JP2005332874A - 回路基板及びこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実装面積の縮小化及び薄型化できる高周波パワーモジュール構造を提供する。
【解決手段】 絶縁基板125は、マトリックス金属(Cu)にCu₂O粉末粒子を分散させた複合金属板(Cu₂O添加量: 20vol%、熱膨張係数: 10.0ppm/℃、熱伝導率: 280W/m・K、厚さ: 1mm、サイズ: 42.4×85mm)125'と、複合金属板125'の一方の主面に対して、窒化珪素基板(熱膨張係数: 3.4ppm/℃、熱伝導率: 90W/m・K、厚さ: 0.3mm、サイズ: 30×50mm)110がAg系接合金属層120により固着されており、セラミックス絶縁基板110の他方の主面に対して、CuまたはCu合金からなる配線金属板130が設けられている。例えば、接合金属層120は厚さが50μmに調整されており、配線金属板130は厚さ0.4mmに調整されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、絶縁型半導体装置に関し、特に外囲器の底ぶたとして絶縁部材を用いた構造の絶縁型半導体装置に関する。

金属支持部材上に半導体素子基体を搭載した構造を有する半導体装置は、全ての電極が金属支持部材を含む全てのパッケージ部材から電気的に絶縁されて外部に引き出すことができるため、回路に適用する上での自由度が高いという利点がある。例えば、一対の主電極が回路上の接地電位から浮いている構成例において、電極電位とは関係無くパッケージを接地電位部に固定できるため半導体装置の実装が容易になる。

半導体素子を安全かつ安定に動作させるためには、半導体装置の動作時に発生する熱をパッケージの外へ効率良く放散させる必要がある。この熱放散は、通常、発熱源である半導体素子基体からこれと接着された各部材を通じて気中へ熱伝達させることにより行われる。半導体装置では、この熱伝達経路中に、絶縁体、半導体基体を接着する部分等に用いられる接着材層、金属支持部材等が含まれている。

また、半導体装置を含む回路の扱う電力が高くなり、要求される信頼性(経時的安定性、耐湿性、耐熱性等)が高くなればなるほど、高い絶縁性が要求される。尚、ここで言う耐熱性には、半導体装置の周囲温度が外因により上昇した場合の他、半導体装置の扱う電力が大きく、半導体基体で発生する熱が大きくなった場合における耐熱性も含まれる。

一方、半導体装置では、一般に半導体素子基体を含むあるまとまった電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくとも一部と支持部材とを電気的に絶縁する必要がある。例えば、Siチップを両面に銅板が接合されたAlNセラミックス基板(以下、「銅張りAlN基板」と称する。)に搭載したアッセンブリを、銅支持部材にはんだ付け一体化したパワーモジュール装置が存在する（例えば非特許文献１参照）。

この非特許文献１において、銅張りAlN基板は、AlNの持つ高熱伝導性(190W/m・K)、低熱膨張係数(4.3ppm/℃)、高絶縁性(1015Ω・cm)等の特長と、銅の持つ高熱伝導性(403W/m・K)、高電気伝導性(1.7×10-6Ω・cm)等の特長とを併せ持ち、電流密度が高く、発熱の著しい電力用半導体素子基体(Si: 3.5ppm/℃)を直接はんだ付けにより搭載し、優れた放熱性と信頼性とを備えたモジュール装置を得るのに有効である。

一般に、銅張りAlN基板においては、これに対してはんだ付け搭載された半導体素子基体又はこれに対して形成された電気回路を、銅支持部材から電気的に絶縁するとともに、半導体基体から冷却フィンに至る熱流路を形成してその放熱効果を高める役割を担う。また、銅張りAlN基板を用いると、熱膨張係数の小さい半導体基体を特別な熱膨張緩和材(例えば、MoやW)を用いずに直接搭載できるため、パワーモジュール装置の部品点数や組込み工数を削減できる。

また、サイリスタチップをアルミナ基板に搭載したアッセンブリを、Al又はAl合金にSiCセラミックス粉末を分散させた複合材(以下、「Al/SiC複合材」と称する。)からなる支持部材に搭載した半導体モジュール装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１において、アルミナ基板(7.5ppm/℃)はこれと熱膨張係数が略近似したAl/SiC複合材支持部材(6.7〜14ppm/℃)に搭載されているため、これら部材間の接続部構造の信頼性は優れており、放熱性劣化の防止に関して有効に作用する。

