JP2022046758A - セラミックス回路基板および半導体モジュール - Google Patents

セラミックス回路基板および半導体モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】厚いリードフレームと端子とを接合しても湾曲しない、良いＴＣＴ特性を有するセラミックス回路基板及び半導体モジュールを提供する。【解決手段】セラミックス回路基板１は、面２ａと面２ｂとを有し、面２ａが領域２１と、領域２２とを含む、厚さ１．０ｍｍ以下のセラミックス基板２と、領域２１に接合された表金属板３と、面２ｂに接合された裏金属板４と、を具備する。面２ａは、第１の方向及び第１の方向と交差する第２の方向に延在する。面２ａの第１の方向に延在する第１の辺に沿って測定される領域２２の第１のうねり曲線は、１つ以下の極値を有する。面２ａの第２の方向に延在する第２の辺に沿って測定される領域２２の第２のうねり曲線は、２つ以上３つ以下の極値を有する。第１のうねり曲線及び第２のうねり曲線の少なくとも一つの最大値と最小値の差が４０μｍ以下である。【選択図】図２

Description

実施形態は、セラミックス回路基板および半導体モジュールに関する。
近年、産業機器の高性能化に伴い、それに搭載されるパワーモジュールの高出力化が進んでいる。これに伴い半導体素子の高出力化が進んでいる。半導体素子の動作保証温度は、例えば１２５℃以上１５０℃以下である。今後は動作保証温度が１７５℃以上に上昇することが見込まれている。
半導体素子の動作保証温度の上昇に伴い、セラミックス回路基板は高いサーマルサイクルテスト（ＴＣＴ）特性を有することが要求される。ＴＣＴでは、低温→室温→高温→室温を１サイクルとし、セラミックス回路基板の耐久性を測定する。
ろう材はみ出し部に空隙が無いセラミックス回路基板が開示されている。窒化珪素基板を有するセラミックス回路基板では、５０００サイクルの耐久性を有することが示されている。ろう材はみ出し部の空隙を無くすことにより、ＴＣＴ特性を改善することができる。しかしながら、半導体素子の高性能化に伴い動作保証温度が１７５℃以上になることが見込まれている。
一方、半導体素子の高性能化に伴い通電容量を増やすために、大きな外部端子を用いることが検討されている。従来の外部端子の接合部を厚さ３ｍｍ以上にすることが知られている。
外部端子は、リードフレーム、リードピンなど様々な形状がある。通電容量を増やすためにはボンディングワイヤのような細線ではなく、比較的厚いリードフレームを用いることが有効である。しかしながら、厚いリードフレームを用いると、セラミックス回路基板が大きく湾曲してしまう場合がある。セラミックス回路基板が湾曲すると放熱部材に実装する際の実装不良が発生し易い。また、リード端子を有するセラミックス回路基板に対し、高温状態の温度が１７５℃であるＴＣＴを行ったとき、良い特性が得られにくい。これは、リードフレームが厚いほどセラミックス回路基板にかかる応力が高いためである。このため、厚いリードフレームと端子とを接合しても湾曲しない、良いＴＣＴ特性を有するセラミックス回路基板が求められている。
国際公開第２０１１／０３４０７５号公報 特開２００４－１３４７０３号公報
実施形態にかかるセラミックス回路基板は、第１の面と第２の面とを有し、第１の面が第１の領域と第２の領域とを含む、厚さ１．０ｍｍ以下のセラミックス基板と、第１の領域に接合された第１の金属板と、第２の面に接合された第２の金属板と、を具備する。第１の面は、第１の方向、および第１の方向と交差する第２の方向に延在する。第１の面の第１の方向に延在する第１の辺に沿って測定される第２の領域の第１のうねり曲線は、１つ以下の極値を有する。第１の面の第２の方向に延在する第２の辺に沿って測定される第２の領域の第２のうねり曲線は、２つ以上３つ以下の極値を有する。第１のうねり曲線および第２のうねり曲線の少なくとも一つの最大値と最小値の差は４０μｍ以下である。
セラミックス回路基板の一例を示す上面図。 セラミックス回路基板の他の一例を示す側面図。 うねり曲線の一例を示す図。 うねり曲線の他の一例を示す図。 うねり曲線のさらに別の一例を示す図。 金属板の配置構造の一例を示す図。 リード端子付きセラミックス回路基板の一例を示す側面図。 半導体モジュールの一例を示す側面図。 金属板側面と接合層の形状の一例を示す図。
図１は実施形態にかかるセラミックス回路基板の上面の一例を示す。図２は実施形態にかかるセラミックス回路基板の側面の一例を示す。図１は、セラミックス回路基板１と、セラミックス基板２と、金属板(表金属板３、裏金属板４)と、セラミックス基板２の長辺の長さＬ１と、セラミックス基板２の短辺の長さＬ２と、うねり曲線の測定箇所Ｗと、を図示している。図１および図２ではセラミックス回路基板１が２つの表金属板３と１つの裏金属板４とを有する例を示している。実施形態にかかるセラミックス回路基板の構造は、上記構造に限定されず、例えばセラミックス回路基板１が１つの表金属板３または３つ以上の表金属板３を有していてもよい。同様にセラミックス回路基板１が２つ以上の裏金属板４を有していてもよい。
セラミックス基板２は互いに対向する面２ａと面２ｂとを有する。面２ａおよび面２ｂのそれぞれは、第１の方向および第２の方向に延在する。第２の方向は、第１の方向と交差する。面２ａおよび面２ｂのそれぞれが例えば長方形の面である場合、第１の方向は例えば長方形の長辺方向であり、第２の方向は例えば長方形の短辺方向である。
