JP4427154B2 - セラミックス回路基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体実装用基板として有用なセラミックス回路基板に係り、特にセラミックス基板上に主としてアルミニウムからなる金属板を直接接合してなるセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュールのような大電力電子部品の実装に使用する基板としては、セラミックス基板の表面に銅板を接合した銅張りセラミックス回路基板が使用されていた。
【０００３】
このセラミックス回路基板は、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス基板に、銅が直接接合又はろう接等されて作製されている。
【０００４】
直接接合基板は、特開昭５２−３７９１４号公報に開示されるように、酸素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表面に酸化銅を発生させてから、銅板とアルミナ基板を重ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ銅板とアルミナ基板とを接合する。
【０００５】
銅／窒化アルミニウム直接接合基板の場合には、例えば特開平３−９３６８７号公報に開示するように、予め空気中において、約１０００℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸化物を生成させてから、この酸化物層を介して銅板と窒化アルミニウム基板とを接合する。このような酸化物層を利用した接合方法は、酸化物そのものが必ずしも熱伝導率がよいわけではないことから金属接合セラミックス基板の熱伝導を悪くしてしまう。
【０００６】
また、銅をアルミナ、窒化アルミニウムにろう接する場合は、銅板とセラミックス回路基板との間に低融点のろう材又は融点を下げる為の合金元素、セラミックスとの濡れを良くする為の合金元素を添加したろう材を介在させて接合する。上述したような銅／セラミックス回路基板は広く使用されるにもかかわらず、製造上及び実用上幾つかの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子部品の実装及び使用時にセラミックス基板の内部にクラックが発生し、基板の表裏間が電気的に導通することによる故障である。
【０００７】
このようなクラックの発生は、銅の熱膨張係数がセラミックスの熱膨張係数より約一桁大きいことに起因している。つまり、これらを接合する際、１０００℃近くまで加熱するため、接合温度から室温に冷却する際に熱膨張係数の違いによりセラミックス回路基板の内部に多大の熱応力が発生してしまうからである。
【０００８】
また、使用時の発熱や冷却により、セラミックス回路基板の温度が変化し、変動熱応力が発生し、この熱応力によってセラミックス基板にクラックが発生することがある。
【０００９】
現在、上記したような銅に代わって、セラミックスの熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有するアルミニウムが接合に用いられるようになっている。また、アルミニウムは融点が低いため銅に比べて低い温度で接合でき、冷却の際の収縮によるクラック発生を少なくすることができる。さらに、前述のようにアルミニウムは銅よりも軟質金属であるため、使用時の発熱や冷却に伴う熱膨張に対してアルミニウム板そのものが柔軟に対応でき、セラミック基板にクラックを発生させる応力を低減することも可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、電気自動車用パワーモジュールの開発により、より一層冷熱サイクル耐量に優れた回路基板の開発が求められている。例えば、電気自動車のように温度変化が激しく振動が大きい使用条件の場合、回路基板の冷熱サイクル耐量が５００回以上であることが要求される。現在使用されている銅／セラミックス回路基板では、このような要求に対応することは不可能であり、また、比較的クラック発生の少ないといわれる、通常のアルミニウム／セラミックス回路基板においても、このような冷熱サイクルに耐えることは難しい。
【００１２】
本発明の目的は、主としてアルミニウムからなる金属板を接合したセラミックス回路基板において、これまでのものよりも冷熱サイクル耐量を向上させ、より過酷な環境下の使用でもクラックの発生を起こさず、信頼性のあるセラミックス回路基板を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に直接接合され、主としてアルミニウムからなる金属板とを具備するセラミックス回路基板において、前記金属板は、前記セラミックス基板との接合面の反対側の面の外周縁部内側に設けられる複数の孔を有することを特徴とするものである。
【００１７】
前記複数の孔は、前記金属板の外周縁部に沿って所定の間隔で直線状に形成されていることが好ましい。さらに、前記複数の孔は、その直径が０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する各孔との距離が０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ孔の縁部が前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けられていることが好ましい。
【００１８】
また、本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に接合され、主としてアルミニウムからなる金属板とを具備するセラミックス回路基板において、前記金属板は、前記セラミックス基板との接合面の反対側の面の外周縁部内側に設けられ、外周縁部に沿って複数の不連続な溝を有し、前記不連続な溝は、その深さが前記金属板の実装面となる部分の厚さの１／６以上５／６以下、幅が０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ溝の縁部が前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けられていることを特徴とするものである。
【００２０】
さらに、前記主としてアルミニウムからなる金属板には、例えばＡｌ−Ｓｉ合金板等を用いることができる。
【００２５】
本発明のセラミックス回路基板では、主としてアルミニウムからなる金属板の外周縁部内側に複数の孔を設けることで、金属板とセラミックス基板との熱膨張率の差により発生する応力を緩和し、冷熱サイクル等によるクラックの発生を抑制することが可能となる。
【００２６】
また、複数の孔を前記金属板の外周縁部に沿って所定の間隔で直線状に形成し、その直径を０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する各孔との距離を０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、かつ孔の縁部を前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けることでクラックの発生をさらに抑制することができる。
【００２７】
本発明のセラミックス回路基板では、金属板のセラミックス基板が接合されていない面の外周縁部内側に、外周縁部に沿って複数の不連続な溝を形成することで、金属板とセラミックス基板との熱膨張率の差により発生する応力を緩和し、より冷熱サイクル等によるクラックの発生を抑制することが可能となる。
【００２８】
