WO2022014318A1 - 絶縁基板およびその製造方法 - Google Patents

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plate
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整哉 結城
尭 出野
栄太郎 佐藤
征寛 北村
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Ｄｏｗａメタルテック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an insulating substrate used for a semiconductor power module or the like and a method for manufacturing the same.
  • an insulating substrate is utilized, such as the semiconductor power module, AlN, Al 2 O 3, Si 3 circuit side metal on both surfaces of the ceramic substrate consisting of N 4 or the like plate and the heat dissipation side metal plate Each is brazed by a brazing material layer. Then, a semiconductor chip is soldered to the circuit-side metal plate, and a Cu or Al-based heat-dissipating plate having excellent thermal conductivity is soldered to the heat-dissipating metal plate to create a semiconductor power module or the like. Further, as shown in Patent Document 2, as an insulating substrate, a metal-ceramic insulating substrate in which a metal plate is bonded to a ceramic substrate using a brazing material containing Ag, Cu and an active metal is generally used. There is.
  • Patent Document 3 states that the copper plate is oxidized before joining the semiconductor chip and the heat sink to generate cracks. Techniques to prevent are shown. Further, Patent Document 4 discloses a substrate for a power module with a heat sink, which has a low initial thermal resistance, suppresses cracking of a ceramic substrate under a heat cycle load, and suppresses an increase in thermal resistance. ing. Further, Patent Document 5 discloses a technique for improving heat cycle characteristics by forming a step at an end portion of a copper plate.
  • a circuit side metal plate (circuit pattern) is formed on one surface of the ceramic substrate, and a heat radiation side is formed on the other surface of the ceramic substrate.
  • a metal plate is formed.
  • the insulating substrate is used as a substrate for a power module, electronic components such as semiconductor chips and terminals are bonded to the surface of the circuit-side metal plate by soldering or the like, and the heat-dissipating metal plate is bonded from, for example, Cu.
  • a relatively thick plate-shaped (for example, about 2 to 5 mm) heat radiating plate (base plate) is joined by soldering.
  • a resin case is formed on the heat sink so as to surround the insulating substrate, the gel material for sealing is filled in the case, and the case lid is closed. , Etc., the power module is manufactured.
  • Patent Document 4 solid-phase diffusion bonding is performed between a metal layer of Cu or a Cu alloy and a heat sink with a bonding material composed of Al or Al alloy, but there is a large bonding defect between the two as compared with soldering bonding. It is easy to occur and difficult to control, and there is a risk of cracking at the joint in the high temperature heat cycle test.
  • High-temperature heat cycle characteristics are characteristics that have been required in recent years due to the use of SiC semiconductor chips that operate at high temperatures and the use of lead-less solder to raise the soldering temperature. For example, heating on the high-temperature side. In the heat cycle test in which the temperature is 150 ° C. or higher, it is required that the ceramic substrate does not crack after the heat cycle test of a predetermined cycle.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and is excellent in heat cycle characteristics at high temperatures in a state where a heat sink is soldered to an insulating substrate (that is, assuming a state in which the insulating substrate is incorporated in a power module). It is an object of the present invention to provide an insulating substrate.
  • the present inventor investigated the cause of cracks generated in the ceramic substrate.
  • the solder component for example, Sn
  • the solder resist prevents the solder from being eaten by the solder layer (solder contact with the brazing layer and wraparound), so that the solder component erodes into the brazing layer. I tried to avoid.
  • one main surface of the heat radiation side metal plate is bonded to one main surface of the ceramic substrate via a brazing material layer, and the periphery of the other main surface of the heat radiation side metal plate, the heat radiation side metal.
  • An insulating substrate is provided, characterized in that a solder resist portion is formed on at least one selected from the side surface of the plate or the surface of the brazing metal layer.
  • the circuit-side metal plate is bonded to the other main surface of the ceramics substrate via a brazing material layer, and the heat-dissipating side metal plate is a copper plate or a copper alloy plate. It is preferable that the circuit-side metal plate is a copper plate or a copper alloy plate. Further, it is preferable that the solder resist portion is formed so as to surround the soldered region on the other main surface of the heat radiation side metal plate.
  • a method for manufacturing an insulating substrate which comprises forming the solder resist portion by screen printing.
  • a semiconductor module component (insulated substrate with a heat radiating plate) is provided, wherein the heat radiating plate is joined to the other main surface of the heat radiating side metal plate of the insulating substrate via solder.
  • a method for manufacturing an insulating substrate with a heat radiating plate which comprises joining the heat radiating plate to the other main surface of the heat radiating side metal plate of the insulating substrate by soldering.
  • solder biting of the brazing filler metal layer does not occur, and the occurrence of cracks inside the brazing filler metal layer is avoided.
  • Ru This prevents stress concentration from occurring on the ceramic substrate at a location inside the end of the metal plate on the heat dissipation side. As a result, the occurrence of cracks is avoided even in the ceramic substrate, and it becomes possible to obtain an insulating substrate having excellent high temperature heat cycle characteristics in a state where the heat radiating plate is soldered to the insulating substrate.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. It is sectional drawing of the insulating substrate in which the heat dissipation plate is soldered to the heat dissipation side metal plate. It is sectional drawing of the insulating substrate which concerns on other embodiment of this invention. It is sectional drawing of the insulating substrate which concerns on other embodiment of this invention. It is sectional drawing of the insulating substrate which concerns on other embodiment of this invention.
  • one main surface (surface) of the heat radiating side metal plate is bonded to one main surface (surface) of the ceramic substrate via a brazing material layer, and the other main surface (the other main surface) of the heat radiating side metal plate is bonded.
  • an insulating substrate characterized in that a solder resist portion is formed on at least one selected from the periphery (surface), the side surface of the heat dissipation side metal plate, or the surface of the brazing filler metal layer.
  • the insulating substrate 1 has copper and copper alloys on both sides of a ceramic substrate 10 whose main components are AlN, Al 2 O 3 , Si 3 N 4, and the like.
  • the circuit-side metal plate 11 and the heat-dissipating-side metal plate 12 made of aluminum, an aluminum alloy, or the like are brazed by brazing material layers 13 and 14, respectively.