面２ａは、表金属板３を受けるための領域２１と、領域２１の周りの領域２２と、を含む。領域２２は、例えば領域２１から面２ａの端部まで延在する。なお、複数の表金属板３がセラミックス基板２に接合されている場合、領域２２は複数の表金属板３の間の領域を含んでいてもよい。面２ｂは、裏金属板４を受けるための領域２３と、領域２３の周りの領域２４と、を有していてもよい。領域２３は、例えば領域２３から面２ｂの端部まで延在する。なお、複数の裏金属板４がセラミックス基板２に接合されている場合、領域２４は複数の裏金属板４の間の領域を含んでいてもよい。
セラミックス基板２の厚さは１．０ｍｍ以下であることが好ましい。セラミックス基板２の厚さが１．０ｍｍを超えると所定のうねり曲線を実現することが困難となる。セラミックス基板２の厚さを薄くすることにより所定のうねり曲線を実現し易い。セラミックス基板２の３点曲げ強度は５００ＭＰａ以上であることが好ましい。３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上であるセラミックス基板を使うことにより、基板厚さを０．４ｍｍ以下に薄くすることができる。３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上のセラミックス基板の例は、窒化珪素基板を含む。上記セラミックス基板の例は、高強度化された窒化アルミニウム基板、高強度化されたアルミナ基板、および高強度化されたジルコニア含有アルミナ基板を含む。
セラミックス基板としては窒化珪素基板が特に好ましい。通常の窒化アルミニウム基板、アルミナ基板の３点曲げ強度は３００～４５０ＭＰａ程度である。５００ＭＰａ未満の強度の基板では厚さを０．４ｍｍ以下まで薄くするとＴＣＴ特性が低下する。特に、ＴＣＴの高温状態時の温度を１７５℃以上まで高くしたときに耐久性が低下する。窒化珪素基板として、３点曲げ強度５００ＭＰａ以上、さらには６００ＭＰａ以上の高強度の窒化珪素基板がある。窒化珪素基板として、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板がある。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５００ＭＰａ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０．３３ｍｍ以下と薄くすることもできる。３点曲げ強度はＪＩＳ－Ｒ－１６０１、熱伝導率はＪＩＳ－Ｒ－１６１１に準じて測定される。
表金属板３は領域２１に接合される。裏金属板４は領域２３に接合される。すなわち、領域２１は、面２ａにおいて表金属板３と接合された領域を示す。領域２３は、面２ｂにおいて裏金属板４と接合された領域を示す。表金属板３および裏金属板４は、銅、アルミニウムまたはそれらを主成分とする合金を含むことが好ましい。これら金属板は、電気抵抗が低いため回路に使用しやすい。また、銅およびアルミニウムの熱伝導率はいずれも高く、それぞれ３９８Ｗ／ｍ・Ｋ、２３７Ｗ／ｍ・Ｋである。このため、放熱性を向上させることができる。これらの特性を活かして金属板（表金属板３および裏金属板４）の厚さを０．６ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上にすることが好ましい。金属板を厚くすることにより、通電容量の確保と放熱性の向上の両立を図ることができる。なお、金属板の厚さの上限は特に限定されないが、５ｍｍ以下が好ましい。５ｍｍを超えて大きいと、リード端子を取り付けたときに半導体モジュールの大型化を招いてしまう。セラミックス基板と金属板の接合方法の例は、接合層を介して接合する方法と接合層を介さずに直接接合する方法とを含む。なお、後述するようにＴＣＴ特性を向上させるためには接合層を介した構造であることが好ましい。
面２ａの上記第１の方向に延在する第１の辺に沿って測定される領域２２のうねり曲線（第１のうねり曲線）は、１つ以下の極値を有する。すなわち、上記うねり曲線の極値の個数は１である。面２ａの上記第２の方向に延在する第２の辺に沿って測定される領域２２のうねり曲線（第２のうねり曲線）は、２つ以上３つ以下の極値を有する。すなわち、上記うねり曲線の極値の個数は２または３である。それぞれの極値は、極大値または極小値である。面２ｂの上記第１の辺に沿って測定されるうねり曲線が１つ以下の極値を有し、面２ｂの上記第２の辺に沿って測定されるうねり曲線が２つ以上３つ以下の極値を有していてもよい。
面２ａが長方形の面である場合、面２ａの長辺の沿面のうねり曲線と短辺の沿面のうねり曲線の一方が略円弧形状、他方が略Ｍ字形状または略Ｓ字形状であることが好ましい。沿面とは、面２ａの端から表金属板３のパターン（例えば銅パターン）の最外周までのセラミックス面を示す。
うねり曲線（Ｗａｖｉｎｅｓｓ Ｐｒｏｆｉｌｅ）はＪＩＳ－Ｂ０６０１に準じて測定される。うねり曲線は断面曲線にカットオフ値λｆおよびλｃの輪郭曲線フィルタを順次適用することによって得られる輪郭曲線であり、粗さ曲線とは異なる。測定方式の例は、レーザ方式および接触方式を含む。面２ａの長辺の沿面のうねり曲線を測定していく。長辺を一度に測定することが好ましい。仮に、基板サイズや装置サイズにより、一度に測定できないときは複数回に分けて測定して、一つのうねり曲線の測定値とする。また、短辺についても同様である。さらに、面２ｂについてうねり曲線を測定する場合も同様である。また、うねり曲線の測定箇所はセラミックス基板２の端部から０．５～１ｍｍの範囲内である。