また、不連続な溝の深さを前記金属板の実装面となる部分の厚さの１／６以上５／６以下、幅を０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、かつ溝の縁部を前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けることで、クラックの発生をさらに抑制することができる。
【００３１】
これら上記した本発明のセラミックス回路基板においては、アルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料から主としてなるなるものをセラミックス基板として用いることで、セラミックス回路基板に必要とされる強度、熱伝導性等の特性を向上させることができる。
【００３２】
さらに、主としてアルミニウムからなる金属板をＡｌ−Ｓｉ合金板とすることにより、アルミニウム板と各種セラミックスとの接合強度を向上させることが可能となる。従って、前述の形状を改良したアルミニウム板に適用することにより更にセラミックス板にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、参考例のセラミックス回路基板の一例を示したものである。
【００３４】
セラミックス回路基板１は、例えばセラミックス基板２にアルミニウム板３を接合したものである。このときアルミニウム板３の外周縁部を３ａとした場合、外周縁部内側を薄肉部３ｂとしたものである。ここで、外周縁部内側とは、外周縁部から中央方向に向う一定距離の部分のことである。
【００３５】
例えば、アルミニウム板をセラミックス板に直接接合する際、アルミニウム板の融点以上に加熱するが、アルミニウム板の外周縁部内側に薄肉部を設けることによって、アルミニウム板外周縁部に発生する応力を、アルミニウム板の薄肉部の塑性変形により吸収し、セラミックス板にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。また、アルミニウム板とセラミックス板の接合時だけでなく、これらを接合した後の使用の際にも、冷熱サイクルにより熱応力が発生するが、この場合にもアルミニウム板外周縁部に発生する応力を、アルミニウム板の薄肉部の塑性変形により吸収し、セラミックス板にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。
【００３６】
薄肉部３ｂの形状としては、例えば図２に示すように、アルミニウム板のセラミックス板と接合していない面を削り、段差を設けることが挙げられる。このような薄肉部３ｂの形成方法としては、機械的に加工する方法の他に、エッチング等により加工する方法が挙げられる。薄肉部３ｂは、セラミックス板とアルミニウム板とを接合した後に形成してもよいが、セラミックス板と接合する前に形成することによって、接合時の応力によりセラミックス板にクラックが発生することを抑制できるため、より効果的である。
【００３７】
このような薄肉部３ｂの形成範囲としては、例えばアルミニウム板の外周縁部からの長さをＷ、薄肉部の厚さをＴとすると、Ｗは０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、Ｔはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６以上５／６以下であることが好ましい。この薄肉部の外周縁部からの長さＷが０．３ｍｍ未満であると、応力緩和効果が十分に得られずクラック発生の原因となる。また、１．０ｍｍを超えた部分に形成されたものは、応力緩和効果が十分でなく、かつ実装面積も減少させてしまう。薄肉部３ｂの厚さＴはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６未満であると、アルミニウム板の強度を低下させる恐れがあり、５／６を超えると応力緩和効果が認められなくなる。
【００３８】
次に、本発明のセラミックス回路基板の一例を図３に示す。
【００３９】
本発明のセラミックス回路基板４は、図３に示されるように、例えばアルミニウム板３のセラミックス基板２との接合面と反対面側の外周縁部内側に複数の孔５が形成されているものである。
【００４０】
上述した本発明のセラミックス回路基板の好ましい形態としては、前記複数の孔５が例えばアルミニウム板３の外周縁部にそって直線状に形成されているものである。この孔の横断形状は図４に示されるような、円形状であっても、また図５に示されるような矩形状であってもよい。このような複数の孔は、エッチングにより形成してもよいし、金型を用いたプレス加工により形成してもよい。このように、複数の孔を直線状に形成することによって、アルミニウム板の外周縁部への応力集中を効率的に緩和させることができる。
【００４１】
このような孔の大きさとしては、図４に示されるように孔が円の場合は、孔の直径をＤとしたとき、Ｄが０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、孔と孔との間隔をＬとしたとき、Ｌは０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、金属板の外周縁部から孔までの距離をＺとしたとき、Ｚは０．３ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４２】
孔の直径が０．３ｍｍ未満では十分に応力を緩和することができず、また１．０ｍｍを超えるとアルミニウム板の強度低下をもたらすとともに、実装面積の低下を招いてしまう。また、孔と孔との間隔はあまり大きすぎると、応力の緩和効果を十分に得られないおそれがあり、小さすぎると孔を加工するときにアルミニウム板の変形等を招いてしまう場合がある。また、金属板の外周縁部から孔の外周縁部までの距離Ｚが０．３ｍｍ未満であると応力緩和効果が十分でなくなる恐れがある。
【００４３】
上述した複数の孔は図６や図７に示されるような非貫通孔５ａであってもよいし、また図８に示すように貫通孔５ｂであってもよい。例えば、非貫通孔５ａはプレス加工等により容易に形成することができるため、製造工数の削減等に有効である。また、貫通孔５ｂはＤＢＡ法を適用する場合に、接合に寄与せずにガス化した酸素などの排出孔としても機能させることができる。
【００４４】
ここで複数の孔を非貫通孔５ａとする場合、その深さ方向の形状は図６に示すようにほぼ均一形状であってもよいし、また図７に示すように逆円錐状であってもよい。
【００４５】
次に、本発明のセラミックス回路基板の他の例について説明する。
【００４６】
本発明のセラミックス回路基板６は、図９に示されるように、アルミニウム板３のセラミックス基板２との接合面と反対面側の外周縁部内側に不連続な溝７が形成されているものである。このような不連続な溝７を設けることによってアルミニウム板３の外周縁部に発生する応力を効率的に緩和させることができる。ここで外周縁部内側とは、図９に示すように、金属板の外周縁部から中央方向に向かった部分のことである。本発明のセラミックス回路基板においては、不連続な溝は直線状に形成されていることが好ましい。このように不連続な溝を直線状に形成することによって、より効率的に応力集中を緩和することができる。
【００４７】
図１０は本発明のセラミックス回路基板６の一部分を拡大したものである。ここで、Ｗは単体溝の幅を、Ｅは単体溝の長さを、Ｚは単体溝の外周縁部からの距離を表している。
【００４８】
不連続な溝を構成する各単体溝の形状、すなわち単体溝の幅Ｗ、長さＥ及び外周縁部からの距離Ｚは、幅Ｗが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、長さＥが２０ｍｍ以下、かつ外周縁部からの距離Ｚが０．３ｍｍ以上である。
【００４９】
