 is a ceramic substrate
  • 3 is a metal circuit board provided with a recess
  • 4 is a metal circuit board without a recess
  • 5 is a recess
  • 12 is a recess provided on the ceramic substrate. is there.
  • the first metal circuit board 3-1 and the second metal circuit board 3-2 are provided on one main surface of the ceramic substrate 2.
  • the first metal circuit board 3-1 has recesses arranged in two rows from the center toward the outside.
  • the second metal circuit board 3-2 has recesses arranged in three rows from the center toward the outside.
  • FIG. 10 illustrates the surface provided with the metal circuit board.
  • the recess 12 is formed at the end of the ceramic substrate 2 in a portion where the metal circuit board (the metal circuit board 3 provided with a recess and the metal circuit board 4 provided with no recess) is not provided.
  • the recess 12 is preferably a non-penetrating recess so as to avoid a decrease in the insulating properties of the ceramic substrate 2 due to the recess.
  • the minimum diameter d or minimum width W of the recess is preferably in the range of 0.5 to 2 mm.
  • the ceramic metal circuit board as described above is suitable for a semiconductor device on which a semiconductor element is mounted.
  • the semiconductor element is preferably mounted on a metal circuit board provided with a recess.
  • FIG. 7 shows an example of a resin-molded semiconductor device.
  • 2 is a ceramic substrate
  • 3 is a metal circuit board provided with a recess
  • 6 is a semiconductor element
  • 7 is a mold resin
  • 8 is a metal plate
  • 9 is a mounting substrate
  • 20 is a semiconductor device.
  • two metal circuit boards provided with recesses are joined.
  • the semiconductor device according to the embodiment is not limited to such a structure, and one or more semiconductor elements can be mounted on a metal circuit board provided with a recess.
  • the metal circuit board provided with the recess is a large metal board having an area of 100 mm 2 or more. For this reason, two or more semiconductor elements can be mounted.
  • the semiconductor element becomes a heat source.
  • the resin molding is performed, the resin is easily peeled off near the semiconductor element due to thermal stress. For this reason, it becomes difficult to remove the mold resin by providing the recess. This is particularly effective when the operating temperature of the semiconductor element is 170 ° C. or higher.
  • the operating temperature is a so-called junction temperature.
  • the semiconductor device illustrated in FIG. 7 does not include a case.
  • the present invention is not limited to such a semiconductor device, and a semiconductor device including a case is also included in this embodiment. An example of this is shown in FIG.
  • a plurality of metal circuit boards 3 provided with recesses are provided at intervals.
  • a semiconductor element 6 is mounted on each main surface of the metal circuit board 3.
  • the number of elements to be mounted may be different for each metal circuit board 3.
  • a metal plate 8 is provided on the other main surface of the ceramic substrate 2.
  • the metal plate 8 of the ceramic substrate 2 having such a structure is bonded to the mounting substrate 9.
  • the case 21 has a dome shape, and its open end is bonded to the surface of the mounting substrate 9.
  • the mold resin 7 is filled in a space surrounded by the mounting substrate 9 and the case 21.
  • the mold resin 7 is formed by, for example, a molding method using potting gel.
  • the case 21 also serves as a mold.
  • the case 21 may have a lid and a side wall that are separated.
  • the surface size of the ceramic substrate is increased to 12 cm 2 or more, and further to 20 cm 2 or more. For this reason, many semiconductor elements can be mounted. Since peeling of the mold resin is suppressed, the reliability of a semiconductor device on which a large number of semiconductor elements are mounted can be improved.
  • a ceramic substrate is prepared.
  • various substrates such as a silicon nitride substrate, an aluminum nitride substrate, an alumina substrate, and an argyl substrate can be applied.
  • the ceramic substrate preferably has a thickness of 1 mm or less. When the three-point bending strength is 600 MPa or more, the thickness is preferably 0.4 mm or less.
  • An example of the substrate having high strength is a silicon nitride substrate.
  • the silicon nitride substrate preferably has a three-point bending strength of 600 MPa or more and a thermal conductivity of 50 W / m ⁇ K or more.
  • the process of providing a recessed part in a ceramic substrate shall be performed as needed. Examples of the step of providing the concave portion in the ceramic substrate include shot blasting, laser processing, and drilling. Moreover, after joining a metal plate, the process of providing a recessed part in a ceramic substrate shall be performed.
  • a metal circuit board is joined. Examples of the metal circuit board include a copper plate, a copper alloy plate, an aluminum plate, and an aluminum alloy plate. The thickness of the metal circuit board is preferably 0.3 mm or more, more preferably 0.8 mm or more.
  • the bonding method examples include an active metal bonding method and a direct bonding method.
  • the active metal bonding method uses a bonding brazing material containing one or more selected from Ti, Zr, Hf, and Si.
  • the active metal bonding method can be applied to both oxide-based ceramic substrates and nitride-based ceramic substrates.
  • the brazing material containing silver (Ag) and copper (Cu) is preferable.
  • indium (In) or tin (Sn) is added as necessary.
  • Such a joining brazing material is suitable for joining copper plates.
  • the brazing material containing aluminum (Al) is preferable.
  • Such a joining brazing material is suitable for joining Al plates.
  • the direct joining method is a method of joining without using a joining brazing material. This is a method suitable for joining a copper plate and an oxide-based ceramic substrate. Since no joining brazing material is used, the cost can be reduced.
  • the metal circuit board to be joined may be a pattern shape in advance or a solid board. Moreover, when a solid board is joined, it shall be made into a pattern shape by an etching process. Moreover, a back metal plate shall be joined as needed.
  • the metal plate becomes as thick as 0.3 mm or more, further 0.8 mm or more, the side surface of the metal plate may be etched so as to have an inclined structure. When the side surface of the metal plate has an inclined structure, the thermal stress at the joint end portion between the metal plate and the ceramic substrate can be relaxed, so that the TCT characteristics are improved.
  • the step of providing the concave portion includes any one of laser processing, drill processing, honing processing, and etching processing.
  • laser processing laser processing is performed on a portion where a concave portion is to be provided.
  • the minimum diameter and depth of the recess can be adjusted.
  • the minimum diameter of the recess can be adjusted by adjusting the diameter of the drill.
  • various things, such as a thread groove shape and a needle shape are mentioned as a shape of a drill.
  • the depth of the recess can be adjusted by the depth at which the drill is inserted.
  • a honing process attaches a mask to the location which does not provide a recessed part. The honing process is performed on the part where the mask is not attached. The honing process is effective for forming an object having a small recess depth.