面２ａの長辺の沿面のうねり曲線と短辺の沿面のうねり曲線の一方が略円弧形状、他方が略Ｍ字形状または略Ｓ字形状となっている。図３～５はうねり曲線の一例を示す。図３は略円弧形状のうねり曲線を例示する。図４は略Ｍ字形状のうねり曲線を例示する。図５は略Ｓ字形状のうねり曲線を例示する。
略円弧形状とは、曲線状に上がっていき、極大点（最上点）を過ぎたところで曲線状に下がっていく形状である。このとき、極値点は一箇所のみである。極値点が表面側、裏面側のどちらであってもよい。なお、極値点が裏面側を向いているときは、曲線状に下がっていき、極小点（最下点）を過ぎたところで曲線状に上がっていく形状となる。また、うねり曲線の始まりと終わりの部分は富士山の裾野のような広がった形状であっても良い。つまり、略円弧状とはうねり曲線において極値が１つである形状である。
略Ｍ字形状とは、曲線状に上がっていき、第１の極大点（最上点）を過ぎたところで下がっていく、また、極小点（最下点）を過ぎたら上がっていき、第２の極大点（最上点）を過ぎたところで下がっていく形状である。最上点（第１の極大点）→最下点（極小点）→最上点（第２の極大点）を曲線状に描く形状である。また、最上点と最下点は逆向きになってもよい。この場合、略Ｗ字になる。このため、略Ｍ字は、略Ｗ字も含む。また、うねり曲線の始まりと終わりの部分は富士山の裾野のような広がった形状であっても良い。つまり、略Ｍ字形状とはうねり曲線において極値が３つである形状である。
略Ｓ字形状とは、曲線状に上がっていき、極大点（最上点）を過ぎたところで下がっていく、また、極小点（最下点）を過ぎたら上がっていく形状である。最上点→最下点を曲線状に描く形状である。また、最上点と最下点は逆向きになってもよい。また、うねり曲線の始まりと終わりの部分は富士山の裾野のような広がった形状であっても良い。つまり、略Ｓ字形状とはうねり曲線において、極値が２つである形状である。
第１のうねり曲線が略円弧形状、第２のうねり曲線が略Ｍ字形状または略Ｓ字形状であることが好ましい。面２ａが長方形の面である場合、面２ａは互いに対向する２つの長辺を有する。２つの長辺に沿って測定される２つの第１のうねり曲線のうち、少なくとも一方の第１のうねり曲線が略円弧形状に延在することが好ましく、さらには２つの第１のうねり曲線が略円弧形状に延在することが好ましい。対向する２つの長辺に沿って測定される２つの第１のうねり曲線は、それぞれ略円弧形状に延在すればよく、形状は互いに完全に一致していなくてもよい。
２つの第２のうねり曲線のうち、少なくとも一方の第２のうねり曲線が略Ｍ字形状または略Ｓ字形状に延在することが好ましく、さらには２つの第２のうねり曲線が略Ｍ字形状または略Ｓ字形状に延在することが好ましい。２つの第２のうねり曲線は、それぞれ略Ｍ字形状または略Ｓ字形状に延在すればよく、形状は互いに完全に一致していなくてもよい。一方の第２のうねり曲線が略Ｍ字形状に延在する場合は、もう一方の第２のうねり曲線も略Ｍ字形状に延在することが好ましい。同様に、一方の第２のうねり曲線が略Ｓ字形状に延在する場合は、もう一方の第２のうねり曲線も略Ｓ字形状に延在することが好ましい。
図３～５はさらにうねり曲線の最大値と最小値の差Ｚを図示している。うねり曲線の最大値と最小値の差Ｚは１０μｍ以上であることが好ましい。最大値は、うねり曲線の最上点の中で最も大きな値である。また、最小値はうねり曲線の最下点の中で最も小さな値である。うねり曲線の最大値と最小値の差Ｚは１０μｍ以上、さらには５０μｍ以上であることが好ましい。うねり曲線の最大値と最小値の差Ｚを大きくすることにより、リード端子を接合した後にセラミックス基板２のうねりを小さくすることができる。なお、うねり曲線の最大値と最小値の差Ｚの最大値は特に限定されないが４００μｍ以下であることが好ましい。４００μｍを超えると、セラミックス基板２のうねりが大きいためリード端子を接合後にうねりが残存し、放熱部材への実装性が低下するおそれがある。
セラミックス基板２の厚さ／金属板の厚さの比は１．５以下であることが好ましい。表金属板３および裏金属板４を含む複数の金属板をセラミックス基板２に接合しているときは、その中で最も厚い金属板の厚さを用いて上記比が算出される。セラミックス基板２の厚さ／金属板の厚さの比は１．５以下、さらには０．５以下であることが好ましい。セラミックス基板２の厚さ／金属板の厚さの比が０．５以下であることは、セラミックス基板２を薄くすること、または金属板を厚くすることを示している。これにより、うねり曲線を制御し易くすることができる。セラミックス基板の長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２の比が、（Ｌ１／Ｌ２）≧１．２５を満足することが好ましい。すなわち、Ｌ１は、Ｌ２の１．２５倍以上であることが好ましい。基板の長辺が長いほど、所望のうねりを付与し易くなる。
セラミックス基板２の厚さが０．４ｍｍ以下、金属板の厚さが０．６ｍｍ以上のときは長辺の沿面のうねり曲線が略円弧形状、短辺の沿面のうねり曲線が略Ｍ字形状であることが好ましい。この形状であれば、セラミックス基板２のうねりが対称構造になっているので、リード端子を接合した後のセラミックス基板２のうねり曲線の最大値と最小値の差を小さくできる。また、窒化珪素基板であれば厚さを０．３３ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ以下と薄くできる。セラミックス基板２の厚さを０．４ｍｍ以下と薄くすることにより、うねり曲線を制御し易くなる。