  • one main surface of the circuit-side metal plate 11 in FIG. 2, the circuit-side metal plate 11 is placed on the other main surface of the ceramic substrate 10 (the upper surface of the ceramic substrate 10 in FIG. 2).
  • FIG. 2 shows a state in which (the upper surface of the heat radiation side metal plate 12) is brazed by the brazing material layer 14. Then, the semiconductor chip is soldered to the other main surface of the circuit-side metal plate 11 (the upper surface of the circuit-side metal plate 11 in FIG. 2), and the other main surface of the heat-dissipating metal plate 12 (in FIG. 2).
  • a heat dissipation plate (metal plate, base plate) made of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, etc., which has excellent thermal conductivity, is soldered to the lower surface of the heat dissipation side metal plate 12 to form a semiconductor power module or the like.
  • the parts used are made.
  • the portion of the other main surface of the heat-dissipating metal plate 12 to which the heat-dissipating plate is soldered is referred to as a soldering region.
  • the heat-dissipating plate may have heat-dissipating fins or heat-dissipating pins formed on the opposite side of the ceramic substrate 10 (the side to which the metal plate on the heat-dissipating side is not joined).
  • the circuit-side metal plate 11 and the heat-dissipating-side metal plate 12 are preferably copper or a copper alloy.
  • the heat radiation side metal plate 12 is formed on one main surface of the ceramic substrate 10 excluding a region of a predetermined distance (for example, about 0.3 to 2.0 mm) from the creeping surface (outer circumference) of the ceramic substrate 10, and FIGS. Then it is a rectangular shape.
  • a predetermined distance for example, about 0.3 to 2.0 mm
  • an insulating substrate 1 when used as a semiconductor power module, when the above-mentioned semiconductor chip is soldered to the circuit side copper plate 11, when soldering to the heat radiation side metal plate 12, and further, when the semiconductor chip Due to repeated heat generation during energization, thermal stress generated by the difference in thermal expansion rate between the ceramic substrate 10 and the circuit side metal plate 11 and the heat radiation side metal plate 12, and further due to the heat cycle load, the ceramic substrate 10 and the circuit side At the boundary (bonding boundary) between the metal plate 11 and the end of the heat radiation side metal plate 12, stress concentration may occur on the surface of the ceramic substrate 10 to cause cracks.
  • the brazing filler metal layers 13 and 14 are also formed. Is exposed (protruded) from the ends of the circuit-side metal plate 11 and the heat-dissipating side metal plate 12 to form a fillet, so that the ceramic substrate is formed at the boundary between the circuit-side metal plate 11 and the heat-dissipating side metal plate 12. Measures have been taken to alleviate the stress concentration generated in 10. Further, as shown in Patent Document 5, a technique for improving heat cycle characteristics by forming a step at an end portion of a copper plate is also known.
  • the surface of the ceramic substrate 10 is located inside the end portion (joining region) of the radiating side metal plate 12. It was found that cracks may occur in the solder.
  • the present inventor has investigated the cause of cracks generated in the ceramic substrate 10 (in the plate thickness direction) at a portion inside the end portion of the heat radiation side metal plate 12 in this way. As a result, when the heat radiating plate is soldered to the heat radiating side metal plate 12, when Sn in the solder erodes (diffuses) in the brazing material layer 14, Sn in the solder and Ag, Cu, etc. contained in the brazing material layer 14 are formed.
  • the insulating substrate of the present invention is particularly suitable for a semiconductor module in which the heat-dissipating side copper plate 12 and the heat-dissipating plate are soldered using such a solder containing a large amount of Sn.
  • the solder to be attached is prevented from wrapping around (not contacting) the brazing material layer 14 (exposed between one main surface of the ceramic substrate 10 and one main surface of the heat radiation side copper plate 12). That is, the central portion of the surface of the other main surface of the heat-dissipating metal plate 12 (center of the lower surface of the heat-dissipating metal plate 12 in FIG. 2) becomes a soldering region 12b to which the heat-dissipating plate 30 (described later) is soldered.
  • the solder resist portion 20 is arranged so as to surround the soldering region 12b.
  • soldering region 12b to which the heat radiating plate 30 is soldered is formed in the center of the surface of the heat radiating side metal plate 12, and a solder resist portion 20 is provided so as to surround the soldering region 12b (defined). is doing).
  • the solder resist portion 20 separates the soldering region 12b from the brazing filler metal layer 14.
  • the solder soldering unit 20 is coated with a soldering mask containing a known resin such as an alkali-developable soldering mask, a UV-curing soldering mask, or a heat-curing soldering mask as a main component, and is subjected to a screen printing method or the like. It can be appropriately formed by arranging it so as to surround the soldering region 12b and curing it by means such as exposure and heating. It is possible to prevent "solder erosion of the brazing material layer" by plating the entire surface of the heat-dissipating copper plate and the brazing material with Ni plating or the like, but the heat-resistant impact characteristics of the insulating substrate alone are not sufficient.
  • a soldering mask containing a known resin such as an alkali-developable soldering mask, a UV-curing soldering mask, or a heat-curing soldering mask as a main component. It can be appropriately formed by arranging it so as to surround the soldering region 12b and
  • FIG. 3 shows a state in which the heat radiating plate 30 is soldered to the heat radiating side metal plate 12 in the insulating substrate 1 configured as described above.
  • the heat radiating plate 30 is made of a base material having excellent thermal conductivity such as Cu and Al, and the heat radiating plate 30 is soldered to the soldering region 12b of the radiating side metal plate 12 with solder 31 to form an insulating substrate 1.
  • the heat sink 30 is attached.
  • the solder 31 soldered to the soldering region 12b is formed. It does not protrude from the region (soldered region 12b) surrounded by the solder resist portion 20 (does not spread wet), and it is possible to prevent the solder 31 from wrapping around to the brazing filler metal layer 14. Since the solder 31 does not come into contact with the brazing filler metal layer 14, erosion (diffusion) of Sn or the like, which is a solder component, into the brazing filler metal layer 14 is prevented, and so-called "solder erosion of the brazing filler metal layer 14" does not occur.