幅Ｗが０．０５ｍｍ未満の場合は、十分に応力を緩和することができず、１．０ｍｍを超える場合は、アルミニウム板の強度低下を招くとともに、実装面積の低下を招くことになる。また、各単体溝の長さＥが２０ｍｍを超えると、溝非形成領域の減少に伴ってアルミニウム板の変形を十分に抑制できないおそれがある。また、外周縁部からの距離Ｚが０．３ｍｍ未満であると、十分な応力緩和効果が得られなくなる恐れがある。
【００５０】
また、不連続な溝７の縦断面形状は図１１に示すように、深さ方向にほぼ均一でもよいし、図１２に示すように逆三角形状であってもよい。但し、その深さＨはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６以上５／６以下であることが好ましい。深さＨがアルミニウム板の実装面の厚さの１／６未満の場合、応力の分散効果が不十分となるおそれがあり、またアルミニウム板の実装面の厚さの５／６を超える場合、アルミニウム板の強度低下等を招きやすくなる。
【００５１】
さらに本発明のセラミックス回路基板に用いられるセラミックス基板としては、主としてアルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料からなるものであることが好ましい。
【００５２】
次に半導体装置の一実施形態について説明する。
【００５３】
図１３は半導体装置の外観を示した図である。また、図１４は半導体装置の断面形状を示した図である。
【００５４】
半導体装置８は図１３に示すように、窒化アルミニウム等のセラミックス基板２に接合されたアルミニウム板３と、前記アルミニウム板３のセラミックス基板２が接合されていない面にハンダ層９を介して接合された半導体素子１０からなる半導体装置８において、前記アルミニウム板３の半導体素子１０が接合された面に複数の溝１１を設けたものである。
【００５５】
ここで、Ｈはアルミニウム板に形成される溝の深さを、Ｗは溝の幅を、Ｌは溝と溝との距離を示している。
【００５６】
従来、アルミニウム板に半導体素子をハンダ付けする際、ハンダ部分にガスが巻き込まれてハンダ巣を形成してしまうことがあった。このハンダ部分に存在するハンダ巣は熱抵抗不良の原因となるため、除去することが好ましい。
【００５７】
この半導体装置では、このようにアルミニウム板３のハンダ層９が形成される面に溝１１を設けることによって、この溝１１よりハンダ巣を形成する原因となるガスを排出してハンダ巣の発生を抑制し、かりにハンダ巣が発生したとしても、溝１１を設けたことによって、溝１１より大きなハンダ巣が形成されるのを抑制することができる。従って、この半導体装置では、ハンダ巣による熱抵抗不良を抑制し、各半導体装置における熱抵抗等のバラツキを抑えることができる。
【００５８】
このようなアルミニウム板に形成される溝の深さＨはアルミニウム板の厚さの１／６以上５／６以下、幅Ｗは０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する溝との距離Ｌは０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５９】
溝の深さがアルミニウム板の厚さの１／６未満であるとガス排出効果が低くなりハンダ巣が形成されやすくなる、またアルミニウム板の厚さの５／６を超えると、アルミニウム板の強度低下を招いてしまう。また、幅Ｗを０．０５ｍｍ未満とするとガス排出効果が低くなり、ハンダ巣が形成されやすくなる、また幅Ｗが１．０ｍｍを超えるとガス排出効果が低くなるとともに、アルミニウム板の強度低下を招いてしまう。さらに、このような溝と溝との間隔Ｌは、０．０５ｍｍ未満であると基板の強度低下を起こしてしまい、間隔Ｌが５．０ｍｍを超えるとガス排出効果が低くなり、ハンダ巣が形成されやすくなってしまう。
【００６０】
さらに半導体装置に用いられるセラミックス基板としては、アルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素等から選ばれる少なくとも１種の材料から主としてなるものであることが好ましい。また、主としてアルミニウム板からなる金属板は、アルミニウムが５０ｗｔ％以上であれば特に限定されるものではなく、純度９９％以上の高純度アルミニウム、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｍｎ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金など各種Ａｌ合金板が適用可能である。その中でも、Ａｌ−Ｓｉ合金は各種セラミックスと共晶接合しやすいことから特にＡｌ−Ｓｉ合金板を用いることが好ましい。Ｓｉ含有量は、０．００１〜４０ｗｔ％が好ましく、例えばアルミナや窒化アルミニウムのように主成分としてＳｉを含まないセラミックスにおいては、アルミニウム板中のＳｉ量は５〜３０ｗｔ％が好ましく、窒化ケイ素のように主成分としてＳｉを含んでいるセラミックスにおいてはアルミニウム板中のＳｉ量は０．０１〜１５ｗｔ％が好ましい。
【００６１】
以下、半導体装置の作製法について、一例を示す。
【００６２】
例えば窒化アルミニウムからなるセラミックス基板にＤＢＡ法によりアルミニウム板を接合する。さらに、接合されたアルミニウム板のセラミックス基板を接合していない面のＳｉペレット等の半導体素子を接合しようとする部分に、エッチング等の方法により半導体素子の長さよりも長い複数の溝を形成する。この溝を形成した面にハンダを用いて半導体素子を接合する。このように予め溝を設けた部分にハンダを用いて半導体素子を接合することによって、ハンダ部分に発生するハンダ巣の除去、又は成長を抑制し熱抵抗不良となるのを抑制することができる。
【００６３】
本発明のセラミックス回路基板においては、エッチングやプレス加工によりあらかじめ溝を設けたアルミニウム板をセラミックス基板に直接接合してもよいし、アルミニウムを溶融させ、これをセラミックス基板に塗布し、その後エッチング等により溝を形成し、半導体素子をハンダで接合してもよい。
【００６４】
【実施例】
次に本発明の具体例及びその評価について述べる。
【００６５】
参考例１、実施例１、２、比較例１
参考例１
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部より１ｍｍまでの部分の厚さを０．２５ｍｍとした。その後、このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【００６６】
実施例１
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部内側に複数の孔を設けた。孔の直径は０．５ｍｍ、各孔の間隔は、０．５ｍｍ、かつ孔の縁部が外周縁部より０．５ｍｍとなるようにした。このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【００６７】
実施例２
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部内側に複数の溝を設けた。溝の深さは０．２５ｍｍ、溝の幅は０．０５ｍｍ、かつ溝の縁部が外周縁部より０．５ｍｍとなるようにした。このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【００６８】
比較例１
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【００６９】
上記のようにして作製した参考例１、実施例１、２及び比較例１のセラミックス回路基板に対して冷熱サイクル試験（ＴＣＴ：２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分を１サイクルとする。ＲＴは室温。）を施し、この熱サイクル付加時における応力分布を測定した。
【００７０】