セラミックス基板２の長辺の沿面の第１のうねり曲線と短辺の沿面の第２のうねり曲線を制御するために、金属板の配置構造を調整することも有効である。図６は金属板の配置構造の一例を示す図である。図６は、セラミックス基板２と、表金属板３として金属板３ａと、金属板３ｂと、金属板３ｃと、金属板３ｄと、セラミックス基板２の長辺の長さＬ１と、セラミックス基板２の短辺の長さＬ２と、金属板３ｃの長辺の長さＭ１－１と、金属板３ｄの長辺の長さＭ１－２と、金属板３ａの短辺の長さＭ２－１と、金属板３ｂの短辺の長さＭ２－２と、金属板３ｄの短辺の長さＭ２－３と、を図示する。
金属板の長辺の長さの合計をΣＭｎとしたとき、Ｌ１に対するΣＭｎの比は、０．５０≦ΣＭｎ／Ｌ１≦０．９５を満足することが好ましい。ΣＭｎは、セラミックス基板２の長辺の沿面に最も近い金属板の長さの合計である。ｎは、対象となる金属板の個数によって決まる。図６では、金属板３ｃと金属板３ｄがセラミックス基板２の長辺の沿面に最も近い。よって、ΣＭｎはＭ１－１＋Ｍ１－２との和である。一つの金属板の長さをＭで示したとき、Ｍ／Ｌ１≦０．５であることが好ましい。図６では金属板３ｃと金属板３ｄを図示しているが、金属板の個数は３個以上であってもよい。
金属板の短辺側の長さの合計をΣＭｍとしたとき、Ｌ２に対するΣＭｍの比は、０．５０≦ΣＭｍ／Ｌ２≦０．９５を満足することが好ましい。ΣＭｍは、セラミックス基板２の短辺の沿面に最も近い金属板の長さの合計値である。ｎは、対象となる金属板の個数によって決まる。図６では、金属板３ａ、３ｂ、３ｄがセラミックス基板２の短辺の沿面に最も近い。よってΣＭｍはＭ２－１とＭ２－２とＭ２－３との和である。また、一つの金属板の長さをＭで示したとき、Ｍ／Ｌ２≦０．５であることが好ましい。図６では金属板３ａ、金属板３ｂ、金属板３ｄを図示しているが、金属板の個数は４個以上であってもよい。
セラミックス基板２の長さＬ１、Ｌ２に対し、ΣＭｎ値、ΣＭｍ値、Ｍ値を制御することにより、うねり曲線の形状を制御することができる。これにより、金属板の配置数が３個以上と増えても、うねり曲線の形状を望ましい形状にすることができる。つまり、表金属板３の配置数が３個以上の複雑なパターン形状であってもうねり曲線の制御が可能となる。
図６は、セラミックス基板２の短辺の沿面に設けられた３個の金属板（３ａ、３ｂ、３ｄ）を図示している。金属板３ａと金属板３ｂの間および金属板３ｂと金属板３ｄの間に隙間ができる。この隙間にうねり曲線の極値を形成し易くなる。長辺側についても同様である。０．５０≦ΣＭｎ／Ｌ１≦０．９５、０．５０≦ΣＭｍ／Ｌ２≦０．９５、Ｍ／Ｌ１≦０．５、Ｍ／Ｌ２≦０．５、のいずれか１種または２種以上を組み合わせても良い。
セラミックス回路基板１は、リード端子付きセラミックス回路基板に好適である。図７はリード端子付きセラミックス回路基板の一例を示す図である。図８は半導体モジュールの一例を示す図である。図７および図８は、セラミックス回路基板１と、リード端子５と、半導体素子６と、放熱部材７と、リード端子付きセラミックス回路基板１０と、半導体モジュール２０とを図示している。
リード端子付きセラミックス回路基板１０は、セラミックス回路基板１と、セラミックス回路基板１に接合された表金属板３と、表金属板３に接合されたリード端子５と、を備える。リード端子５は、外部に導通させるための外部電極としての機能を有する。リード端子５の形状の例は、リードフレーム型およびリードピン型を含む。リード端子５の接合個数は特に限定されない。必要であれば、リード端子とワイヤボンディングとを併用してもよい。
リード端子付きセラミックス回路基板１０は、表金属板３に厚さ０．２ｍｍ以上のリード端子５を接合した構造に好適である。リード端子５の厚さは０．２ｍｍ以上、さらには０．４ｍｍ以上であることが好ましい。なお、リード端子５の厚さは、リードフレーム型の場合はリードフレーム板の厚さ、リードピン型の場合はリードピンの幅により定義される。リード端子５は、銅、アルミニウムまたはそれらの合金などの導電性の良い材料を含むことが好ましい。表金属板３とリード端子５との接合方法の例は、はんだ接合、ろう材接合、超音波接合、および圧接接合を含む。リード端子５を厚くすることにより通電容量を増加させ、インダクタンスを低減することができる。これにより、高性能化した半導体素子の良さを活かすことができる。
リード端子付きセラミックス回路基板１０は、うねり曲線の最大値と最小値の差Ｚを４０μｍ以下に小さくすることができる。厚さ０．２ｍｍ以上のリード端子５を接合すると、表金属板３が部分的に厚くなる。このような構造の場合、セラミックス基板２のうねりが大きい。セラミックス基板２は、長辺または短辺に沿って所定のうねりを有している。これにより、リード端子５の接合により発生するうねりを相殺することができる。この結果、リード端子付きセラミックス回路基板のうねり曲線の最大値と最小値の差Ｚを４０μｍ以下、さらには２０μｍ以下にすることができる。
リード端子の厚さの上限は特に限定されないが、３ｍｍ以下であることが好ましい。厚さ０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下のリードピンであれば、表金属板３の表面の任意の箇所に接合してもうねりを小さくすることができる。セラミックス基板２のうねりを小さくすることにより、放熱部材７への実装性を向上させることができる。
半導体モジュール２０は、リード端子付きセラミックス回路基板１０と、リード端子付きセラミックス回路基板１０に実装された半導体素子６と、放熱部材７と、を具備する。半導体素子６は表金属板３に接合される。半導体素子６の実装個数、実装箇所は表金属板３上であれば任意である。