  • an etching resist is provided at a location where no recess is provided. The portion where the resist is not provided is etched. The minimum diameter of the recess can be controlled by the application shape of the etching resist. Further, the recess depth can be adjusted by controlling the etching time.
  • the etching process can form the recessed part 5 with a circular cross section as shown in FIG. Etching that is not a through hole is called half-etching.
  • the location where the concave portion is provided shall be in the range of 1 to 70% of the surface of the metal circuit board having an area of 100 mm 2 or more.
  • the depth of the recess is 0.02 mm or more.
  • the area where the concave portion is provided is within a range of 30 to 95% in one metal circuit board surface, excluding the semiconductor element mounting portion region and the terminal mounting portion region.
  • the mask or the etching resist is removed after the recess is formed.
  • a step of mounting a semiconductor element is performed.
  • the semiconductor element is provided on a metal circuit board provided with a recess.
  • the semiconductor element is mounted through a bonding layer such as solder or brazing material.
  • Two or more semiconductor elements may be provided on the metal circuit board provided with the recesses. When two or more semiconductor elements are provided, they may be the same element or different elements.
  • a step of conducting the semiconductor element is performed. Wire bonding and lead frames shall be provided.
  • a semiconductor device (a ceramic circuit board on which a semiconductor element is mounted) is mounted on a mounting board. Examples of the mounting process of the semiconductor device on the mounting substrate include soldering, an adhesive, and screwing.
  • a resin molding process is performed.
  • the resin used in the molding process include an epoxy resin.
  • various methods such as a transfer system and a compression system, are applied to the molding process.
  • the transfer mold is a method in which a resin is softened by heating in a plunger, and the softened resin is poured into a mold and cured. Since the softened resin is used, it is easy to fill the resin into the gaps of the semiconductor device having a complicated shape. In particular, it is easy to fill the resin into the concave portion of the metal circuit board. Further, since the molding resin is solidified at a time, it is excellent in mass productivity and productivity.
  • the potting process may use the module case as it is. Note that the order of mounting the semiconductor device to the mounting substrate and the resin molding step may be reversed.
  • Example 1 Examples 1 to 13, Comparative Examples 1 and 2
  • the ceramic substrate shown in Table 1 was prepared.
  • the metal plate was joined to the ceramic substrate shown in Table 1 using the active metal method.
  • the metal plate was a copper plate, it was joined using an Ag—Cu—Sn—Ti brazing material.
  • the metal circuit board is an Al board, bonding was performed using an Al—Si brazing material.
  • the surface metal plate was etched to form a circuit pattern shown in Table 2. A ceramic metal circuit board was formed by this process. The results are shown in Table 2.
  • the concave portions shown in Table 3 were provided on the surface metal plates of the ceramic metal circuit boards 1 to 6.
  • the recesses were unified to those shown in Table 3. Examples provided with recesses were used as examples, and those provided with no recesses were used as comparative examples.
  • the rectangular concave section was formed by laser processing.
  • the thing with a circular cross-sectional shape of a recessed part was performed by the etching process.
  • the ceramic metal circuit board concerning an Example provided the recessed part in the location which entered 3 mm or more inside from the edge part of a metal plate with an area of 100 cm ⁇ 2 > or more.
  • the ceramic metal circuit boards according to Comparative Examples 1 to 6 do not have a recess.
  • the ceramic metal circuit board concerning the comparative example 7 provided the recessed part only in the location of 1 m from the edge part of the metal plate of an area of 100 cm ⁇ 2 > or more. The results are shown in Table 3.
  • Examples 9 to 11 were formed with recesses having the groove shapes shown in Table 4.
  • the recess has a rectangular top surface shape.
  • two continuous grooves (square shape) are provided.
  • the concave portions were unified to those shown in Table 4.
  • the two semiconductor elements were mounted on the metal circuit board provided with the recesses on the ceramic metal circuit boards according to the example and the comparative example. Next, wire bonding was performed. Thereafter, resin molding was performed by a transfer molding method. Thereby, the semiconductor device concerning an Example and a comparative example was formed. Further, in the semiconductor device according to the example, the metal circuit board provided with the concave portions was obtained by forming the concave area in the semiconductor element non-mounting region excluding the semiconductor element mounting portion and the terminal mounting portion. The results are shown in Table 5.
  • the resin adhesion strength and the TCT test were performed on the ceramic metal circuit boards according to Examples and Comparative Examples.
  • the resin adhesion strength the joint strength of the mold resin on the metal circuit board provided with the recesses was measured by a shear test.
  • the TCT test thermal cycle test
  • the presence or absence of peeling of the mold resin was measured.
  • the peeling of the mold resin the peeling area ratio between the resin and the surface metal plate (metal circuit plate provided with a recess) was evaluated by ultrasonic flaw detection (SAT).
  • Peeling area ratio (%) (area where resin was peeled / area of metal circuit board provided with recesses) ⁇ 100.
  • the results are shown in Table 6.
  • Example 13 a ceramic substrate of the ceramic metal circuit board of Example 8 provided with a non-penetrating recess was prepared.
  • Concave portions provided on the ceramic substrate have a uniform diameter d of 1 mm.
  • the concave portion of the ceramic substrate was set to 30% of the area of the portion excluding the region where the metal plate was joined. It was provided outside the ceramic substrate.