参考例、実施例、および比較例の結果を図１５、１６及び１７に示す。
【００７１】
各図から明らかなように、アルミニウム板の外周縁部内側に薄肉部、孔又は溝を設けたものは、いずれも外周縁部に発生した応力を緩和し、アルミニウム板の外周縁部付近の応力は、低くなっていることがわかる。
【００７２】
これに対して、アルミニウム板に何も加工をしなかったものは、アルミニウム板の外周縁部に大きな応力が生じており、クラック等の発生の恐れがあることがわかった。
【００７３】
参考例２〜５、比較例２
参考例２〜５
厚さ０．５ｍｍ、縦３ｃｍ×横３ｃｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、図１８に示すように、このアルミニウム板の中央部に複数の溝を設けた。溝の深さ（Ｈ）、幅（Ｗ）、長さ（Ｅ）及び間隔（Ｌ）は表１に示すように調整した。また、溝は、溝方向と垂直な方向の両縁部から５ｍｍの部分には設けなかった。
【００７４】
さらに、アルミニウム板の溝を設けていない面に窒化アルミニウム基板を直接接合し、また溝を設けた面の中央部にハンダを用いてＳｉペレットを接合し半導体装置を作製した。
【００７５】
Ｓｉペレットは厚さ０．５ｍｍ、縦２ｃｍ×横２ｃｍのものを用いた。
【００７６】
比較例２
厚さ０．５ｍｍ、縦３ｃｍ×横３ｃｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用い、このアルミニウム板の一方の面に溝加工を施さないまま、ハンダを用いてＳｉペレットを接合し、他方の面に窒化アルミニウム基板を直接接合により接合し半導体装置を作製した。Ｓｉペレットは、参考例２〜５で用いたものと同様のものを用いた。
【００７７】
このようにして作製された参考例２〜５及び比較例２の半導体装置の熱抵抗を測定した。
【００７８】
参考例２〜５及び比較例２における熱抵抗の評価結果を表１に示す。
【００７９】
【表１】
表１から明らかなように、参考例２〜５のようにＳｉペレットとの接合面に溝を設けたものは、いずれも熱抵抗不良が抑制されていることがわかった。特に、溝の深さ、幅、長さ、間隔を、本発明における好ましい値としたものは、熱抵抗不良が大幅に抑制されていることがわかった。
【００８０】
これに対して、アルミニウム板のＳｉペレットとの接合面に溝を設けず、Ｓｉペレットとアルミニウム板とを接合した比較例２では、熱抵抗不良が発生していることがわかった。
【００８１】
以上の結果より、アルミニウム板のＳｉペレット接合面に複数の溝を設けることによって、ハンダ巣の生成又は成長を抑制し、熱抵抗不良を大幅に抑制することができることが確認された。
【００８２】
参考例６〜８
参考例１のアルミニウム板をＡｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ板に変えたものを参考例６、参考例１の窒化アルミニウム基板を窒化ケイ素基板に変えたものを参考例７、参考例１のアルミニウム板をＡｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ板に変えさらに窒化アルミニウム基板を窒化ケイ素基板に変えたものを参考例８とした。
【００８３】
このようなセラミックス回路基板に対し、アルミニウム板のピール強度並びに冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）として、２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分を１サイクルとした通常より厳しい条件にて、１０００サイクルおよび２０００サイクル行った場合のセラミックス基板へのクラックの有無を確認した。
【００８４】
また、比較のため比較例１のセラミックス回路基板についても同様の測定を行った。その結果を表２に示す。
【００８５】
【表２】
表２に示されるように、アルミニウム板にＳｉを含有させた場合のほうがピール強度が向上していることがわかる。
【００８６】
また、ＴＣＴ試験結果を見ても、参考例のものは試験条件が２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分と通常よりも厳しい条件にもかかわらず、１０００サイクルまではセラミックス基板へのクラックの発生は確認されなかった。
【００８７】
それに対し、比較例のものは若干の剥がれが確認された。これはアルミニウム板の外周部に薄肉部がないため応力緩和がなされていないためであるといえる。なお、ＴＣＴ試験の「ややあり」との表記は若干の割れ現象が確認されたものを示すものである。
【００８８】
さらに、窒化アルミニウム基板と窒化ケイ素基板とを比較すると、窒化ケイ素基板（参考例７および８）を用いたものの方が優れたＴＣＴ試験特性を示すことが分かった。
【００８９】
【発明の効果】
本発明のセラミックス回路基板は、冷熱サイクルが付加された場合等に、主としてアルミニウムからなる金属板に生じる熱応力や残留応力を分散させることによって金属板の外周縁部への応力集中を抑制し、セラミックス回路基板にクラックが発生することを抑制することができる。
【００９０】
また、本発明の半導体装置は、セラミックス回路基板に半導体素子を接合する際に用いたハンダにハンダ巣が形成されるのを抑制し、熱抵抗不良や剥離等を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 金属板の外周縁部内側に薄肉部を設けた場合の一例を示す外観図。
【図２】 金属板の外周縁部内側に薄肉部を設けた場合の一例を示す断面図。
【図３】 金属板の外周縁部内側に孔を設けた場合の一例を示す外観図。
【図４】 図３の一部分を拡大した平面図。
【図５】 孔の形状を矩形とした場合の一例を示す平面図。
【図６】 金属板の外周縁部内側に孔を設けた場合の一例を示す断面図。
【図７】 孔の深さ方向の形状の他の例を示す断面図。
【図８】 孔を貫通孔とした場合の一例を示す断面図。
【図９】 金属板の外周縁部内側に不連続な溝を設けた場合の一例を示す外観図。
【図１０】 図９の一部分を拡大した平面図。
【図１１】 溝の断面形状の一例を示す断面図。
【図１２】 溝の断面形状の他の例を示す断面図。
【図１３】 半導体装置の一例を示す外観図。
【図１４】 半導体装置の一例を示す断面図。
【図１５】 冷熱サイクル試験実施後の参考例１の応力分布を表す図。
【図１６】 冷熱サイクル試験実施後の実施例１の応力分布を表す図。
【図１７】 冷熱サイクル試験実施後の実施例２の応力分布を表す図。
【図１８】 参考例２〜５に用いたアルミニウム板の一例を示した概略図。
【符号の説明】
１……セラミックス回路基板
２……セラミックス基板
３……アルミニウム板
３ａ……外周縁部
３ｂ……薄肉部
５……孔
７……溝
９……ハンダ層
１０……半導体素子
１１……溝
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体実装用基板として有用なセラミックス回路基板に係り、特にセラミックス基板上に主としてアルミニウムからなる金属板を直接接合してなるセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュールのような大電力電子部品の実装に使用する基板としては、セラミックス基板の表面に銅板を接合した銅張りセラミックス回路基板が使用されていた。
【０００３】
このセラミックス回路基板は、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス基板に、銅が直接接合又はろう接等されて作製されている。
【０００４】