放熱部材７は、裏金属板４を実装するための部材である。放熱部材７は、裏金属板４の上に設けられる。放熱部材７の例はヒートシンク、ベースプレート、および冷却フィンを含む。放熱部材７は、板状、くし歯状、溝型やピン型など様々な形状であってもよい。放熱部材７は、銅、Ａｌ、ＡｌＳｉＣなど放熱性の良い材料を含む部材が適用される。
放熱部材７と裏金属板４の間に、はんだ、グリースなど介在層が設けられてもよい。リード端子付きセラミックス回路基板１０のうねり曲線の最大値と最小値の差Ｚが小さいため、放熱部材７と裏金属板４の隙間が小さくなる。このため、はんだやグリースなどの介在層の塗布ムラがなくなる。これにより、位置ずれや介在物のはみ出しなどの実装不良の発生を防ぐことができる。
半導体モジュール２０は、ねじ止め構造などのセラミックス回路基板に応力がかかる実装構造を有していてもよい。ねじ止め構造であっても、放熱部材７と裏金属板４の隙間が小さいため、密着性を向上させることができる。これにより、ねじ止め時の応力集中が生じることを抑制できるため、実装不良を低減できる。
放熱部材７と裏金属板４の密着性を向上させることは、放熱性の向上にもつながる。放熱性の向上は半導体モジュールとしてのＴＣＴ特性の向上につながる。半導体素子の高性能化に伴い動作保証温度が１７５℃以上と高くなる。放熱性を向上させるために金属板を厚くすること、セラミックス基板２を薄くすることが検討されている。実施形態にかかるセラミックス回路基板は所定のうねり曲線を付与することにより、リード端子をつけた構造にしたとしても放熱性を向上させることができる。
ＴＣＴ特性を向上させるために、セラミックス基板２と金属板を接合層を介して接合することが好ましい。図９は金属板側面と接合層の形状の一例を示す図である。図９は、セラミックス基板２と、金属板（表金属板３）と、接合層８と、接合層と金属板側面の接触角θとを図示する。図９では表金属板３を例示したが、裏金属板４も同様である。
接合層は、活性金属を含むことが好ましい。活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、およびＡｌ（アルミニウム）から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。活性金属を含むろう材ペーストを用いて接合する。金属板が銅板（銅合金板を含む）であるときは、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、およびＮｂ（ニオブ）から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。これらの活性金属の中ではＴｉが好ましい。また、これら活性金属を含む接合層は、４０質量％以上８０質量％以下のＡｇと、２０質量％以上６０質量％以下のＣｕと、０．１質量％以上１２質量％以下の活性金属と、０質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０質量％以上２０質量％以下のＩｎと、を合計１００質量％以下含む活性金属ろう材を含むことが好ましい。金属板がアルミニウム板（アルミニウム合金板を含む）であるときは、Ａｌを主成分とするろう材を用いる。Ａｌろう材は、Ｓｉを０．１質量％以上１２質量％以下含むことが好ましい。
接合層８はセラミックス基板２と金属板３との間からはみ出た接合層はみ出し部を有することが好ましい。この接合層はみ出し部は金属板の端部から１０μｍ以上１００μｍ以下の領域に設けられることが好ましい。また、接合層８と金属板３の側面の接触角θは、８０度以下、さらには６０度以下であることが好ましい。接合層はみ出し部と接触角θを制御することにより、ＴＣＴ特性を向上させることができる。特に、リード端子付きセラミックス回路基板としてＴＣＴ特性を向上させることができる。接合層はみ出し部および金属板側面形状はエッチング加工を利用することにより制御できる。
必要に応じ、樹脂封止を行ってもよい。樹脂封止工程はトランスファーモールド法などの方法が適用できる。実施形態にかかる半導体モジュールは厚いリード端子を接合しているため、樹脂封止工程にてリード端子が断線することが無い。一方、ワイヤボンディングでは線が細いため、トランスファーモールド法のように型圧力の高い方法では断線が生じ易い。言い換えると、厚いリード端子を用いることにより、樹脂封止し易いモジュール構造とすることができる。
次に、上記セラミックス回路基板の製造方法について説明する。セラミックス回路基板は上記構成を具備すれば、その製造方法は特に限定されないが歩留り良く得るための方法として次の方法が挙げられる。
第一の製造方法は、目的とするうねり曲線を得るためにセラミックス成形体（グリーンシート）を加工した後、焼結する方法である。加工方法の例は、目的とするうねり曲線を得るためのうねりを有する金型を使った金型プレスを含む。グリーンシートを打ち抜く際に、目的とするうねり曲線を得るためのうねりを有する金型を使う方法もある。打ち抜いた後の乾燥工程にて目的とするうねり曲線を得るためのうねりを有する金型を使う方法もある。
第二の製造方法は、焼結後のセラミックス基板に目的とするうねり曲線を得るためにうねりを付与する方法である。通常のセラミックス基板の反り直し工程は荷重をかけながら加熱し、基板を平坦にする。このとき、目的とするうねり曲線を得るためのうねりを有する型で荷重をかけながら加熱する方法が有効である。