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Abstract

セラミックス基板の少なくとも一方の面に複数の金属回路板が接合されたセラミックス金属回路基板において、面積が１００ｍｍ２以上の金属回路板の少なくとも１つは表面の１～７０％の範囲に、深さ０．０２ｍｍ以上の凹部を有し、前記凹部は前記金属回路板の端部から３ｍｍ以上内側に形成されていることを特徴とする。また、凹部が設けられた面積が一つの金属回路板表面の３～７０％であることが好ましい。

Description

セラミックス金属回路基板およびそれを用いた半導体装置
　後述する実施形態は、セラミックス金属回路基板およびそれを用いた半導体装置に関する。
　半導体素子は、ＩＧＢＴなどに代表されるパワー素子がある。パワー素子は年々高性能化されている。また、半導体素子の高性能化に伴い動作補償温度（ジャンクション温度）が高温化されていっている。また、半導体素子を実装するセラミックス金属回路基板も、動作補償温度の上昇に対応するために、耐熱サイクル特性（ＴＣＴ特性）の優れたセラミックス金属回路基板が開発されている。例えば、国際公開ＷＯ２０１３／０９４２１３号公報（特許文献１）では、銅回路板の側面形状を最適化することにより、ＴＣＴ特性を向上させている。特許文献１では、これにより動作温度が１７０℃以上となる半導体素子を搭載したとしても、信頼性を向上させている。
　また、セラミックス金属回路基板に半導体素子を実装した半導体装置は樹脂モールドされることが多い。樹脂モールドすることにより、生産性の向上、および導通不良防止や劣化防止を行うことができる。例えば、特開２００２－８３９１７号公報（特許文献２）には、リードフレームの表面に凹部をつけてモールド樹脂とのアンカー効果を得ている。
国際公開第２０１３／０９４２１３号公報 特開２００２－８３９１７号公報 特開平８－２５０８２３号公報 特開２０１２－１１９５１９号公報
　特許文献２では、リードフレームに微細な凹部を設けている。微細な凹部により、樹脂モールドとの密着性を向上させている。例えば、特許文献２の図６ではリードフレーム上に半導体素子を実装している。特許文献２の半導体装置はセラミックス基板を使用していない。セラミックス基板を使わないものでは、半導体素子の動作温度が高くなったときに耐久性が不十分であった。また、半導体素子の動作温度の上昇に伴う金属回路板の熱膨張が大きくなり、微細な凹部ではモールド樹脂との密着性が不十分となっていた。
　一方、特許文献３は、セラミックス基板と、セラミックス基板の少なくとも表面に接合された金属板とを具備するセラミックス回路基板であって、金属板のセラミックス基板との接合面と反対面側の外周縁部内側に、複数の孔を形成することを開示している。特許文献３において、金属板の外周縁部内側に複数の孔を設けているのは、金属板の外周端部への応力を緩和するためである。
　特許文献４は、銅回路の半導体搭載領域端部から０．３ｍｍ～２．０ｍｍの範囲に、銅回路とろう材の合計厚さＤに対し２０～６０％の厚さｄの薄肉部分を設けることにより、熱衝撃によるはんだ層やセラミックス基板に発生するクラックの発生を抑制することを開示している。また、特許文献４には、半導体搭載領域端部から２．０ｍｍを超える範囲に薄肉部分を設けると、熱衝撃試験においてクラックが発生することが記載されている。
　本発明は、このような課題に対応するためのものであり、モールド樹脂との密着性に優れたセラミックス金属回路基板及び半導体装置を提供するためのものである。
　実施形態にかかるセラミックス金属回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に複数の金属回路板が接合されたセラミックス金属回路基板において、面積が１００ｍｍ２以上の金属回路板の少なくとも１つは表面の１～７０％の範囲に、深さ０．０２ｍｍ以上の凹部を有していることを特徴とするものである。
実施形態にかかるセラミックス金属回路基板の一例を示す上面図。 凹部を有する金属回路板の一例を示す上面図。 凹部の一例を示す上面図。 凹部の別の一例を示す上面図。 凹部の一例を示す断面図。 凹部の別の一例を示す断面図。 凹部のさらに別の一例を示す断面図。 凹部のさらに別の一例を示す断面図。 凹部のさらに別の一例を示す断面図。 凹部のさらに別の一例を示す断面図。 凹部を有する金属回路板の別の一例を示す上面図。 凹部を有する金属回路板のさらに別の一例を示す上面図。 実施形態にかかる半導体装置の一例を示す断面図。 実施形態にかかる半導体装置の別の一例を示す断面図。 凹部を有する金属回路板の他の一例を示す上面図。 実施形態にかかるセラミックス金属回路基板の別の一例を示す上面図。
　実施形態にかかるセラミックス金属回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に複数の金属回路板が接合されたセラミックス金属回路基板において、面積が１００ｍｍ２以上の金属回路板の少なくとも１つは表面の１～７０％の範囲に、深さ０．０２ｍｍ以上の凹部を有し、前記凹部は前記金属回路板の端部から３ｍｍ以上内側にも形成されていることを特徴とするものである。凹部は、金属回路板の主面における端部から３ｍｍ以上内側にのみ形成されていても、金属回路板の主面における端部から３ｍｍ以上内側と、端部から３ｍｍ未満の部分との双方に形成されていても良い。
　図１に実施形態にかかるセラミックス金属回路基板の一例を示した。図１は凹部を有する金属回路板を上からみた上面図である。また、図中、１はセラミックス金属回路基板、２はセラミックス基板、３は凹部を設けた金属回路板、３－１は凹部を設けた第１の金属回路板、３－２は凹部を設けた第２の金属回路板、４は金属回路板（凹部を設けていない金属回路板）、５は凹部、である。
　まず、セラミックス基板の少なくとも一方の面に複数の金属回路板が接合されている。金属回路板はセラミックス基板の片面のみに設けても良いし、両面に設けても良い。また、金属回路板を片面のみに設けた場合は、その反対側は放熱板としての裏金属板を接合してもよいものとする。また、金属回路板は銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれか１種からなることが好ましい。
　複数の金属回路板の中で、少なくとも１つは面積１００ｍｍ２以上の金属板である。図２に凹部を有する金属回路板の一例を示した。図２は凹部を有する金属回路板３の上面図である。図中、３は凹部を有する金属回路板、５は凹部、ｄは凹部の最小径、ｐは凹部同士の最短距離、Ｌ１は金属回路板の長辺の長さ、Ｌ２は金属回路板の短辺の長さ、である。
　金属回路板の面積は、（長辺の長さＬ１）×（短辺の長さＬ２）で求められる。金属板が長方形以外の場合は、その表面の面積を求めるものとする。長方形以外のＬ字、Ｈ字、Ｓ字、円形など様々な形状が挙げられる。