直接接合基板は、特開昭５２−３７９１４号公報に開示されるように、酸素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表面に酸化銅を発生させてから、銅板とアルミナ基板を重ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ銅板とアルミナ基板とを接合する。
【０００５】
銅／窒化アルミニウム直接接合基板の場合には、例えば特開平３−９３６８７号公報に開示するように、予め空気中において、約１０００℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸化物を生成させてから、この酸化物層を介して銅板と窒化アルミニウム基板とを接合する。このような酸化物層を利用した接合方法は、酸化物そのものが必ずしも熱伝導率がよいわけではないことから金属接合セラミックス基板の熱伝導を悪くしてしまう。
【０００６】
また、銅をアルミナ、窒化アルミニウムにろう接する場合は、銅板とセラミックス回路基板との間に低融点のろう材又は融点を下げる為の合金元素、セラミックスとの濡れを良くする為の合金元素を添加したろう材を介在させて接合する。上述したような銅／セラミックス回路基板は広く使用されるにもかかわらず、製造上及び実用上幾つかの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子部品の実装及び使用時にセラミックス基板の内部にクラックが発生し、基板の表裏間が電気的に導通することによる故障である。
【０００７】
このようなクラックの発生は、銅の熱膨張係数がセラミックスの熱膨張係数より約一桁大きいことに起因している。つまり、これらを接合する際、１０００℃近くまで加熱するため、接合温度から室温に冷却する際に熱膨張係数の違いによりセラミックス回路基板の内部に多大の熱応力が発生してしまうからである。
【０００８】
また、使用時の発熱や冷却により、セラミックス回路基板の温度が変化し、変動熱応力が発生し、この熱応力によってセラミックス基板にクラックが発生することがある。
【０００９】
現在、上記したような銅に代わって、セラミックスの熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有するアルミニウムが接合に用いられるようになっている。また、アルミニウムは融点が低いため銅に比べて低い温度で接合でき、冷却の際の収縮によるクラック発生を少なくすることができる。さらに、前述のようにアルミニウムは銅よりも軟質金属であるため、使用時の発熱や冷却に伴う熱膨張に対してアルミニウム板そのものが柔軟に対応でき、セラミック基板にクラックを発生させる応力を低減することも可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、電気自動車用パワーモジュールの開発により、より一層冷熱サイクル耐量に優れた回路基板の開発が求められている。例えば、電気自動車のように温度変化が激しく振動が大きい使用条件の場合、回路基板の冷熱サイクル耐量が５００回以上であることが要求される。現在使用されている銅／セラミックス回路基板では、このような要求に対応することは不可能であり、また、比較的クラック発生の少ないといわれる、通常のアルミニウム／セラミックス回路基板においても、このような冷熱サイクルに耐えることは難しい。
【００１２】
本発明の目的は、主としてアルミニウムからなる金属板を接合したセラミックス回路基板において、これまでのものよりも冷熱サイクル耐量を向上させ、より過酷な環境下の使用でもクラックの発生を起こさず、信頼性のあるセラミックス回路基板を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に直接接合され、主としてアルミニウムからなる金属板とを具備するセラミックス回路基板において、前記金属板は、前記セラミックス基板との接合面の反対側の面の外周縁部内側に設けられる複数の孔を有することを特徴とするものである。
【００１７】
前記複数の孔は、前記金属板の外周縁部に沿って所定の間隔で直線状に形成されていることが好ましい。さらに、前記複数の孔は、その直径が０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する各孔との距離が０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ孔の縁部が前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けられていることが好ましい。
【００１８】
また、本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に接合され、主としてアルミニウムからなる金属板とを具備するセラミックス回路基板において、前記金属板は、前記セラミックス基板との接合面の反対側の面の外周縁部内側に設けられ、外周縁部に沿って複数の不連続な溝を有し、前記不連続な溝は、その深さが前記金属板の実装面となる部分の厚さの１／６以上５／６以下、幅が０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ溝の縁部が前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けられていることを特徴とするものである。
【００２０】
さらに、前記主としてアルミニウムからなる金属板には、例えばＡｌ−Ｓｉ合金板等を用いることができる。
【００２５】
本発明のセラミックス回路基板では、主としてアルミニウムからなる金属板の外周縁部内側に複数の孔を設けることで、金属板とセラミックス基板との熱膨張率の差により発生する応力を緩和し、冷熱サイクル等によるクラックの発生を抑制することが可能となる。
【００２６】
また、複数の孔を前記金属板の外周縁部に沿って所定の間隔で直線状に形成し、その直径を０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する各孔との距離を０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、かつ孔の縁部を前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けることでクラックの発生をさらに抑制することができる。
【００２７】
本発明のセラミックス回路基板では、金属板のセラミックス基板が接合されていない面の外周縁部内側に、外周縁部に沿って複数の不連続な溝を形成することで、金属板とセラミックス基板との熱膨張率の差により発生する応力を緩和し、より冷熱サイクル等によるクラックの発生を抑制することが可能となる。
【００２８】
また、不連続な溝の深さを前記金属板の実装面となる部分の厚さの１／６以上５／６以下、幅を０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、かつ溝の縁部を前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けることで、クラックの発生をさらに抑制することができる。
【００３１】
これら上記した本発明のセラミックス回路基板においては、アルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料から主としてなるなるものをセラミックス基板として用いることで、セラミックス回路基板に必要とされる強度、熱伝導性等の特性を向上させることができる。
【００３２】
さらに、主としてアルミニウムからなる金属板をＡｌ−Ｓｉ合金板とすることにより、アルミニウム板と各種セラミックスとの接合強度を向上させることが可能となる。従って、前述の形状を改良したアルミニウム板に適用することにより更にセラミックス板にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、参考例のセラミックス回路基板の一例を示したものである。