第三の製造方法は、金属板とセラミックス基板の接合工程で目的とするうねり曲線を得るためのうねりを付与する方法である。金属板とセラミックス基板を接合する際に、金属板に引張り応力を付与する。金属板に引張り応力を付与することにより、接合工程で金属板が収縮し、セラミックス基板にうねりが付与される。金属板に引張り応力を付与する方法の例はホーニング加工を含む。
第四の製造方法は、セラミックス回路基板の金属板の上からホーニング加工を行うことである。ホーニング加工を直線的に行うことにより、その部分を凸状にすることができる。
第五の製造方法は、表裏の金属板の体積比を制御する方法である。上記の第一ないし第五の製造方法は、それぞれ単独で行っても良いし、組合せてもよい。
第一の製造方法は厚さが０．４ｍｍ以下の薄型のセラミックス基板に特に有効である。セラミックス基板の厚さが０．６ｍｍ以上と厚いと、焼結工程にてセラミックス成形体の収縮が大きくなり、うねり曲線の制御が難しくなる。
第一の製造方法と同様に第二の製造方法も厚さが０．４ｍｍ以下の薄型のセラミックス基板に特に有効である。厚さが０．６ｍｍ以上のセラミックス基板にうねりを付与しようとすると、基板が破損する恐れがある。特に、強度が４００ＭＰａ以下かつ厚さが０．６ｍｍ以上となると基板の柔軟性が不足するので破損し易くなる。
第三の製造方法は、厚さ０．６ｍｍ以上の厚い金属板に特に有効である。金属板の厚さが０．３ｍｍ以下と薄いと引張り応力が大きくなり難いため、うねりの付与が不十分となりやすい。
第四の製造方法は、厚さ０．６ｍｍ以上の厚い金属板に特に有効である。金属板の厚さが０．３ｍｍ以下と薄いと引張り応力が大きくなり難いため、うねりの付与が不十分となりやすい。
第五の製造方法は、表裏の金属板の厚さの差を有する場合に有効である。このため、厚さ０．３３ｍｍ以下の窒化珪素基板と厚さ０．６ｍｍ以上の金属板(例えば銅板)の組合せが作り易い組合せとなる。
セラミックス基板と金属板の接合方法は、接合層を介した接合方法、接合層を介さずに直接接合する接合方法のどちらであってもよい。接合層を介した接合方法は、活性金属接合法が好ましい。活性金属接合法は、活性金属を含有した活性金属ろう材を用いる方法である。
活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、およびＡｌ（アルミニウム）から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。金属板が銅板（銅合金板を含む）であるときは、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、およびＮｂ（ニオブ）から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。これらの活性金属の中ではＴｉが好ましい。
上記活性金属を含む接合層は、４０質量％以上８０質量％以下のＡｇと、２０質量％以上６０質量％以下のＣｕと、０．１質量％以上１２質量％以下の活性金属と、０質量％以上２０質量％以下のＳｎと、０質量％以上２０質量％以下のＩｎと、を含有し、それらの合計含有量が１００質量％以下である活性金属ろう材を用いて形成されることが好ましい。Ｔｉを含む活性金属ろう材は窒化物セラミックス（窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板）と反応してＴｉＮを形成する。これにより、接合強度を向上させることができる。金属板がアルミニウム板（アルミニウム合金板を含む）であるときは、Ａｌを主成分とするろう材を用いる。Ａｌろう材は、Ｓｉを０．１質量％以上１２質量％以下含むことが好ましい。
セラミックス基板上に活性金属ろう材ペーストを塗布し、金属板を載置する。活性金属ろう材ペーストの塗布厚さは１０μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。接合工程は、６００℃以上９５０℃以下の温度で行うことが好ましい。活性金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂから選ばれる少なくとも一つの元素を含む場合は８００℃以上９５０℃以下の温度で行うことが好ましい。活性金属がＡｌを含む場合は６００℃以上８００℃以下の温度で行うことが好ましい。加熱雰囲気は非酸化性雰囲気であることが好ましい。必要に応じ、エッチング加工によりパターン形状を形成してもよい。金属板の側面をエッチング加工して、接合層のはみ出し部と金属板の接触角θを制御することができる。
接合層を介さすに接合する直接接合法により、セラミックス基板と金属板を接合してもよい。金属板が銅板の場合、銅と酸素の共晶を利用した直接接合法を用いることができる。セラミックス基板が窒化物の場合は、表面に酸化膜を形成して行う。金属板がＡｌ板の場合は、ＡｌＳｉ合金板を用いて直接接合する。
上記工程を行うことにより、セラミックス基板のうねり曲線を制御することができ、例えばセラミックス基板の長辺または短辺のうねり曲線を略円弧形状、もう一方を略Ｍ字形状または略Ｓ字形状にすることができる。また、第一ないし第三の製造方法の条件を調整することにより、うねり曲線の最大値と最小値の差Ｚを調整することができる。
次に、上記リード端子付きセラミックス回路基板の製造方法を説明する。リード端子付きセラミックス回路基板は、上記セラミックス回路基板にリード端子を接合することにより製造される。