　また、面積１００ｍｍ２以上の金属板の中で少なくとも１つは凹部が設けられている。凹部が設けられている金属回路板は、その表面の１～７０％の範囲に凹部が設けられている。また凹部の深さ０．０２ｍｍ以上となっている。また、凹部は金属回路板の端部から３ｍｍ以上内側にも形成されているものとする。つまり、面積１００ｍｍ２以上の金属回路板の端部だけでなく、内側にも凹部を設けているのである。金属回路板の面積が１００ｍｍ２以上と大きな回路板に、このような凹部を設けることにより、モールド樹脂とのアンカー効果が向上する。このため、半導体素子の動作温度が高くなってもモールド樹脂がはがれるといった不具合を低減できる。また、凹部の形成面積は、１枚の金属回路板の表面でカウントするものとする。また、凹部は、少なくとも一部が端部から３ｍｍ以上内側に設けられていれば良い。言い換えると、凹部の全部が金属板の端部から３ｍｍ以上内側であっても良いし、その一部が端部から３ｍｍ未満の範囲に設けられても良い。半導体素子または端子が搭載される金属回路板の主面の面積は、通常、１００ｍｍ２以上あるが、動作温度の高温化に伴い、半導体素子または端子の周縁が受ける熱影響が増加している。そのため、半導体素子または端子の周縁付近のモールド樹脂が剥がれやすい傾向がある。凹部の少なくとも一部が端部から３ｍｍ以上内側に形成されていることにより、半導体素子及び端子の周縁付近におけるモールド樹脂の剥がれが抑制されるため、金属回路板全体を通してモールド樹脂の剥がれを抑制することができる。
　凹部の形成面積が１％未満であると、モールド樹脂とのアンカー効果が不十分である。また、凹部の形成面積が７０％を超えて大きいと半導体素子を実装する領域が不足する。このため、凹部を設ける領域は面積１００ｍｍ２以上の金属回路板の３～７０％の範囲である必要がある。また、凹部が設けられた面積が一つの金属回路板表面の３０～７０％の範囲内であることが好ましい。さらには、半導体素子または端子を搭載した後に、半導体素子実装部および端子実装部を除いた半導体素子非搭載領域の３０～９５％の範囲に凹部を設けた構造となることが好ましい。従って、半導体素子及び端子を搭載する前のセラミックス金属回路基板においては、金属回路板の主面のうちの半導体素子実装部用領域および端子実装部用領域を除いた非搭載領域の３０～９５％の範囲に凹部を設けた構造となることが好ましい。
　図９は、凹部を有する金属回路板の他の一例を示す上面図である。図中、３は凹部を設けた金属回路板、５は凹部、１０は半導体素子実装部、１１は端子実装部、である。
　半導体素子実装部１０および端子実装部１１の面積は、半導体素子等を実装した半導体装置を観察することにより、求めることができる。得られた面積を半導体素子実装部用領域および端子実装部用領域の面積とする。また、半導体素子を実装するためのはんだ層（またはろう材層）がはみ出た場合は、はみ出たはんだ層は半導体素子実装部１１に含めるものとする。同様に端子についても、はんだ層がはみ出た場合は、端子実装部１１に含めるものとする。凹部をはんだ層で埋めてしまうと、後述する樹脂モールドとの密着性を向上させることができなくなるためである。
　また、面積１００ｍｍ２以上の金属回路板に凹部を設けているため、半導体素子または端子を実装する面積を十分に確保できる。また、あまり小さな金属回路板や細長い金属回路板では半導体素子を実装する面積を確保することができない。言い換えれば、面積１００ｍｍ２以上の金属回路板を設けたセラミックス金属回路基板に好適である。
　また、半導体素子及び端子を実装前のセラミックス金属回路基板では、設計図を用いて凹部の面積率を求める方法が有効である。
　また、半導体素子または端子を実装後のセラミックス金属回路基板、及びこの金属回路基板を含む半導体装置では、光学顕微鏡で上面写真を測定する。上面写真から凹部の面積率を求める方法が有効である。
　また、樹脂モールドした半導体装置では、Ｘ線を用いた方法、樹脂を除去して測定する方法が有効である。Ｘ線を用いた方法はＸ線ＣＴ観察が挙げられる。Ｘ線ＣＴ観察の画像を用いて凹部の面積率を求めることができる。また、３Ｄ画像を用いることにより、凹部の深さも併せて測定することができる。
　また、樹脂を除去する方法は、レーザ処理、薬液処理、研削処理が挙げられる。レーザ処理は、レーザで樹脂を溶かして除去する方法である。レーザ開封とも呼ばれている。薬液処理は、薬液により樹脂を溶かす方法である。また、研削処理は、樹脂を削り取る方法である。一定量を研削処理した後、レーザ処理または薬液処理する方法も有効である。樹脂を除去した後は、光学顕微鏡で観察して凹部の面積率を求めることが有効である。
　また、凹部の深さは０．０２ｍｍ以上である。凹部の深さが０．０２ｍｍ未満ではモールド樹脂とのアンカー効果が不十分である。また、凹部の深さは、金属回路板の厚みの１０～９０％の範囲内になることが好ましい。また、凹部の一部は貫通型であってもよい。すなわち、貫通型凹部と非貫通型凹部の双方が金属回路板に設けられていても良い。
　また、凹部形状を円形としたときの凹部を上から見たときの平均最小径ｄ（ｍｍ）、あるいは凹部形状を連続した溝としたときの凹部を上から見たときの平均最小溝幅Ｗ(ｍｍ)は、０．５～２ｍｍの範囲内であることが好ましい。図３ａ及び図３ｂに凹部の上面図を例示した。図３ａの（ａ）は円形、図３ｂの（ｂ）は四角形である。凹部の形状は、このようなものに限られず、楕円、長方形、多角形、星型、波型など様々な形状が適用できる。また、凹部の上面図において、最も短い対角線を最小径ｄとし、最小溝幅Ｗもdで表現することとする。
　また、平均最小径ｄまたは平均最小溝幅Ｗの測定方法は、凹部を有する金属回路板を上から光学顕微鏡で撮影することを含む。一つの金属回路板内で、個々の凹部の最小径ｄを測定する。小数点２桁目を四捨五入することにより、凹部の最小径ｄとする。一つの金属回路板内の全ての凹部の最小径ｄを測定する。個々の最小径ｄの中で、最小値と最大値を除いた値を平均して平均最小径ｄとする。平均最小溝幅Ｗも同様の方法で求めるものとする。
　また、平均最小径ｄ（または平均最小幅Ｗ）が０．５ｍｍ未満では、凹部の入り口が小さすぎて、モールド樹脂が十分入り込まない恐れがある。また、平均最小径ｄ（または平均最小幅Ｗ）が２ｍｍを超えて大きいと、モールド樹脂が抜け易くなる恐れがある。このため、モールド樹脂とのアンカー効果を得るためには凹部の平均最小径ｄ（または平均最小幅Ｗ）が０．５～２ｍｍの範囲内であることが好ましい。また、この範囲であれば、個々の凹部の最小径ｄ（または最小幅Ｗ）は同じであっても良いし、異なっていても良い。また、形状についても、統一されていても良いし、異なる形状の組み合わせであってもよい。また、すべての最小径ｄが０．５～２ｍｍの範囲内であることが好ましい。同様に、すべての最小幅ｗが０．５～２ｍｍの範囲内であることが好ましい。
　また、凹部同士の平均最短距離ｐがｄ／２（ｍｍ）以上であることが好ましい。凹部同士の最短距離ｐとは、一つの凹部に対し、その周囲にある凹部の中で最も近い距離を示す。凹部同士の最短距離ｐは凹部のピッチともいう。平均最短距離ｐがｄ／２より小さいと、凹部同士のピッチ間の強度が不十分となる恐れがある。例えば、金属回路板が０．３ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上と厚くなったときにピッチ間の強度が不足すると返ってモールド樹脂との密着性が低下する恐れがある。また、最小幅Ｗに対しても、凹部同士の平均最短距離ｐがＷ／２（ｍｍ）以上であることが好ましい。また、凹部同士の最短距離ｐはすべてがｄ／２（ｍｍ）以上またはＷ／２（ｍｍ）以上を満たすことが好ましい。