  • the occurrence of cracks inside the brazing filler metal layer 14 is avoided. Further, by avoiding the occurrence of cracks inside the brazing filler metal layer 14, it is possible to prevent stress concentration from occurring on the ceramic substrate 10 at a portion inside the end portion of the heat radiation side metal plate 12. As a result, the occurrence of cracks is avoided even in the ceramic substrate 10, and the insulating substrate 1 having excellent heat cycle characteristics can be obtained.
  • the side surface 12a of the heat radiating side metal plate 12 and the surface of the heat radiating side metal plate 12 (around the lower surface of the heat radiating side metal plate 12 in FIGS.
  • An example in which the solder resist portion 20 is provided so as to straddle the main surface) is shown, but as shown in FIG. 4, the surface of the heat radiation side metal plate 12 (in FIG. 4, the periphery of the lower surface of the heat radiation side metal plate 12).
  • the solder resist portion 20 may be provided only on (around the other main surface of the heat radiation side metal plate 12), or as shown in FIG. 5, the solder resist portion 20 may be provided only on the side surface 12a of the heat radiation side metal plate 12. May be. Further, as shown in FIG.
  • the solder resist portion 20 surrounds the end portion of the brazing material layer 14 exposed from the end portion of the heat radiation side metal plate 12, the side surface 12a of the heat radiation side metal plate 12, and the other main surface. It may be covered with. Further, the solder resist portion may be formed only on the brazing filler metal layer 14, or may be formed on the brazing filler metal layer 14 and the side surface 12a of the heat dissipation side metal plate 12.
  • the solder solder may be any substance as long as it prevents the solder from spreading and getting wet.
  • a method of forming a metal oxide film on the surface by oxidizing a part of the heat-dissipating side metal plate 12 by laser irradiation, chemical treatment, or the like may be used.
  • the solder resist portion may be arranged so that the solder does not come into direct contact with the brazing material layer of the insulating substrate. For example, as described above, even if the brazing filler metal layer portion is not covered with the solder resist portion, it is sufficient to prevent the solder from coming into contact with the brazing filler metal layer.
  • solder resist From the viewpoint of manufacturability and cost when forming the solder resist, it is preferable to use a paste-like solder resist containing a resin. Further, it is preferable that the solder resist is also formed on the side surface of the heat radiation side metal plate.
  • a brazing metal layer is formed by screen printing to a thickness of 10 ⁇ m on almost the entire surface (area of 45 mm ⁇ 47 mm) of the ceramic substrate, and is formed on one main surface and the other main surface of the ceramic substrate.
  • An oxygen-free copper plates of 46 mm ⁇ 48 mm ⁇ 0.3 mm are arranged so as to cover the entire surface of the brazing metal layer formed on the aluminum nitride substrate, heated to 850 ° C. in vacuum, and then cooled to cool both sides of the aluminum nitride substrate. A copper plate was joined to.
  • an ultraviolet curable alkali peeling type etching resist having a predetermined circuit pattern shape is applied to the surface of the copper plate on the circuit side by screen printing, and a 44 mm ⁇ 46 mm rectangle (each of the copper plates) is applied to the central surface of the copper plate on the heat dissipation side.
  • An ultraviolet curable alkali peeling type etching resist (without applying a resist in the range of 1 mm from the side surface to the inside) is applied by screen printing, and the etching resist is irradiated with ultraviolet rays to cure it, and then copper chloride, hydrochloric acid and the balance are applied.
  • the intermediate product was immersed in a chemical polishing solution consisting of 14% by mass of sulfuric acid, 3.2% by mass of hydrogen, and the balance of water at 45 ° C. for 5 minutes, and the copper plate on the circuit side and unnecessary parts on the heat dissipation side were immersed.
  • a chemical polishing solution consisting of 14% by mass of sulfuric acid, 3.2% by mass of hydrogen, and the balance of water at 45 ° C. for 5 minutes, and the copper plate on the circuit side and unnecessary parts on the heat dissipation side were immersed.
  • the brazing filler metal layer active metal-containing brazing filler metal
  • an ultraviolet curable solder resist is applied by screen printing to the area of the outer circumference 0.05 mm width of the surface (bottom surface (the other main surface)) of the heat radiation side copper plate and the side surface of the heat radiation side copper plate, and the solder resist is exposed to ultraviolet rays.
  • a solder resist portion solder flow prevention region having a thickness of 15 ⁇ m was formed on the outer peripheral portion and the side surface of the other main surface of the copper plate on the heat dissipation side, and an insulating substrate was produced. As shown in FIGS.
  • the shape of the solder resist portion is an example of straddling the side surface of the heat radiating side copper plate and the periphery of the other main surface of the heat radiating side copper plate.
  • the solder resist was applied to the side surface of the copper plate on the heat dissipation side by increasing the printing pressure (pressure of the squeegee) in the screen printing using the screen plate.
  • the insulating substrate thus produced was subjected to the following base plate soldering test to evaluate the presence or absence of the brazing filler metal in the brazing filler metal layer.
  • M10 manufactured by Kogyo Co., Ltd. was applied so as to have a thickness of 300 ⁇ m.
  • the insulating substrate was soldered to the heat sink (copper base) by lowering the temperature after performing vacuum exhaust for 3 minutes.
  • a cross-sectional observation sample was prepared, and element mapping was performed by a scanning electron microscope (SEM / EDS) equipped with an optical microscope and an energy-dispersion type X-ray analyzer. It was confirmed whether or not there was contact between the material layer and the solder and whether or not the brazing material was eaten.
  • SEM / EDS scanning electron microscope
  • the solder used for soldering the heat radiating plate is prevented from spreading by the solder resist portion, and the contact between the solder and the brazing material layer of the insulating substrate is prevented. It was confirmed from the optical microscope image that the soldering was done.
  • Example 2 The range of the solder resist applied to the heat-dissipating side metal plate was set to the range of the outer circumference of 0.05 mm width of the surface of the heat-dissipating side metal plate (the other main surface), except that it was not formed on the side surface of the heat-dissipating side metal plate.
  • An insulated substrate was obtained by the same method as in Example 1. As shown in FIG. 4, the shape of the solder resist portion is an example of only the surface of the metal plate on the heat dissipation side (the other main surface).