リード端子の例は、リードフレーム型リード端子およびリードピン型リード端子を含む。リード端子の形状の例は、板状、ピン状、Ｓ字状、およびＬ字状を含む。リード端子は銅、Ａｌまたはそれらの合金を含むことが好ましい。
リード端子はセラミックス回路基板の表金属板に接合される。リード端子と表金属板の接合方法の例は、接合材を使う方法、超音波接合、および圧接接合法を含む。接合材としては、はんだやろう材が挙げられる。
セラミックス回路基板に所定のうねり曲線を付与することにより、リード端子の厚さが０．２ｍｍ以上、さらには０．４ｍｍ以上と大型化したときにセラミックス基板が湾曲するのを防ぐことができる。このため、リード端子付きセラミックス回路基板は長辺および短辺のうねり曲線の最大値と最小値の差Ｚを４０μｍ以下、さらには２０μｍ以下と小さくすることができる。
前述のように、０．５０≦ΣＭｎ／Ｌ１≦０．９５、０．１０≦ΣＭｍ／Ｌ２≦０．９５、Ｍ／Ｌ１≦０．５、Ｍ／Ｌ２≦０．５、のいずれか１種または２種以上を付与することが好ましい。このような範囲とすることにより、表金属板３が３個以上となったとしてもうねり曲線を制御することができる。例えば、表金属板３を２つ以上の複数枚接合し、金属板同士の隙間を設けることにより、うねり曲線の極値を付与し易くなる。セラミックス基板２と表金属板３の沿面距離を１ｍｍ以上２ｍｍ以下と狭くしたとしても、所定のうねり曲線を付与することができる。
次に、半導体モジュールの製造方法を説明する。半導体モジュールの製造方法は、上記リード端子付きセラミックス回路基板に半導体素子を実装する工程、放熱部材に実装する工程を具備する。
半導体素子を実装する工程では、表金属板上に半導体素子を実装する。半導体素子ははんだなどの接合層を介して接合されることが好ましい。放熱部材に実装する工程では、セラミックス回路基板の裏金属板を放熱部材に実装する。裏金属板と放熱部材の間には、必要に応じ、グリース、はんだ、ろう材などを介在させてもよい。
必要に応じ、セラミックス基板をねじ止めしてもよい。ねじ止め構造の例は、セラミックス基板にねじ穴を設ける構造、セラミックス基板の端部を押さえ治具で固定してねじ止めする構造を含む。
上記リード端子付きセラミックス回路基板は、長辺および短辺のうねり曲線の最大値と最小値の差Ｚが小さい。このため、放熱部材への実装時に、裏金属板と放熱部材の隙間を小さくすることができる。このため、裏金属板と放熱部材の間の放熱性を向上させることができる。
裏金属板と放熱部材の密着性を向上させるため、ねじ止めなどのようにセラミックス基板に応力がかかる固定方法を行ったとしても、位置ずれや破損などの実装不良が発生し難い。これに対し、必要に応じ、樹脂封止工程を行ってもよい。樹脂封止工程の例は、トランスファーモールド法を含む。トランスファーモールド法は、成型圧力を高めて量産性を向上させた封止方法である。厚さ０．２ｍｍ以上のリード端子を接合することにより、トランスファーモールド工程中のリード端子の断線を防ぐことができる。言い換えると、リード端子付きセラミックス回路基板およびそれを用いた半導体モジュールはトランスファーモールド工程に適している。
（実施例１～８、比較例１～３）
表１に示す窒化珪素回路基板を作製した。窒化珪素基板として熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度７００ＭＰａの窒化珪素基板を用意した。表金属板、裏金属板として銅板を用意した。窒化珪素基板と銅板とをＴｉを含有する活性金属ろう材を用いて接合した。活性金属ろう材として、Ａｇ（残部）、Ｃｕ（３０質量％）、Ｔｉ（５質量％）、Ｓｎ（１０質量％）からなるろう材を用いた。活性金属ろう材ペーストを厚さ２０μｍで塗布し、８５０℃、非酸化性雰囲気で加熱して窒化珪素基板と銅板を接合した。銅板を接合した後、エッチング加工により、接合層はみ出し部サイズ、銅板側面端部と接合層はみ出し部との接触角θを調整した。接合層はみ出し部の長さは２０～４０μｍ、銅板側面端部と接合層はみ出し部との接触角θは４０～６０度に調整した。表銅板の銅板間距離は１．５～３．０ｍｍとした。表銅板とセラミックス基板との沿面距離を１．５ｍｍに統一した。実施例はうねりの付与工程として、第二の製造方法（セラミックス基板に目的とするうねりを付与する方法）または第四の製造方法（金属板上に直線的にホーニング加工を施す）を行った。比較例１は反り直し工程により、うねりを無くした。また、比較例２、３は実施例と同様の方法でうねりを付与した。
Figure 2022046758000002
実施例および比較例にかかるセラミックス回路基板に対し、ΣＭｎ／Ｌ１、ΣＭｍ／Ｌ２、Ｍ／Ｌ１、Ｍ／Ｌ２を測定した。これらの測定は、セラミックス基板の長辺側（Ｌ１側）および短辺側（Ｌ２側）において沿面に一番近い箇所にある表金属板を基準に行った。なお、Ｍ／Ｌ１、Ｍ／Ｌ２はサイズの異なる金属板を接合したときは、最も大きな値を示した。その結果を表２に示す。
Figure 2022046758000003
表２から分かる通り、実施例にかかる窒化珪素回路基板は、０．５０≦ΣＭｎ／Ｌ１≦０．９５、０．５０≦ΣＭｍ／Ｌ２≦０．９５、Ｍ／Ｌ１≦０．５、Ｍ／Ｌ２≦０．５の１つまたは２つ以上を満たしていた。
次に実施例および比較例にかかるセラミックス回路基板の長辺および短辺のうねり曲線を測定した。うねり曲線の測定は、セラミックス基板の端部から１ｍｍ内側の部分をレーザスキャンして測定した。測定結果をＪＩＳ－Ｂ０６０１に準じてうねり曲線にした。また、うねり曲線の最大値と最小値の差Ｚも併せて測定した。その結果を表３に示す。
Figure 2022046758000004