　ここで、平均最短距離ｐの測定方法を説明する。凹部を有する金属回路板を上から光学顕微鏡で撮影する。一つの金属回路板内で、凹部同士の最短距離ｐを測定する。小数点２桁目を四捨五入することにより、凹部の最短距離ｐとする。一つの金属回路板内の全ての凹部の最短距離ｐを測定する。個々の最短距離ｐの中で、最小値と最大値を除いた値を平均して平均最短距離ｐとする。
　また、凹部の断面形状が、Ｕ字、Ｖ字、長方形、円形から選ばれる１種であることが好ましい。図４ａ～図４ｆに凹部の一例を示した。図４ａの（ｃ）は断面形状が長方形のものである。図４ｂの（ｄ）は断面形状がＶ字のものである。図４ｃの（ｅ）は断面形状がＵ字のものである。図４ｄの（ｆ）は断面形状が円形のものである。図４ｅの（ｇ）は断面形状が三角形状のものである。図４ｆの（ｈ）は凹部５の端部（入口周縁）に凸部２２ができている形状である。
　これらの中では図４ｄ（ｆ）の円形または図４ｅ（ｇ）の三角形状がモールド樹脂との接着強度を向上させ易い。円形形状または三角形状の凹部は、凹部の入り口に対して内部の方が広くなっている。このような構造であれば、モールド樹脂が固化した後に抜け難くなる。その他の長方形、Ｖ字、Ｕ字は凹部を形成し易い構造である。そのため、量産性を考慮すると長方形、Ｖ字、Ｕ字の方が好ましい。また、凹部の断面形状は、一つの金属回路板内で統一されていてもよいし、異なっていても良い。また、図４ｆの（ｈ）に示す通り、凹部５の端部である開口端周縁に凸部２２ができている形状であってもよい。凹部５の端部に凸部２２が形成されていると、モールド樹脂がずれることを防ぐことができる。開口端周縁に凸部を有する凹部は、例えば、金属回路板にレーザ加工を施すことにより形成することができる。
　また、凹部の断面形状は、図４ａ～図４ｆに示したものに限定されるものではない。これ以外には、ネジ溝形状などが挙げられる。
　また、凹部の形状は溝形状であってもよい。図５に、溝形状の凹部を有する金属回路板の一例を示した。図中、３は凹部を有する金属回路板、５は凹部、ｗは凹部の最小幅、ｐは凹部同士の最短距離、である。図５では、凹部の上面図が長方形をしている。溝形状の凹部は長方形に限らず、Ｓ字、Ｍ字などの曲線形状であってもよい。また、断面形状は図４ａ～図４ｆに示したものが適用できる。また、凹部は、円形形状と溝形状を組み合わせることも可能である。
　また、凹部は連続した溝形状であってもよい。図６に、連続した溝形状の凹部を有する金属回路板の上面図を例示した。図中、３は凹部を有する金属回路板、５は凹部、ｗは凹部の最小幅、ｐは凹部同士の最短距離、である。図６では、四角形状に連続した溝形状の凹部を示している。このように、連続した溝形状とは、凹部がつながった形状を示している。連続した溝形状は、四角形状に限らず、多角形、円形、楕円など様々な形状を用いることができる。また、前述の図３ａ～図３ｂや図４ａ～図４ｆのような形状のものと組み合わせることも可能である。
　また、凹部５は凹部を有する金属回路板３の中心から外側に向けて２個以上または２列以上配置された箇所が少なくとも１箇所存在することが好ましい。中心（内側）から外側に向かって凹部を設けることにより、モジュールド樹脂がずれることを防ぐことができる。上記配置を有する金属回路板の例として、図１、図２、図５、図９、図１０が挙げられる。例えば図１、図１０に示す通り、３個以上または３列以上になっている箇所があることが好ましい。ここで、凹部を有する金属回路板の中心は、対象となる金属回路板の外接長方形の二本の対角線の交点とする。
　また、金属回路板の厚さが０．３ｍｍ以上であることが好ましい。さらに、金属回路板の厚さは０．８ｍｍ以上であることが好ましい。金属回路板を厚くすることにより、セラミックス金属回路基板の放熱性を向上させることができる。動作温度の高い半導体素子を搭載するセラミックス金属回路基板として有効である。
　また、セラミックス基板の表面サイズが１２ｃｍ２以上であることが好ましい。セラミックス基板の表面サイズとは、セラミックス基板が長方形の場合、長辺×短辺で求められる。また、セラミックス基板が長方形で無い場合は、金属回路板を接合する面の面積で求めるものとする。また、セラミックス基板にネジ止め用の穴が設けられていた場合、表面サイズにカウントしないものとする。
　セラミックス基板の表面サイズが１２ｃｍ２以上（１２００ｍｍ２以上）であると、複数の金属回路板を設け易い構造となる。また、面積１００ｍｍ２以上の金属回路板を２つ以上設けやすくなる。また、凹部を設けた金属回路板を２つ以上設けることにより、モールド樹脂との密着性をより強固にすることができる。
　なお、セラミックス基板の表面サイズの上限は特に限定されるものではないが、１００ｃｍ２以下が好ましい。１００ｃｍ２を超えて大きいと、樹脂モールド加工が困難となる恐れがある。例えば、トランスファーモールド法は、金型内にセラミックス金属回路基板を配置して、樹脂モールドを行う。セラミックス基板があまり大きいと、初期あるいはモールド中の反り量増大等によって金型内への配置が困難となる恐れがある。そのため、セラミックス基板の表面サイズは１２～１００ｃｍ２が好ましく、さらには２０～５０ｃｍ２が好ましい。また、セラミックス基板２は単板であってもよいし、多層構造などの立体構造を有するものであってもよい。
　また、セラミックス基板が窒化珪素基板であることが好ましい。セラミックス基板としては、窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、アルジル基板、窒化珪素基板のいずれも適用できる。
　通常の窒化アルミニウム基板、アルミナ基板は３点曲げ強度が３００～４５０ＭＰａ程度である。アルジル基板は、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを混合した焼結体である。アルジル基板の強度も５５０ＭＰａ前後である。５５０ＭＰａ以下の強度では基板厚さを０．４ｍｍ以下と薄くすると、モールド時に基板が割れる可能性が高くなったり、半導体装置としてのＴＣＴ（熱サイクル）特性が低下する。特に、ＴＣＴ試験の高温側を１７５℃以上と高くしたときに耐久性が低下する。
　窒化珪素基板は、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上と高強度にすることができる。また、熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものがある。特に、近年は高強度と高熱伝導の両方を併せ持つ窒化珪素基板もある。３点曲げ強度６００ＭＰａ以上、熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板であれば、基板厚さを０．３０ｍｍ以下と薄型化することもできる。特に、基板サイズを１２ｃｍ２以上、さらには２０ｃｍ２以上と大型化したときに窒化珪素基板であることが好ましい。
　なお、３点曲げ強度はＪＩＳ－Ｒ－１６０１、熱伝導率はＪＩＳ－Ｒ－１６１１に準じたレーザフラッシュ法にて測定するものとする。