  • a base plate soldering test was carried out by the same method as in Example 1.
  • the solder used for attaching the base plate is prevented from spreading by the solder resist portion, and the contact between the solder and the brazing material layer of the insulating substrate is prevented from being contacted by the optical microscope image. I was able to confirm from. Further, it was confirmed from the element mapping by SEM / EDS that Sn or the like, which is a component of the solder, was not diffused to the brazing filler metal layer side in the brazing filler metal layer of the insulating substrate (the brazing filler metal was not eaten).
  • Example 1 An insulating substrate was obtained by the same method as in Example 1 except that the solder resist was not applied to the metal plate on the heat dissipation side.
  • a base plate soldering test was carried out by the same method as in Example 1.
  • the solder used for attaching the base plate wets and spreads on the side surface of the copper plate on the heat dissipation side, and the brazing material layer of the insulating substrate is in contact with the solder. ..
  • SEM / EDS, Sn and the like which are components of solder, are diffused to the brazing filler metal layer side in the brazing filler metal layer of the insulating substrate to form a brittle Cu—Sn compound (the brazing filler metal is eaten). Confirmed from elemental mapping.
  • the present invention can be used for an insulating substrate used for, for example, a semiconductor power module.
  • Insulation board 10 Ceramic board 11 Circuit side metal plate (copper circuit board) 12 Heat sink metal plate 13, 14 Wax layer 11a, 12a Side surface 12b Soldering area 20 Solder resist part 30 Heat sink (copper plate) 31 Solder

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Abstract

セラミックス基板１０の一方の主面にろう材層１４を介して放熱側金属板１２の一方の主面が接合され、放熱側金属板１２の他方の主面の周囲、放熱側金属板１２の側面、またはろう材層１４の表面から選ばれる少なくとも一つに、はんだレジスト部２０が形成されていることを特徴とする、絶縁基板１。はんだレジストによってろう材層１４へのはんだ３１の回り込みを防止することにより、いわゆる「ろう材層１４のはんだ食われ」が生じなくなり、ろう材層１４の内部でのクラックの発生が回避される。これにより、放熱側金属板１２の端部よりも内側の箇所においてセラミックス基板１０に応力集中が発生するといったことが防止される。

Description

絶縁基板およびその製造方法
　本発明は、半導体パワーモジュールなどに利用される絶縁基板およびその製造方法に関する。
　例えば特許文献１に示されるように、半導体パワーモジュールなどに利用される絶縁基板は、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4等からなるセラミックス基板の両面に回路側金属板と放熱側金属板をそれぞれろう材層によってろう付けした構成になっている。そして、回路側金属板に半導体チップがはんだ付けされ、放熱側金属板に熱伝導性に優れたＣｕやＡｌベースの放熱板がはんだ付けされて、半導体パワーモジュールなどが作成される。また、特許文献２に示されるように、絶縁基板として、ＡｇとＣｕおよび活性金属とを含むろう材を用いて金属板をセラミック基板に接合した金属－セラミック絶縁基板が、一般的に用いられている。
　かかる絶縁基板において、ヒートサイクル負荷に対してセラミックス基板に割れが発生することを抑制するべく、特許文献３には、半導体チップや放熱板を接合する前に銅板を酸化させて、クラックの発生を防ぐ技術が示されている。また、特許文献４には、初期の熱抵抗が低く、かつヒートサイクル負荷においてセラミックス基板に割れが発生することを抑制するとともに、熱抵抗の上昇を抑制可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板が示されている。さらに、特許文献５には、銅板の端部に段差を形成することで、ヒートサイクル特性を向上させる技術が示されている。
特開２００９－７０８６３号公報 特開２０１０－２４１６２７号公報 特開２０１３－２１１５４６号公報 特開２０１４－６０２１６号公報 特開平１０－１２５８２１号公報