【００３４】
セラミックス回路基板１は、例えばセラミックス基板２にアルミニウム板３を接合したものである。このときアルミニウム板３の外周縁部を３ａとした場合、外周縁部内側を薄肉部３ｂとしたものである。ここで、外周縁部内側とは、外周縁部から中央方向に向う一定距離の部分のことである。
【００３５】
例えば、アルミニウム板をセラミックス板に直接接合する際、アルミニウム板の融点以上に加熱するが、アルミニウム板の外周縁部内側に薄肉部を設けることによって、アルミニウム板外周縁部に発生する応力を、アルミニウム板の薄肉部の塑性変形により吸収し、セラミックス板にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。また、アルミニウム板とセラミックス板の接合時だけでなく、これらを接合した後の使用の際にも、冷熱サイクルにより熱応力が発生するが、この場合にもアルミニウム板外周縁部に発生する応力を、アルミニウム板の薄肉部の塑性変形により吸収し、セラミックス板にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。
【００３６】
薄肉部３ｂの形状としては、例えば図２に示すように、アルミニウム板のセラミックス板と接合していない面を削り、段差を設けることが挙げられる。このような薄肉部３ｂの形成方法としては、機械的に加工する方法の他に、エッチング等により加工する方法が挙げられる。薄肉部３ｂは、セラミックス板とアルミニウム板とを接合した後に形成してもよいが、セラミックス板と接合する前に形成することによって、接合時の応力によりセラミックス板にクラックが発生することを抑制できるため、より効果的である。
【００３７】
このような薄肉部３ｂの形成範囲としては、例えばアルミニウム板の外周縁部からの長さをＷ、薄肉部の厚さをＴとすると、Ｗは０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、Ｔはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６以上５／６以下であることが好ましい。この薄肉部の外周縁部からの長さＷが０．３ｍｍ未満であると、応力緩和効果が十分に得られずクラック発生の原因となる。また、１．０ｍｍを超えた部分に形成されたものは、応力緩和効果が十分でなく、かつ実装面積も減少させてしまう。薄肉部３ｂの厚さＴはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６未満であると、アルミニウム板の強度を低下させる恐れがあり、５／６を超えると応力緩和効果が認められなくなる。
【００３８】
次に、本発明のセラミックス回路基板の一例を図３に示す。
【００３９】
本発明のセラミックス回路基板４は、図３に示されるように、例えばアルミニウム板３のセラミックス基板２との接合面と反対面側の外周縁部内側に複数の孔５が形成されているものである。
【００４０】
上述した本発明のセラミックス回路基板の好ましい形態としては、前記複数の孔５が例えばアルミニウム板３の外周縁部にそって直線状に形成されているものである。この孔の横断形状は図４に示されるような、円形状であっても、また図５に示されるような矩形状であってもよい。このような複数の孔は、エッチングにより形成してもよいし、金型を用いたプレス加工により形成してもよい。このように、複数の孔を直線状に形成することによって、アルミニウム板の外周縁部への応力集中を効率的に緩和させることができる。
【００４１】
このような孔の大きさとしては、図４に示されるように孔が円の場合は、孔の直径をＤとしたとき、Ｄが０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、孔と孔との間隔をＬとしたとき、Ｌは０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、金属板の外周縁部から孔までの距離をＺとしたとき、Ｚは０．３ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４２】
孔の直径が０．３ｍｍ未満では十分に応力を緩和することができず、また１．０ｍｍを超えるとアルミニウム板の強度低下をもたらすとともに、実装面積の低下を招いてしまう。また、孔と孔との間隔はあまり大きすぎると、応力の緩和効果を十分に得られないおそれがあり、小さすぎると孔を加工するときにアルミニウム板の変形等を招いてしまう場合がある。また、金属板の外周縁部から孔の外周縁部までの距離Ｚが０．３ｍｍ未満であると応力緩和効果が十分でなくなる恐れがある。
【００４３】
上述した複数の孔は図６や図７に示されるような非貫通孔５ａであってもよいし、また図８に示すように貫通孔５ｂであってもよい。例えば、非貫通孔５ａはプレス加工等により容易に形成することができるため、製造工数の削減等に有効である。また、貫通孔５ｂはＤＢＡ法を適用する場合に、接合に寄与せずにガス化した酸素などの排出孔としても機能させることができる。
【００４４】
ここで複数の孔を非貫通孔５ａとする場合、その深さ方向の形状は図６に示すようにほぼ均一形状であってもよいし、また図７に示すように逆円錐状であってもよい。
【００４５】
次に、本発明のセラミックス回路基板の他の例について説明する。
【００４６】
本発明のセラミックス回路基板６は、図９に示されるように、アルミニウム板３のセラミックス基板２との接合面と反対面側の外周縁部内側に不連続な溝７が形成されているものである。このような不連続な溝７を設けることによってアルミニウム板３の外周縁部に発生する応力を効率的に緩和させることができる。ここで外周縁部内側とは、図９に示すように、金属板の外周縁部から中央方向に向かった部分のことである。本発明のセラミックス回路基板においては、不連続な溝は直線状に形成されていることが好ましい。このように不連続な溝を直線状に形成することによって、より効率的に応力集中を緩和することができる。
【００４７】
図１０は本発明のセラミックス回路基板６の一部分を拡大したものである。ここで、Ｗは単体溝の幅を、Ｅは単体溝の長さを、Ｚは単体溝の外周縁部からの距離を表している。
【００４８】
不連続な溝を構成する各単体溝の形状、すなわち単体溝の幅Ｗ、長さＥ及び外周縁部からの距離Ｚは、幅Ｗが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、長さＥが２０ｍｍ以下、かつ外周縁部からの距離Ｚが０．３ｍｍ以上である。
【００４９】
幅Ｗが０．０５ｍｍ未満の場合は、十分に応力を緩和することができず、１．０ｍｍを超える場合は、アルミニウム板の強度低下を招くとともに、実装面積の低下を招くことになる。また、各単体溝の長さＥが２０ｍｍを超えると、溝非形成領域の減少に伴ってアルミニウム板の変形を十分に抑制できないおそれがある。また、外周縁部からの距離Ｚが０．３ｍｍ未満であると、十分な応力緩和効果が得られなくなる恐れがある。
【００５０】
また、不連続な溝７の縦断面形状は図１１に示すように、深さ方向にほぼ均一でもよいし、図１２に示すように逆三角形状であってもよい。但し、その深さＨはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６以上５／６以下であることが好ましい。深さＨがアルミニウム板の実装面の厚さの１／６未満の場合、応力の分散効果が不十分となるおそれがあり、またアルミニウム板の実装面の厚さの５／６を超える場合、アルミニウム板の強度低下等を招きやすくなる。
【００５１】