　また、セラミックス基板と金属回路板の接合方法は、活性金属法、直接接合法など特に限定されるものではない。
　また、図７に例示される通り、セラミックス基板２の金属回路板３を設けた面に対する裏面に裏金属板８を設けた構造であっても良い。裏金属板８は、放熱板または回路板として用いることができる。また、裏金属板８に凹部を設けた構造としても良い。裏面（裏金属板８を設けた面）を樹脂モールドするときに有効である。また、後述するように、実装基板９と裏金属板８を接合するときにグリース層が用いられる。裏金属板８に凹部を設けることにより、グリース層との密着性を向上させることができる。
　また、セラミックス基板の表面（両方の主面）のうち、金属回路板が設けられていない箇所の少なくとも一部に凹部を設けてもよい。なお、裏金属板を設ける場合、セラミックス基板の表面（両方の主面）のうち、裏金属板が設けられていない表面の少なくとも一部に凹部を設けてもよい。図１０に、セラミックス基板に凹部を設けた一例を示した。図中、１はセラミックス金属回路基板、２はセラミックス基板、３は凹部を設けた金属回路板、４は凹部を設けていない金属回路板、５は凹部、１２はセラミックス基板に設けた凹部、である。第1の金属回路板３－１及び第2の金属回路板３－２は、セラミックス基板２の一方の主面に設けられている。第1の金属回路板３－１には、中心から外側に向かって二列に並んだ凹部が形成されている。一方、第2の金属回路板３－２には、中心から外側に向かって三列に並んだ凹部が形成されている。
　図１０は、金属回路板を設けた面を例示したものである。セラミックス基板２の金属回路板（凹部を設けた金属回路板３および凹部を設けていない金属回路板４）を設けていない箇所のうち、セラミックス基板２の端部に凹部１２を形成している。セラミックス基板２に凹部１２を形成することにより、モールド樹脂との密着性をより向上させることができる。
　また、凹部１２は、凹部に起因するセラミックス基板２の絶縁性の低下を回避するため、非貫通型の凹部が好ましい。また、モールド樹脂と直接接するセラミックス基板２の表面面積の３０～９５％の範囲内で凹部１２を設けることが好ましい。凹部の最小径ｄまたは最小幅Ｗは０．５～２ｍｍの範囲内であることが好ましい。
　以上のようなセラミックス金属回路基板は、半導体素子を搭載した半導体装置に好適である。また、半導体素子は凹部を設けた金属回路板に搭載することが好ましい。また、凹部を設けた金属回路板に、複数の半導体素子を搭載することが好ましい。また、樹脂モールドした半導体装置に好適である。
　図７に樹脂モールドした半導体装置の一例を示した。図中、２はセラミックス基板、３は凹部を設けた金属回路板、６は半導体素子、７はモールド樹脂、８は金属板、９は実装基板、２０は半導体装置、である。
　図７では、凹部を設けた金属回路板を２つ接合している。そのうち１つは半導体素子を２つ搭載し、もう一方は半導体素子を１つ搭載している。実施形態にかかる半導体装置は、このような構造に限られるものではなく、凹部を設けた金属回路基板に１つまたは２つ以上の半導体素子を搭載できるものとする。
　凹部を設けた金属回路板は、面積１００ｍｍ２以上の大きな金属板である。このため、２つ以上の半導体素子を搭載することができる。一方、半導体素子は発熱源となる。樹脂モールドしたとき、半導体素子の近傍は熱応力により樹脂がはがれ易い。このため、凹部を設けることにより、モールド樹脂がはがれ難くなる。
　特に、半導体素子の動作温度が１７０℃以上であるものに有効である。動作温度は、いわゆるジャンクション温度のことである。半導体素子の発熱量が大きくなったとしても、凹部を設けることにより、モールド樹脂のはがれを抑制することができる。また、半導体素子の導通には、ワイヤボンディングやリードフレームなどが使われる。樹脂はがれがおきるとワイヤボンディングが断線し易くなる。また、リードフレームは銅板やアルミニウム板などの金属板で形成される。金属板は熱膨張し易いため、モールド樹脂のはがれにつながり易い。このため、凹部を設けることにより、モールド樹脂のはがれを防ぐことは有効である。
　図７に例示する半導体装置は、ケースを備えていないものである。このような半導体装置に限定されるものではなく、ケースを備えた半導体装置も本実施形態に含まれる。この一例を図８に示す。半導体装置２０のセラミックス基板２の一方の主面に、凹部を設けた金属回路板３が互いに間隔を隔てて複数設けられている。金属回路板３それぞれの主面に半導体素子６が搭載されている。搭載する素子の数は、金属回路板３毎に異ならせても良い。セラミックス基板２の他方の主面に金属板８が設けられている。このような構造のセラミックス基板２の金属板８が実装基板９に接合されている。ケース２１は、ドーム形状を有し、その開口端が実装基板９の表面に接合されている。モールド樹脂７は、実装基板９とケース２１で囲まれた空間内に充填されている。モールド樹脂７は、例えば、ポッティングゲルを使ったモールド方法により形成される。この場合、ケース２１が金型を兼ねる。また、ケース２１は蓋と側壁が分かれたものであってもよい。
　また、実施形態にかかるセラミックス金属回路基板は、セラミックス基板の表面サイズを１２ｃｍ２以上、さらには２０ｃｍ２以上と大型化している。このため、半導体素子を多く搭載できる。モールド樹脂のはがれを抑制しているため、多数の半導体素子を搭載した半導体装置の信頼性を向上させることができる。
　次に、実施形態にかかるセラミックス金属回路基板の製造方法について説明する。実施形態にかかるセラミックス金属回路基板は上記構成を有していれば、その製造方法は特に限定されるものではないが歩留まりよく得るための方法として次のものが挙げられる。
　まず、セラミックス基板を用意する。セラミックス基板は、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、アルジル基板など様々なものが適用できる。また、セラミックス基板は、厚さ１ｍｍ以下のものが好ましい。また、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上の場合は厚さ０．４ｍｍ以下が好ましい。強度の高い基板としては窒化珪素基板が挙げられる。また、窒化珪素基板は３点曲げ強度６００ＭＰａ以上かつ熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好ましい。
　また、必要に応じ、セラミックス基板に凹部を設ける工程を行うものとする。セラミックス基板に凹部を設ける工程は、ショットブラスト加工、レーザ加工、ドリル加工などが挙げられる。また、金属板を接合した後に、セラミックス基板に凹部を設ける工程を行っても良いものとする。
　次に、金属回路板を接合する。金属回路板は、銅板、銅合金板、アルミニウム板、アルミニウム合金板などが挙げられる。また、金属回路板の厚さは０．３ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上のものが好ましい。