　従来、Ｃｕ板等の金属板とＡｌＮ基板等のセラミックス基板を接合した絶縁基板は、セラミックス基板の一方の面に回路側金属板（回路パターン）が形成され、セラミックス基板の他方の面に放熱側金属板が形成されている。パワーモジュール用基板として前記絶縁基板が使用される場合、前記回路側金属板の表面には半導体チップ等の電子部品や端子などが半田付けなどにより接合され、前記放熱側金属板には例えばＣｕからなる板状の比較的厚い（例えば２～５ｍｍ程度の）放熱板（ベース板）が半田付けにより接合される。放熱板上には、パワー半導体等のボンディング配線が終わった後に、絶縁基板を囲むように樹脂製のケースが形成され、封止用のゲル材料がケース内に充填され、ケースの蓋が閉じられる、等の工程を経て、パワーモジュールが製造される。
　近年、絶縁基板は、絶縁基板単体および絶縁基板に放熱板を半田付けした状態において、さらなる高温での厳しいヒートサイクル特性の向上への要望が高まっている。しかしながら、特許文献１のセラミックス絶縁基板は絶縁基板単体でのヒートサイクル特性において十分ではなく、ヒートサイクル試験後にセラミックス基板にクラックが発生することがある。特許文献２、３、５の絶縁基板は、絶縁基板単体でのヒートサイクル特性は優れているが、絶縁基板の放熱側金属板（放熱板形成用金属板）に放熱板を半田付けした状態で高温ヒートサイクル試験を行うと、セラミックス基板に割れが発生することがわかってきた。特許文献４はＣｕ又はＣｕ合金の金属層とヒートシンクの間に、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された接合材と固相拡散接合するが、半田付けの接合に比べて両者の間に大きな接合欠陥が発生しやすくその制御が困難であり、高温ヒートサイクル試験で接合部に割れが生じる恐れがある。
　高温ヒートサイクル特性とは、近年、高温で作動するＳｉＣ半導体チップが使用されることになったり、鉛レスはんだ使用によるはんだ付け温度の高温化などで要求されている特性で、例えば高温側の加熱温度が１５０℃以上であるヒートサイクル試験において、所定サイクルのヒートサイクル試験後にセラミックス基板にクラックが発生しないことが求められている。
　本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、絶縁基板に放熱板を半田付けした状態（即ちパワーモジュールに絶縁基板を組み込んだ状態を想定）で、高温でのヒートサイクル特性に優れた絶縁基板を提供することを目的とする。
　本発明者は、セラミックス基板に発生するクラックの要因について検討した。その結果、放熱板を絶縁基板にはんだ付けする工程、さらにはその後のヒートサイクル試験において、放熱側金属板を接合しているろう材層中にはんだの成分（例えばＳｎ）が浸食して、はんだの成分とろう材の成分（例えばＡｇ、Ｃｕなど）による脆い化合物が形成されるといった、いわゆる「ろう材層のはんだ食われ」が、クラックの要因となるのではないかとの推測が得られた。そこで、本発明では、はんだレジスト（ソルダーレジスト）によって、ろう材層のはんだ食われ（ろう材層へのはんだの接触、回り込み）を防止することで、ろう材層中へのはんだの成分の浸食を回避するようにした。
　本発明によれば、セラミックス基板の一方の主面にろう材層を介して放熱側金属板の一方の主面が接合され、前記放熱側金属板の他方の主面の周囲、前記放熱側金属板の側面、または前記ろう材層の表面から選ばれる少なくとも一つに、はんだレジスト部が形成されていることを特徴とする、絶縁基板が提供される。
　この絶縁基板において、前記セラミックス基板の他方の主面にろう材層を介して回路側金属板の一方の面が接合されていることが好ましく、前記放熱側金属板が銅板または銅合金板であることが好ましく、前記回路側金属板が銅板または銅合金板であることが好ましい。また、前記はんだレジスト部が前記放熱側金属板の他方の主面のはんだ付け領域を囲んで形成されていることが好ましい。
　また、本発明によれば、前記絶縁基板の製造方法であって、前記はんだレジスト部をスクリーン印刷により形成することを特徴とする、絶縁基板の製造方法が提供される。
　また、前記絶縁基板の前記放熱側金属板の他方の主面に、放熱板がはんだを介して接合されていることを特徴とする、半導体モジュール部品（放熱板付き絶縁基板）が提供される。
　また、前記絶縁基板の前記放熱側金属板の他方の主面に、放熱板をはんだ付けにより接合することを特徴とする、放熱板付き絶縁基板の製造方法が提供される。
　本発明によれば、はんだレジストによってろう材層へのはんだの回り込みを防止することにより、いわゆる「ろう材層のはんだ食われ」が生じなくなり、ろう材層の内部でのクラックの発生が回避される。これにより、放熱側金属板の端部よりも内側の箇所においてセラミックス基板に応力集中が発生するといったことが防止される。その結果、セラミックス基板においてもクラックの発生が回避されることとなり、絶縁基板に放熱板を半田付けした状態で、高温ヒートサイクル特性に優れた絶縁基板を得ることができるようになる。
本発明の実施の形態にかかる絶縁基板の平面図である。 図１中のＸ－Ｘ断面図である。 放熱側金属板に放熱板がはんだ付けされた絶縁基板の断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる絶縁基板の断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる絶縁基板の断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる絶縁基板の断面図である。
　本発明によれば、セラミックス基板の一方の主面（表面）にろう材層を介して放熱側金属板の一方の主面（表面）が接合され、前記放熱側金属板の他方の主面（表面）の周囲、前記放熱側金属板の側面、または前記ろう材層の表面から選ばれる少なくとも一つに、はんだレジスト部が形成されていることを特徴とする、絶縁基板が提供される。
　以下、本発明の実施の形態の一例について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　図１、２に示すように、本発明の実施の形態にかかる絶縁基板１は、主成分がＡｌＮ 、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4等からなるセラミックス基板１０の両面に、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等からなる回路側金属板１１と放熱側金属板１２をそれぞれろう材層１３、１４によってろう付けした構成になっている。なお、図２では、セラミックス基板１０の他方の主面（図２において、セラミックス基板１０の上側の表面）に、回路側金属板１１の一方の主面（図２において、回路側金属板１１の下側の表面）をろう材層１３によってろう付けし、セラミックス基板１０の一方の主面（図２において、セラミックス基板１０の下側の表面）に、放熱側金属板１２の一方の主面（図２において、放熱側金属板１２の上側の表面）をろう材層１４によってろう付けした状態を示している。そして、回路側金属板１１の他方の主面（図２において、回路側金属板１１の上側の表面）に半導体チップがはんだ付けされ、放熱側金属板１２の他方の主面（図２において、放熱側金属板１２の下側の表面）に熱伝導性に優れた銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等からなる放熱板（金属板、ベース板）がはんだ付けされて、半導体パワーモジュールなどに使用される部品が作製される。放熱側金属板１２の他方の主面において、放熱板がはんだ付けされる部分をはんだ付け領域という。放熱板はセラミックス基板１０の反対側（放熱側金属板が接合されていない方の面）に放熱フィンや放熱ピンが形成されている場合もある。なお、回路側金属板１１および放熱側金属板１２は銅または銅合金であることが好ましい。