さらに本発明のセラミックス回路基板に用いられるセラミックス基板としては、主としてアルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料からなるものであることが好ましい。
【００５２】
次に半導体装置の一実施形態について説明する。
【００５３】
図１３は半導体装置の外観を示した図である。また、図１４は半導体装置の断面形状を示した図である。
【００５４】
半導体装置８は図１３に示すように、窒化アルミニウム等のセラミックス基板２に接合されたアルミニウム板３と、前記アルミニウム板３のセラミックス基板２が接合されていない面にハンダ層９を介して接合された半導体素子１０からなる半導体装置８において、前記アルミニウム板３の半導体素子１０が接合された面に複数の溝１１を設けたものである。
【００５５】
ここで、Ｈはアルミニウム板に形成される溝の深さを、Ｗは溝の幅を、Ｌは溝と溝との距離を示している。
【００５６】
従来、アルミニウム板に半導体素子をハンダ付けする際、ハンダ部分にガスが巻き込まれてハンダ巣を形成してしまうことがあった。このハンダ部分に存在するハンダ巣は熱抵抗不良の原因となるため、除去することが好ましい。
【００５７】
この半導体装置では、このようにアルミニウム板３のハンダ層９が形成される面に溝１１を設けることによって、この溝１１よりハンダ巣を形成する原因となるガスを排出してハンダ巣の発生を抑制し、かりにハンダ巣が発生したとしても、溝１１を設けたことによって、溝１１より大きなハンダ巣が形成されるのを抑制することができる。従って、この半導体装置では、ハンダ巣による熱抵抗不良を抑制し、各半導体装置における熱抵抗等のバラツキを抑えることができる。
【００５８】
このようなアルミニウム板に形成される溝の深さＨはアルミニウム板の厚さの１／６以上５／６以下、幅Ｗは０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する溝との距離Ｌは０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５９】
溝の深さがアルミニウム板の厚さの１／６未満であるとガス排出効果が低くなりハンダ巣が形成されやすくなる、またアルミニウム板の厚さの５／６を超えると、アルミニウム板の強度低下を招いてしまう。また、幅Ｗを０．０５ｍｍ未満とするとガス排出効果が低くなり、ハンダ巣が形成されやすくなる、また幅Ｗが１．０ｍｍを超えるとガス排出効果が低くなるとともに、アルミニウム板の強度低下を招いてしまう。さらに、このような溝と溝との間隔Ｌは、０．０５ｍｍ未満であると基板の強度低下を起こしてしまい、間隔Ｌが５．０ｍｍを超えるとガス排出効果が低くなり、ハンダ巣が形成されやすくなってしまう。
【００６０】
さらに半導体装置に用いられるセラミックス基板としては、アルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素等から選ばれる少なくとも１種の材料から主としてなるものであることが好ましい。また、主としてアルミニウム板からなる金属板は、アルミニウムが５０ｗｔ％以上であれば特に限定されるものではなく、純度９９％以上の高純度アルミニウム、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｍｎ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金など各種Ａｌ合金板が適用可能である。その中でも、Ａｌ−Ｓｉ合金は各種セラミックスと共晶接合しやすいことから特にＡｌ−Ｓｉ合金板を用いることが好ましい。Ｓｉ含有量は、０．００１〜４０ｗｔ％が好ましく、例えばアルミナや窒化アルミニウムのように主成分としてＳｉを含まないセラミックスにおいては、アルミニウム板中のＳｉ量は５〜３０ｗｔ％が好ましく、窒化ケイ素のように主成分としてＳｉを含んでいるセラミックスにおいてはアルミニウム板中のＳｉ量は０．０１〜１５ｗｔ％が好ましい。
【００６１】
以下、半導体装置の作製法について、一例を示す。
【００６２】
例えば窒化アルミニウムからなるセラミックス基板にＤＢＡ法によりアルミニウム板を接合する。さらに、接合されたアルミニウム板のセラミックス基板を接合していない面のＳｉペレット等の半導体素子を接合しようとする部分に、エッチング等の方法により半導体素子の長さよりも長い複数の溝を形成する。この溝を形成した面にハンダを用いて半導体素子を接合する。このように予め溝を設けた部分にハンダを用いて半導体素子を接合することによって、ハンダ部分に発生するハンダ巣の除去、又は成長を抑制し熱抵抗不良となるのを抑制することができる。
【００６３】
本発明のセラミックス回路基板においては、エッチングやプレス加工によりあらかじめ溝を設けたアルミニウム板をセラミックス基板に直接接合してもよいし、アルミニウムを溶融させ、これをセラミックス基板に塗布し、その後エッチング等により溝を形成し、半導体素子をハンダで接合してもよい。
【００６４】
【実施例】
次に本発明の具体例及びその評価について述べる。
【００６５】
参考例１、実施例１、２、比較例１
参考例１
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部より１ｍｍまでの部分の厚さを０．２５ｍｍとした。その後、このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【００６６】
実施例１
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部内側に複数の孔を設けた。孔の直径は０．５ｍｍ、各孔の間隔は、０．５ｍｍ、かつ孔の縁部が外周縁部より０．５ｍｍとなるようにした。このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【００６７】
実施例２
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部内側に複数の溝を設けた。溝の深さは０．２５ｍｍ、溝の幅は０．０５ｍｍ、かつ溝の縁部が外周縁部より０．５ｍｍとなるようにした。このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【００６８】
比較例１
厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【００６９】
上記のようにして作製した参考例１、実施例１、２及び比較例１のセラミックス回路基板に対して冷熱サイクル試験（ＴＣＴ：２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分を１サイクルとする。ＲＴは室温。）を施し、この熱サイクル付加時における応力分布を測定した。
【００７０】
参考例、実施例、および比較例の結果を図１５、１６及び１７に示す。
【００７１】
各図から明らかなように、アルミニウム板の外周縁部内側に薄肉部、孔又は溝を設けたものは、いずれも外周縁部に発生した応力を緩和し、アルミニウム板の外周縁部付近の応力は、低くなっていることがわかる。
【００７２】
これに対して、アルミニウム板に何も加工をしなかったものは、アルミニウム板の外周縁部に大きな応力が生じており、クラック等の発生の恐れがあることがわかった。
【００７３】
参考例２〜５、比較例２
参考例２〜５
厚さ０．５ｍｍ、縦３ｃｍ×横３ｃｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用意し、図１８に示すように、このアルミニウム板の中央部に複数の溝を設けた。溝の深さ（Ｈ）、幅（Ｗ）、長さ（Ｅ）及び間隔（Ｌ）は表１に示すように調整した。また、溝は、溝方向と垂直な方向の両縁部から５ｍｍの部分には設けなかった。
【００７４】