　また、接合方法は、活性金属接合法または直接接合法が挙げられる。活性金属接合法は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉから選ばれる１種または２種以上を含有した接合ろう材を用いるものである。活性金属接合法は、酸化物系セラミックス基板、窒化物系セラミックス基板の両方に適用できる。
　Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆから選ばれる１種を用いる場合は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）を含有するろう材が好ましい。また、必要に応じ、インジウム（Ｉｎ）や錫（Ｓｎ）を添加するものとする。このような接合ろう材は銅板の接合に好適である。
　また、Ｓｉを用いる場合は、アルミニウム（Ａｌ）を含有するろう材が好ましい。このような接合ろう材はＡｌ板の接合に好適である。
　また、直接接合法は、接合ろう材を使わずに接合する方法である。銅板と酸化物系セラミックス基板の接合に好適な方法である。接合ろう材を使わないため、コストを低減することが可能である。
　また、接合される金属回路板は、予めパターン形状になったものであってもよいし、ベタ板であってもよい。また、ベタ板を接合した場合は、エッチング工程によりパターン形状にするものとする。また、必要に応じ、裏金属板を接合するものとする。
　また、金属板が０．３ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上と厚くなったときには、金属板の側面を傾斜構造となるようにエッチング処理を施してもよいものとする。金属板側面を傾斜構造とすると、金属板とセラミックス基板の接合端部の熱応力を緩和できるため、ＴＣＴ特性が向上する。
　次に、金属回路板に凹部を設ける工程を行う。凹部を設ける金属回路板は面積が１００ｍｍ２以上のものである。凹部を設ける工程は、レーザー加工、ドリル加工、ホーニング加工、エッチング加工のいずれか１種が挙げられる。
　レーザー加工は、凹部を設けたい箇所にレーザー加工を施すものとする。レーザの出力やスポット径を制御することにより、凹部の最小径や深さを調整することができる。
　また、ドリル加工は、ドリルの径を調整することにより、凹部の最小径を調整することができる。また、ドリルの形状は、ネジ溝形状や針形状など様々なものが挙げられる。また、ドリルを突き刺す深さで凹部深さを調整することができる。
　また、ホーニング加工は、凹部を設けない箇所にマスクをつける。マスクを付けていない箇所にホーニング加工を施すものである。ホーニング加工は、凹部深さの小さなものを形成するのに有効である。
　また、エッチング加工は、凹部を設けない箇所にエッチングレジストを設ける。レジストを設けていない箇所をエッチング加工するものである。エッチングレジストの塗布形状によって、凹部の最小径を制御できる。また、エッチング時間を制御することにより、凹部深さを調整できる。また、エッチング加工は、図４ｄの（ｆ）のような断面円形の凹部５を形成できる。貫通孔としないエッチング加工をハーフエッチング加工と呼ぶ。
　また、凹部を設ける箇所は、面積が１００ｍｍ２以上の金属回路板表面の１～７０％の範囲になるようにするものとする。また、凹部の深さは０．０２ｍｍ以上になるようにするものとする。また、前記凹部が設けられた面積が一つの金属回路板表面の中で半導体素子実装部領域および端子実装部領域を除いて３０～９５％の範囲内となるようにすることが好ましい。
　また、凹部形成後にマスクまたはエッチングレジストを取り除くものとする。
　次に、半導体素子を搭載する工程を行う。半導体素子は凹部を設けた金属回路板上に設けるものとする。半導体素子の搭載は、ハンダ、ろう材などの接合層を介して行うものとする。凹部を設けた金属回路基板の上に２つ以上の半導体素子を設けてもよいものとする。また、２つ以上の半導体素子を設ける場合、同じ素子であってもよいし、異なる素子であってもよい。
　次に、半導体素子の導通を図る工程を行う。ワイヤボンディングやリードフレームを設けるものとする。また、半導体装置（半導体素子を搭載したセラミックス回路基板）を実装基板に実装する。半導体装置の実装基板への実装工程は、ハンダ、接着剤、ネジ止めなどが挙げられる。
　次に、樹脂モールド工程を行うものとする。モールド工程に使う樹脂はエポキシ樹脂などが挙げられる。また、モールド工程は、トランスファー方式、コンプレッション方式など様々な方法が適用される。また、ポッティングゲルを使ったモールド方法もある。近年は、量産性の良さから、トランスファー方式が使われている。トランスファーモールドは、プランジャー内で加熱して樹脂を軟化させ、軟化した樹脂を金型内に流し込んで硬化させる方法である。軟化した樹脂を使うので、複雑形状である半導体装置の隙間まで樹脂を充填し易い。特に、金属回路板の凹部の内部まで樹脂を充填し易い。また、モールド樹脂の固化を一度に行うため、量産性・生産性に優れている。ポッティング工程はモジュールのケースをそのまま使っても良い。
　なお、半導体装置の実装基板への実装工程と樹脂モールド工程は順番が逆であっても良い。
（実施例）
（実施例１～１３、比較例１～２）
　セラミックス基板として表１に示すものを用意した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
次に、表１に示したセラミックス基板に活性金属法を用いて金属板を接合した。金属板が銅板の場合は、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ系ろう材を用いて接合した。また、金属回路板がＡｌ板の場合は、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材を用いて接合した。表金属板をエッチング加工して、表２に示す回路パターンを形成した。この工程によりセラミックス金属回路基板を形成した。その結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　セラミックス金属回路基板１～６の表金属板に対して、表３に示した凹部を設けた。凹部は表３に示したものに統一した。凹部を設けたものを実施例、凹部を設けないものを比較例とした。また、面積１００ｍｍ２以上の金属回路板のみに凹部を設けた。また、凹部の断面形状が長方形のものはレーザ加工により形成した。また、凹部の断面形状が円形のものは、エッチング加工により行った。また、実施例にかかるセラミックス金属回路基板は、面積１００ｃｍ２以上の金属板の端部から３ｍｍ以上内側に入った箇所に凹部を設けた。また、比較例１～６にかかるセラミックス金属回路基板は、凹部を設けないものである。また、比較例７にかかるセラミックス金属回路基板は、面積１００ｃｍ２以上の金属板の端部から１ｍの箇所のみに凹部を設けたものである。その結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　また、凹部を表４に示した溝形状としたものを実施例９～１１とした。なお、実施例９および実施例１０は、凹部の上面形状が長方形の溝である。また、実施例１１は、連続した溝（四角形状）を２つ設けたものである。