　放熱側金属板１２はセラミックス基板１０の沿面（外周）から所定の距離（例えば０．３～２．０ｍｍ程度）の領域を除いたセラミックス基板１０の一方の主面に形成され、図１、２では長方形の形状である。
　この放熱側金属板１２に放熱板を半田付けした状態（即ちパワーモジュールに絶縁基板を組み込んだ状態に相当する）の絶縁基板１においての（高温）ヒートサイクル性の向上が求められてきている。
　かかる絶縁基板１にあっては、半導体パワーモジュールとして使用された場合に、上述の半導体チップを回路側銅板１１にはんだ付けする際や放熱側金属板１２にはんだ付けする際、さらには半導体チップの通電時に発熱が繰り返されるなどにより、セラミックス基板１０と回路側金属板１１および放熱側金属板１２との熱膨張率の相違により発生する熱応力、さらにはヒートサイクル負荷により、セラミックス基板１０と回路側金属板１１および放熱側金属板１２の端部との境目（接合境界）において、セラミックス基板１０の表面に応力集中が発生してクラックを生ずる恐れがある。そのため、例えばこの実施の形態にかかる絶縁基板１に示すように、回路側金属板１１と放熱側金属板１２の側面１１ａ、１２ａをテーパ面に形成することにより、また、ろう材層１３，１４を回路側金属板１１と放熱側金属板１２の端部から露出させ（はみ出させ）フィレットを形成することにより、回路側金属板１１および放熱側金属板１２の端部との境目において、セラミックス基板１０に発生する応力集中を緩和させる対策が講じられている。また、特許文献５で示したように、銅板の端部に段差を形成することで、ヒートサイクル特性を向上させる技術も知られている。
　しかしながら、本発明者らの調査により、半導体チップや放熱板をはんだ付けして実装した半導体パワーモジュールでは、放熱側金属板１２の端部よりも内側の箇所（接合領域）においてセラミックス基板１０の表面にクラックを生ずる場合があることがわかった。本発明者は、このように放熱側金属板１２の端部よりも内側の箇所においてセラミックス基板１０（の板厚方向）に発生するクラックの要因について検討した。その結果、放熱板を放熱側金属板１２にはんだ付けした際に、ろう材層１４にはんだ中のＳｎが浸食（拡散）すると、はんだ中のＳｎとろう材層１４に含まれるＡｇ、Ｃｕなどの元素とが脆い化合物を形成するといった、いわゆる「ろう材層１４のはんだ食われ」が生じることが判明した。そして、かかる「ろう材層１４のはんだ食われ」、化合物の形成により脆くなったろう材層１４の内部に（接合界面に略平行方向に）クラックが発生していることが観察された。
　さらに絶縁基板１の断面の解析を行ったところ、放熱側金属板１２の端部よりも内側のろう材層中の箇所であって、且つそのろう材層１４中のクラックの先端部でセラミックス基板１０の一方の主面（表面）から厚さ方向にクラックが発生していることが観察された。また、シミュレーションにより応力解析を行ったところ、ろう材層中に前記クラックが存在するとそのクラックの先端部でセラミックス基板１０の表面に応力集中が起きていることが分かった。これに起因して、放熱側金属板１２の端部よりも内側のセラミックス基板１０の一方の主面にクラックが発生することが判明した。そこで本発明では、はんだレジストを利用することによって、ろう材層１４へのはんだの回り込み（拡散）を防止することにより、ろう材層１４中へのはんだの成分であるＳｎ等の浸食（拡散）を回避するようにし、応力集中の発生を抑制してクラックの発生を防止することができる、すなわち絶縁基板１に放熱板をはんだ付けした状態でも優れたヒートサイクル特性を備えた絶縁基板１を得ることができることを見い出した。
　さらに前記ろう材層中のクラックを防止することにより、絶縁基板の放熱性の劣化を抑制することができる。
　近年、パワーモジュールの動作温度は上昇する傾向にあり、また、Ｓｎ含有量の多い高温はんだや鉛レスはんだの使用が増加しており、前記のろう材食われに起因するセラミックス基板１０のクラック発生が増加することが考えられるが、このようなＳｎを多く含有するはんだを使用して放熱側銅板１２と放熱板をはんだ付けする半導体モジュールに対し、本発明の絶縁基板は特に好適である。
　図１、２に示す本発明の実施の形態にかかる絶縁基板１では、放熱側金属板１２の他方の主面の周囲および側面にはんだレジスト部２０を設けることにより、放熱側金属板１２にはんだ付けされるはんだが（セラミックス基板１０の一方の主面と放熱側銅板１２の一方の主面との間で露出している）ろう材層１４へ回り込まない（接触しない）ようにさせている。すなわち、放熱側金属板１２の他方の主面の表面中央部（図２において、放熱側金属板１２の下面中央）は、放熱板３０（後述）がはんだ付けされるはんだ付け領域１２ｂとなっており、このはんだ付け領域１２ｂを囲むように、はんだレジスト部２０が配置されている。言い換えれば、放熱側金属板１２の表面中央には、放熱板３０がはんだ付けされるはんだ付け領域１２ｂが形成されており、はんだレジスト部２０がはんだ付け領域１２ｂを囲んで設けられている（画定している）。そして、はんだレジスト部２０によって、はんだ付け領域１２ｂとろう材層１４とが隔離された状態となっている。
　なお、はんだレジスト部２０は、例えば、アルカリ現像型ソルダーレジスト、ＵＶ硬化型ソルダーレジスト、熱硬化型ソルダーレジストといった公知の樹脂等を主成分とするはんだレジストを塗布、スクリーン印刷法等の手段で、はんだ付け領域１２ｂを囲むように配置し、露光、加熱等の手段で硬化させることにより、適宜形成することができる。なお放熱側銅板およびろう材の表面にＮｉめっきなどを全面めっきすると「ろう材層のはんだ食われ」は防止することができるが、絶縁基板単体の耐熱衝撃特性が十分ではない。
　図３は、以上のように構成された絶縁基板１において、放熱側金属板１２に放熱板３０がはんだ付けされた状態を示している。放熱板３０は、ＣｕやＡｌなどの熱伝導性に優れたベース材料で構成され、放熱板３０を放熱側金属板１２のはんだ付け領域１２ｂにはんだ３１ではんだ付けすることにより、絶縁基板１に放熱板３０が装着される。