さらに、アルミニウム板の溝を設けていない面に窒化アルミニウム基板を直接接合し、また溝を設けた面の中央部にハンダを用いてＳｉペレットを接合し半導体装置を作製した。
【００７５】
Ｓｉペレットは厚さ０．５ｍｍ、縦２ｃｍ×横２ｃｍのものを用いた。
【００７６】
比較例２
厚さ０．５ｍｍ、縦３ｃｍ×横３ｃｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用い、このアルミニウム板の一方の面に溝加工を施さないまま、ハンダを用いてＳｉペレットを接合し、他方の面に窒化アルミニウム基板を直接接合により接合し半導体装置を作製した。Ｓｉペレットは、参考例２〜５で用いたものと同様のものを用いた。
【００７７】
このようにして作製された参考例２〜５及び比較例２の半導体装置の熱抵抗を測定した。
【００７８】
参考例２〜５及び比較例２における熱抵抗の評価結果を表１に示す。
【００７９】
【表１】
【００８０】
これに対して、アルミニウム板のＳｉペレットとの接合面に溝を設けず、Ｓｉペレットとアルミニウム板とを接合した比較例２では、熱抵抗不良が発生していることがわかった。
【００８１】
以上の結果より、アルミニウム板のＳｉペレット接合面に複数の溝を設けることによって、ハンダ巣の生成又は成長を抑制し、熱抵抗不良を大幅に抑制することができることが確認された。
【００８２】
参考例６〜８
参考例１のアルミニウム板をＡｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ板に変えたものを参考例６、参考例１の窒化アルミニウム基板を窒化ケイ素基板に変えたものを参考例７、参考例１のアルミニウム板をＡｌ−１０ｗｔ％Ｓｉ板に変えさらに窒化アルミニウム基板を窒化ケイ素基板に変えたものを参考例８とした。
【００８３】
このようなセラミックス回路基板に対し、アルミニウム板のピール強度並びに冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）として、２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分を１サイクルとした通常より厳しい条件にて、１０００サイクルおよび２０００サイクル行った場合のセラミックス基板へのクラックの有無を確認した。
【００８４】
また、比較のため比較例１のセラミックス回路基板についても同様の測定を行った。その結果を表２に示す。
【００８５】
【表２】
【００８６】
また、ＴＣＴ試験結果を見ても、参考例のものは試験条件が２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分と通常よりも厳しい条件にもかかわらず、１０００サイクルまではセラミックス基板へのクラックの発生は確認されなかった。
【００８７】
それに対し、比較例のものは若干の剥がれが確認された。これはアルミニウム板の外周部に薄肉部がないため応力緩和がなされていないためであるといえる。なお、ＴＣＴ試験の「ややあり」との表記は若干の割れ現象が確認されたものを示すものである。
【００８８】
さらに、窒化アルミニウム基板と窒化ケイ素基板とを比較すると、窒化ケイ素基板（参考例７および８）を用いたものの方が優れたＴＣＴ試験特性を示すことが分かった。
【００８９】
【発明の効果】
本発明のセラミックス回路基板は、冷熱サイクルが付加された場合等に、主としてアルミニウムからなる金属板に生じる熱応力や残留応力を分散させることによって金属板の外周縁部への応力集中を抑制し、セラミックス回路基板にクラックが発生することを抑制することができる。
【００９０】
また、本発明の半導体装置は、セラミックス回路基板に半導体素子を接合する際に用いたハンダにハンダ巣が形成されるのを抑制し、熱抵抗不良や剥離等を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 金属板の外周縁部内側に薄肉部を設けた場合の一例を示す外観図。
【図２】 金属板の外周縁部内側に薄肉部を設けた場合の一例を示す断面図。
【図３】 金属板の外周縁部内側に孔を設けた場合の一例を示す外観図。
【図４】 図３の一部分を拡大した平面図。
【図５】 孔の形状を矩形とした場合の一例を示す平面図。
【図６】 金属板の外周縁部内側に孔を設けた場合の一例を示す断面図。
【図７】 孔の深さ方向の形状の他の例を示す断面図。
【図８】 孔を貫通孔とした場合の一例を示す断面図。
【図９】 金属板の外周縁部内側に不連続な溝を設けた場合の一例を示す外観図。
【図１０】 図９の一部分を拡大した平面図。
【図１１】 溝の断面形状の一例を示す断面図。
【図１２】 溝の断面形状の他の例を示す断面図。
【図１３】 半導体装置の一例を示す外観図。
【図１４】 半導体装置の一例を示す断面図。
【図１５】 冷熱サイクル試験実施後の参考例１の応力分布を表す図。
【図１６】 冷熱サイクル試験実施後の実施例１の応力分布を表す図。
【図１７】 冷熱サイクル試験実施後の実施例２の応力分布を表す図。
【図１８】 参考例２〜５に用いたアルミニウム板の一例を示した概略図。
【符号の説明】
１……セラミックス回路基板
２……セラミックス基板
３……アルミニウム板
３ａ……外周縁部
３ｂ……薄肉部
５……孔
７……溝
９……ハンダ層
１０……半導体素子
１１……溝
Claims (6)
- セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に直接接合され、主としてアルミニウムからなる金属板とを具備するセラミックス回路基板において、
前記金属板は、前記セラミックス基板との接合面の反対側の面の外周縁部内側に設けられる複数の孔を有することを特徴とするセラミックス回路基板。 - 前記複数の孔は、前記金属板の外周縁部に沿って所定の間隔で直線状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
- 前記複数の孔は、その直径が０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、隣接する各孔との距離が０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ孔の縁部が前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックス回路基板。
- セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に直接接合され、主としてアルミニウムからなる金属板とを具備するセラミックス回路基板において、
前記金属板は、前記セラミックス基板との接合面の反対側の面の外周縁部内側に設けられ、外周縁部に沿って複数の不連続な溝を有し、前記不連続な溝は、その深さが前記金属板の実装面となる部分の厚さの１／６以上５／６以下、幅が０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、かつ溝の縁部が前記金属板の外周縁部から０．３ｍｍ以上離れた部分に設けられていることを特徴とするセラミックス回路基板。 - 前記セラミックス基板はアルミナ、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選ばれた少なくとも１種の材料から主としてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のセラミックス回路基板。
- 前記主としてアルミニウムからなる金属板は、Ａｌ−Ｓｉ合金板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のセラミックス回路基板。
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