実施例および比較例にかかるセラミックス回路基板にリード端子を接合した。リード端子は表４に示すリード端子を用いた。なお、リード端子はすべて銅からなるリード端子を用いた。リードフレーム型は平板形状、リードピン型は円柱形状とした。リードピン型の場合、リード端子の厚さは直径となる。
Figure 2022046758000005
次に、実施例および比較例にかかるセラミックス回路基板に表４に示すリード端子を接合した。リード端子の接合個数は一つの表金属板に接合した個数で示した。つまり、表金属板が２つあるので、実際の接続個数は２倍となる。例えば、実施例１は、一つの金属板に２つのリード端子１を接合した。実施例１では２つの表金属板を設けているため、リード端子１の接続個数は全部で４つとなる。その後、長辺側のうねり曲線(第１のうねり曲線)および短辺側のうねり曲線(第２のうねり曲線)の最大値と最小値の差Ｚを測定した。その結果を表５に示す。
Figure 2022046758000006
表から分かる通り、実施例にかかるリード端子付きセラミックス回路基板はうねり曲線の最大値と最小値の差Ｚが２０μｍ以下と小さかった。それに対し、比較例は、いずれも大きな値となった。
次に、実施例および比較例にかかるリード端子付きセラミックス回路基板に対し、ＴＣＴ特性、実装性の確認試験を行った。ＴＣＴは、－４０℃×３０分→室温×１０分→１７５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとし、５０００サイクル後の不良の発生率を測定した。ＴＣＴによる不良発生率が０％は不良なし、１００％はすべて不良品（接合層またはセラミックス基板へのクラック発生）である。
実装性の確認試験は、放熱部材にねじ止めにより固定する際の不良の発生率を測定した。ねじ止めは裏金属板と放熱部材の間にグリースを介して行った。熱抵抗（Ｋ／Ｗ）についても測定した。その結果を表６に示す。
Figure 2022046758000007
表から分かる通り、実施例にかかるリード端子付きセラミックス回路基板は、ＴＣＴ特性、実装性共に良好な結果が得られた。それに対し、比較例はうねりが大きいため特性が低下した。このため、実施例は厚いリード端子を接合するセラミックス回路基板に好適であることが分かった。窒化珪素基板を０．３２ｍｍ以下、さらには０．２５ｍｍ以下と薄くしても優れた耐久性を示した。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (9)

  1. 第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面が第１の領域と第２の領域とを含む、厚さ１．０ｍｍ以下のセラミックス基板と、
    前記第１の領域に接合された第１の金属板と、
    前記第２の面に接合された第２の金属板と、を具備し、
    前記第１の面は、第１の方向、および前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、
    前記第１の面の前記第１の方向に延在する第１の辺に沿って測定される前記第２の領域の第１のうねり曲線は、１つ以下の極値を有し、
    前記第１の面の前記第２の方向に延在する第２の辺に沿って測定される前記第２の領域の第２のうねり曲線は、２つ以上３つ以下の極値を有し、
    前記第１のうねり曲線および前記第２のうねり曲線の少なくとも一つの最大値と最小値の差が４０μｍ以下である、セラミックス回路基板。
  2. 前記第１のうねり曲線は、略円弧形状であり、
    前記第２のうねり曲線は、略Ｍ字形状または略Ｓ字形状である、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  3. 前記第１の金属板および前記第２の金属板の少なくとも一つの厚さが０．６ｍｍ以上である、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  4. 前記第１の金属板および前記第２の金属板のうち最も厚い金属板の厚さに対する、前記セラミックス基板の厚さの比は、１．５以下である、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  5. 前記セラミックス基板は、厚さ０．３３ｍｍ以下の窒化珪素基板である、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  6. 前記第１の金属板および前記第２の金属板の少なくとも一つは、接合層を介して前記セラミックス基板に接合されている、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  7. 前記第１のうねり曲線および前記第２のうねり曲線の少なくとも一つの最大値と最小値との差が１０μｍ以上である、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  8. 前記第１の金属板に接合された、厚さ０．２ｍｍ以上のリード端子をさらに具備する、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  9. 請求項１に記載のセラミックス回路基板と、
    前記第１の金属板の上に設けられた半導体素子と、
    前記第２の金属板の上に設けられた放熱部材と、を具備する、半導体モジュール。
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