　本発明の実施の形態にかかる絶縁基板１にあっては、このように放熱板３０を放熱側金属板１２にはんだ３１ではんだ付けした場合、はんだ付け領域１２ｂにはんだ付けされたはんだ３１が、はんだレジスト部２０で囲まれた領域（はんだ付け領域１２ｂ）からはみ出ることがなく（濡れ広がることがなく）、はんだ３１がろう材層１４にまで回り込むことを回避することができる。はんだ３１がろう材層１４に接触しなくなるため、ろう材層１４中へのはんだ成分であるＳｎ等の浸食（拡散）が防止され、いわゆる「ろう材層１４のはんだ食われ」が生じない。その結果、ろう材層１４の内部でのクラックの発生が回避される。さらに、ろう材層１４の内部でのクラックの発生が回避されることにより、放熱側金属板１２の端部よりも内側の箇所においてセラミックス基板１０に応力集中が発生するといったことが防止される。その結果、セラミックス基板１０においてもクラックの発生が回避されることとなり、ヒートサイクル特性に優れた絶縁基板１を得ることができるようになる。
　なお、図１～３では、放熱側金属板１２の側面１２ａと放熱側金属板１２の表面（図２、３において、放熱側金属板１２の下面の周囲）（放熱側金属板１２の他方の主面の周囲）にまたがるようにはんだレジスト部２０を設ける例を示したが、図４に示すように、放熱側金属板１２の表面（図４において、放熱側金属板１２の下面の周囲）（放熱側金属板１２の他方の主面の周囲）のみにはんだレジスト部２０を設けても良いし、図５に示すように、放熱側金属板１２の側面１２ａのみにはんだレジスト部２０を設けても良い。また、図６に示すように、放熱側金属板１２の端部から露出しているろう材層１４の端部、放熱側金属板１２の側面１２ａおよび他方の主面の周囲をはんだレジスト部２０によって覆うようにしても良い。また、はんだレジスト部は、ろう材層１４のみに形成してもよいし、ろう材層１４と放熱側金属板１２の側面１２ａに形成してもよい。
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、本発明において、はんだレジストは、はんだの濡れ広がりを妨げる物質なら、何でも良い。例えば、レーザー照射や薬液処理などによって、放熱側金属板１２の一部を酸化処理し、表面に金属酸化物膜を形成する方法でも良い。また、はんだレジスト部の配置は、絶縁基板のろう材層にはんだが直接接触しなければよい。例えば、前述にもあるようにろう材層部分がはんだレジスト部で覆われていなくても、はんだがろう材層に接触するのを妨げられれば良い。
　なお、はんだレジストを形成する際の製造性やコストなどの観点から、樹脂を含むペースト状のはんだレジストを使用することが好ましい。また、はんだレジストは放熱側金属板の側面にも形成することが好ましい。
（実施例１）
　セラミックス基板として４６ｍｍ×４８ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を用い、８３質量％の銀と１０質量％の銅と５質量％の錫と（活性金属成分としての）２質量％のチタン（Ａｇ：Ｃｕ：Ｓｎ：Ｔｉ＝８３：１０：５：２）とをビヒクルに加えて混練したペースト状の活性金属含有ろう材を、前記セラミックス基板の一方の主面および他方の主面（表裏の表面）のほぼ全面（４５ｍｍ×４７ｍｍの領域）に、厚さ１０μｍになるようにスクリーン印刷してろう材層をそれぞれ形成し、前記セラミックス基板の一方の主面および他方の主面の上に４６ｍｍ×４８ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅板をそれぞれ窒化アルミニウム基板に形成されたろう材層の全面が覆われるように配置し、真空中で８５０℃に加熱した後、冷却して窒化アルミニウム基板の両面に銅板を接合した。
　次に、回路側となる銅板の表面に所定の回路パターン形状の紫外線硬化アルカリ剥離型エッチングレジストをスクリーン印刷により塗布し、放熱側となる銅板の中央部表面に４４ｍｍ×４６ｍｍの長方形（銅板の各辺の沿面から内側に１ｍｍの範囲はレジストを塗布しない）の紫外線硬化アルカリ剥離型エッチングレジストをスクリーン印刷により塗布し、前記エッチングレジストに紫外線を照射して硬化させた後、塩化銅と塩酸と残部の水とからなるエッチング液により銅板の不要な部分をエッチングし、水酸化ナトリウム水溶液によりエッチングレジストを除去して回路側銅板（銅回路）及び放熱側銅板を形成した。
　次に、希硫酸に２０秒間浸漬して酸洗し、１．６質量％のＥＤＴＡ・４Ｎａと３質量％のアンモニア水（２８質量％のアンモニアを含むアンモニア水）と５質量％の過酸化水素水（３５質量％の過酸化水素を含む過酸化水素水）を含むキレート水溶液に２０℃で２０分間浸漬した後、２質量％のエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ）・５Ｎａと５質量％の過酸化水素水（３５質量％の過酸化水素を含む過酸化水素水）を含むキレート水溶液に２０℃で５２分間浸漬することにより、窒化アルミニウム基板表面の回路側銅板および放熱側銅板の周囲に残存するろう材層（活性金属含有ろう材）の不要な部分を除去し、絶縁基板の中間製品を得た。
　次に、１４質量％の硫酸と３．２質量％の過酸化水素と残部の水とからなる化学研磨液に前記中間製品を４５℃で５分間浸漬して回路側銅板および放熱側の不要部分を化学研磨により除去して、ろう材層（活性金属含有ろう材）を回路側銅板および放熱側銅板の側面部からはみ出させ、所定の銅パターン形成の工程を完了させ、絶縁基板を得た。
　次に、放熱側銅板の表面（底面（他方の主面））の外周０．０５ｍｍ幅の範囲および放熱側銅板の側面部に紫外線硬化型はんだレジストをスクリーン印刷により塗布し、はんだレジストに紫外線を照射して硬化させることで、放熱側銅板の他方の主面の外周部および側面に厚さ１５μｍのはんだレジスト部（はんだ流れ防止領域）を形成し、絶縁基板を作製した。はんだレジスト部の形状は、図１～３に示したように、放熱側銅板の側面と放熱側銅板の他方の主面の周囲にまたがる例とした。なお、放熱側銅板の側面へのはんだレジストの塗布は、上記スクリーン版を用いたスクリーン印刷において、印圧（スキージの圧力）を高めにすることにより行った。
　このようにして作製した絶縁基板について、以下のようなベース板はんだ付け試験を実施して、ろう材層のろう材食われの有無を評価した。まず、１２０ｍｍ　×６０ｍｍ×３ｍｍの放熱板（銅ベース板）の表面に、メタルマスクを用いて絶縁基板外形と同形状（４６ｍｍ　×　４８ｍｍの長方形）にＳｎ－５．０Ｓｂフラックス入りペーストはんだ（千住金属工業株式会社製、Ｍ１０）を厚さ３００μｍとなるように塗布した。
　次に、このペーストはんだの上に前述の絶縁基板の放熱側金属板を、その他方の主面が接触するように搭載し、Ｎ２雰囲気下で２７０℃まで昇温した後、２７０℃を保持したまま真空排気を３分間実施した後に降温することで、絶縁基板を放熱板（銅ベース）にはんだ付けした。
　このようにして得たベース板付き絶縁基板について、断面観察試料を作成し光学顕微鏡およびエネルギ－分散型Ｘ線分析装置を備えた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ／ＥＤＳ）による元素マッピングを実施し、ろう材層とはんだとの接触の有無およびろう材食われの発生有無を確認した。その結果、本実施例で作成した絶縁基板では、放熱板のはんだ付けに用いたはんだは、はんだレジスト部により濡れ広がりを阻害されており、はんだと絶縁基板のろう材層との接触は防止されていることが光学顕微鏡像から確認できた。また、絶縁基板のろう材層にはんだの成分であるＳｎ等がろう材層側へ拡散せず脆いＣｕ－Ｓｎ化合物が生成していない（ろう材食われが起きていない）ことがＳＥＭ／ＥＤＳによる元素マッピングから確かめられた。