また、凹部は表４に示したものに統一した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　実施例および比較例にかかるセラミックス金属回路基板に対し、凹部を設けた金属回路板に２つの半導体素子を搭載した。次に、ワイヤボンディングを行った。その後、トランスファーモールド法により樹脂モールドを行った。これにより、実施例および比較例にかかる半導体装置を形成した。また、実施例にかかる半導体装置は、凹部を設けた金属回路板は、半導体素子実装部および端子実装部を除いた半導体素子非搭載領域における凹部の形成面積を求めた。その結果を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　次に、実施例および比較例にかかるセラミックス金属回路基板に対し、樹脂密着強度とＴＣＴ試験を行った。樹脂密着強度は、シェア試験により、凹部を設けた金属回路板上のモールド樹脂の接合強度を測定した。また、ＴＣＴ試験（熱サイクル試験）は、－４０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分→１７５℃×３０分→室温（２５℃）×１０分を１サイクルとし、３００サイクル後のモールド樹脂のはがれの有無を測定した。モールド樹脂のはがれは、超音波探傷法（SAT)により、樹脂／表金属板間（凹部を設けた金属回路板）のはがれ面積率を評価した。はがれ面積率（％）＝（樹脂がはがれた面積／凹部を設けた金属回路板の面積）×１００、により求めた。その結果を表６に示す。
　また、実施例１２として、実施例１のセラミックス金属回路基板のセラミックス基板に凹部を設けたものを用意した。また、実施例１３として、実施例８のセラミックス金属回路基板のセラミックス基板に非貫通型の凹部を設けたものを用意した。セラミックス基板に設けた凹部は、凹部の直径ｄは１ｍｍに統一した。また、セラミックス基板の凹部は金属板を接合した領域を除いた部分の面積の３０％になるようにした。セラミックス基板の外側に設けた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表から分かる通り、凹部を設けたものはシェア強度、はがれ面積率とも良い結果が得られた。このため、実施例にかかるセラミックス金属回路基板は、樹脂モールドする半導体装置に好適である。
　また、比較例７のように、金属回路板の端（端部から１ｍｍ）に設けただけでは、モールド樹脂との密着強度が不十分であった。
　また、セラミックス基板に凹部を設けた実施例１２、実施例１３はそれぞれ性能が向上した。このため、セラミックス基板に凹部を設けることも有効であることが分かる。
　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…セラミックス金属回路基板
２…セラミックス基板
３…凹部を設けた金属回路板
３－１…凹部を設けた第１の金属回路板
３－２…凹部を設けた第２の金属回路板
４…金属回路板（凹部を設けていない金属回路板）
５…凹部
６…半導体素子
７…モールド樹脂
８…金属板（裏金属板）
９…実装基板
１０…半導体素子実装部
１１…端子実装部
１２…セラミックス基板に設けられた凹部
２０…樹脂モールドが施された半導体装置
ｄ：凹部の最小径
ｗ：凹部の最小幅
ｐ：凹部同士の最短距離
Ｌ１：金属回路板の長辺の長さ
Ｌ２：金属回路板の短辺の長さ

Claims (17)

  1. 　セラミックス基板の少なくとも一方の面に複数の金属回路板が接合されたセラミックス金属回路基板において、面積が１００ｍｍ２以上の金属回路板の少なくとも１つは表面の１～７０％の範囲に、深さ０．０２ｍｍ以上の凹部を有し、前記凹部は前記金属回路板の端部から３ｍｍ以上内側に形成されていることを特徴とするセラミックス金属回路基板。
  2. 　前記凹部が設けられた面積が一つの金属回路板表面の３～７０％である請求項１記載のセラミックス金属回路基板。
  3. 　前記凹部が設けられた面積が一つの金属回路板表面の中で半導体素子実装部用領域および端子実装部用領域を除いて３０～９５％の範囲内である請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  4. 　前記凹部の深さが金属回路板の厚みの１０～９０％の範囲である請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  5. 　前記凹部を上から見たときの平均最小径ｄ（ｍｍ）または平均最小溝幅ｗが０．５～２ｍｍの範囲内である請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  6. 　前記凹部同士の平均最短距離ｐがｄ／２（ｍｍ）以上またはｗ／２（ｍｍ）以上である請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  7. 　前記凹部の断面形状が、Ｕ字、Ｖ字、長方形、円形から選ばれる１種である請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  8. 　前記金属回路板の厚さが０．３ｍｍ以上である請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  9. 　前記セラミックス基板の表面サイズが１２ｃｍ２以上である請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  10. 　前記セラミックス基板の前記金属回路板を設けた面と反対側に裏金属板を設けた構造を有する請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  11. 　前記裏金属板に凹部を設けた構造を有する請求項１０記載のセラミックス金属回路基板。
  12. 　前記セラミックス基板が窒化珪素基板である請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  13. 　前記セラミックス基板の表面（少なくとも前記金属回路板が設けられている部分を除く）の少なくとも一部に凹部を設けた請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板。
  14. 　請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載のセラミックス金属回路基板の凹部を設けた金属回路板に半導体素子を実装した半導体装置。
  15. 　前記凹部を設けた金属回路板に、複数の半導体素子を実装した請求項１４記載の半導体装置。
  16. 　前記半導体素子のジャンクション温度が１７０℃以上である請求項１４ないし請求項１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  17. 　樹脂モールドが施されている請求項１４ないし請求項１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
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