（実施例２）
　放熱側金属板に塗布するはんだレジストの範囲を放熱側金属板の表面（他方の主面）の外周０．０５ｍｍ幅の範囲とし、放熱側金属板の側面に形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法により、絶縁基板を得た。はんだレジスト部の形状は、図４に示したように、放熱側金属板の表面（他方の主面）のみの例とした。
　この絶縁基板について、実施例１と同様の方法によりベース板はんだ付け試験を実施した。本実施例で作製した絶縁基板では、ベース板付けに用いたはんだははんだレジスト部により濡れ広がりを阻害されておりはんだと絶縁基板のろう材層との接触は防止されていることが光学顕微鏡像から確認できた。また、絶縁基板のろう材層にはんだの成分であるＳｎ等がろう材層側へ拡散していない（ろう材食われが起きていない）ことがＳＥＭ／ＥＤＳによる元素マッピングから確かめられた。
（比較例１）
　放熱側金属板にはんだレジストを塗布しないこと以外は、実施例１と同様の方法により、絶縁基板を得た。
　この絶縁基板について、実施例１と同様の方法によりベース板はんだ付け試験を実施した。本比較例で作製した絶縁基板では、ベース板付けに用いたはんだは放熱側銅板の側面に濡れ広がり、絶縁基板のろう材層とはんだとが接触していることが光学顕微鏡像から確認できた。また、絶縁基板のろう材層にはんだの成分であるＳｎ等がろう材層側へ拡散し脆いＣｕ－Ｓｎ化合物が生成している（ろう材食われが起きている）ことがＳＥＭ／ＥＤＳによる元素マッピングから確かめられた。
　本発明は、例えば半導体パワーモジュールなどに利用される絶縁基板に利用することができる。
　１　絶縁基板
１０　セラミックス基板
１１　回路側金属板（銅回路板）
１２放熱側金属板
１３、１４　ろう材層
１１ａ、１２ａ　側面
１２ｂ　はんだ付け領域
２０　はんだレジスト部
３０　放熱板（銅板）
３１　はんだ
 

Claims (8)

  1. 　セラミックス基板の一方の主面にろう材層を介して放熱側金属板の一方の主面が接合され、
    　前記放熱側金属板の他方の主面の周囲、前記放熱側金属板の側面、または前記ろう材層の表面から選ばれる少なくとも一つに、はんだレジスト部が形成されていることを特徴とする、絶縁基板。
  2. 　前記セラミックス基板の他方の主面にろう材層を介して回路側金属板の一方の主面が接合されていることを特徴とする、請求項１に記載の絶縁基板。
  3. 　前記回路側金属板が銅板または銅合金板であることを特徴とする、請求項１または２に記載の絶縁基板。
  4. 　前記放熱側金属板が銅板または銅合金板であることを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の絶縁基板。
  5. 　前記はんだレジスト部が前記放熱側金属板の他方の主面のはんだ付け領域を囲んで形成されていることを特徴をする、請求項１～４のいずれかに記載の絶縁基板。
  6. 　請求項１～５のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法であって、前記はんだレジスト部をスクリーン印刷により形成することを特徴とする、絶縁基板の製造方法。
  7. 　請求項１～５のいずれかに記載の絶縁基板の前記放熱側金属板の他方の主面に、放熱板がはんだを介して接合されていることを特徴とする、半導体モジュール部品。
  8. 　請求項１～５のいずれかに記載の絶縁基板の前記放熱側金属板の他方の主面に、放熱板をはんだ付けにより接合することを特徴とする、放熱板付き絶縁基板の製造方法。
     
     
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10125821A (ja) 1996-08-27 1998-05-15 Dowa Mining Co Ltd 高信頼性半導体用基板
JP2006351988A (ja) * 2005-06-20 2006-12-28 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品。
JP2009070863A (ja) 2007-09-11 2009-04-02 Hitachi Ltd 半導体パワーモジュール
JP2010241627A (ja) 2009-04-03 2010-10-28 Dowa Metaltech Kk 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材
JP2012142521A (ja) * 2011-01-06 2012-07-26 Mitsubishi Electric Corp 電力用半導体装置
JP2013211546A (ja) 2012-02-29 2013-10-10 Hitachi Metals Ltd セラミックス−銅接合体およびその製造方法
JP2014060216A (ja) 2012-09-14 2014-04-03 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0917918A (ja) * 1995-06-27 1997-01-17 Murata Mfg Co Ltd 混成集積回路

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10125821A (ja) 1996-08-27 1998-05-15 Dowa Mining Co Ltd 高信頼性半導体用基板
JP2006351988A (ja) * 2005-06-20 2006-12-28 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品。
JP2009070863A (ja) 2007-09-11 2009-04-02 Hitachi Ltd 半導体パワーモジュール
JP2010241627A (ja) 2009-04-03 2010-10-28 Dowa Metaltech Kk 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材
JP2012142521A (ja) * 2011-01-06 2012-07-26 Mitsubishi Electric Corp 電力用半導体装置
JP2013211546A (ja) 2012-02-29 2013-10-10 Hitachi Metals Ltd セラミックス−銅接合体およびその製造方法
JP2014060216A (ja) 2012-09-14 2014-04-03 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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