また、セラミックス基板の両面にAl-Si系ろう材を介して回路配線用Al板と熱拡散用Al板をそれぞれ接着した回路基板と、Al/SiC複合材により形成されたヒートシンクとを、Al合金を介して接合したヒートシンク付セラミック回路基板の構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２によれば、両面に変形抵抗の小さいAl板が接合されているためセラミックス基板のクラック破壊が防止され、ヒートシンクは熱拡散用Al板にヒートシンク中のAl合金を介してあらかじめ接合されているのでパワーモジュールの製作工数を削減できる。

さらに、セラミックス基板とSiC粉末により形成された多孔質プリフォームとを隣接させ、多孔質プリフォームに溶融Alを含浸することによりAl/SiC複合材を作製するとともに、Al/SiC複合材とセラミックス基板とを溶融Alにより一体化接合し、セラミックス基板の表面にAl回路部を形成した回路基板も開示されている（例えば、特許文献３参照）。これにより、低コストの回路基板を得ることが可能である。

"半導体・通信用DBC基板":電子材料(Vol.44、No.5)、 65〜69 頁(1989年) 特公平7-26174号公報 特開平10-65075号公報 特開2000-277953号公報

ところで、一般に、半導体装置では非特許文献１に記載されているように、半導体基体をはんだ付け搭載した銅張りAlN基板を、同様のはんだ付けにより銅支持部材と一体化している。ここで、熱伝導率の高い銅板を支持部材として用いる理由は、銅張りAlN基板から伝達される熱流を広げて放熱効果を高めるためである。この場合、銅支持部材と銅張りAlN基板との間の熱膨張係数差が大きいことに起因して、はんだ層の破壊、熱流路の遮断、回路基板の破壊などに基づく信頼性の低下が生じやすい。具体的には以下の（１）〜（３）の問題がある。

（１）熱応力、ひずみ、絶縁基板（回路基板）の破損
銅張りAlN基板と銅支持部材との熱膨張係数が異なるため、これらの一体化物においては、残留熱応力ないし熱ひずみが発生する。銅張りAlN基板や銅支持部材は、一体化の際に、はんだ材の融点以上に加熱した後、室温まで冷却する熱処理工程を経る。この場合に、各部材は、はんだ材の凝固点で互いに固定されたまま各部材固有の熱膨張係数に従って収縮し、接着部に熱応力ないし熱ひずみが残留するとともに変形を生ずる。

一般に、電力用の半導体基体はサイズが大きく、また、半導体装置では複数の半導体基体や他の素子も搭載されるため、回路基板やろう付け部の面積も大きくなる。このため、残留熱応力や熱ひずみが大きく、各部材の変形も促進されやすい。半導体装置に稼働時の熱ストレスが繰返し与えられ、これが上記残留熱応力ないし熱ひずみに重畳されると、はんだ層(特に後述する#2はんだ層)の疲労破壊による熱流路の遮断と機械的に脆い性質を持つセラミックス絶縁板の破損を生ずる。このような事柄は半導体装置の正常動作を阻害するだけでなく、特に回路基板の破損で代表されるような安全上の問題にもつながる。

（２）そりによる熱的係合や回路基板の破損
銅張りAlN基板と銅支持部材との熱膨張係数が異なるため、これらの一体化物にはそりを発生する。半導体装置にそりを生ずると、これを冷却フィンに取り付ける際に、熱伝導グリースの装填を均一にすることがむずかしい。その結果、銅支持部材と冷却フィン間との熱的係合が良好になされず、この経路の放熱性が損なわれ、半導体装置を正常に動作させることが困難になる。また、半導体装置を冷却フィン上にネジ締め搭載した場合には、新たな外力がかかることにより、回路基板の破損が生じやすくなる。

（３）組み立て工数の問題及び鉛フリーはんだ化の困難性
半導体基体と銅張りAlN基板とをはんだ付けする工程(#1はんだ層の形成)と、同様のはんだ付けによる銅張りAlN基板と銅支持部材との一体化工程(#2はんだ層の形成)が必要であるため、半導体装置の組み立て工数が多くなる。また、一般には#1はんだ層と#2はんだ層とを形成する工程では、温度階層性(異なる融点を持つはんだ材)が必要になるが、既存の鉛フリーはんだ材の組み合わせでは十分な温度階層性を得ることは困難である。

上記特許文献１に記載の支持部材は複合材であって、SiCセラミックス粉末からなる多孔質プリフォームにAlを主成分とする溶融金属を含浸させることにより、Alマトリックス金属中にSiC粉末を分散させたものである(以下「Al/SiC」と称する。)。この部材の熱膨張係数は、SiC粉末の添加量によって制御可能であるため、上記（１）や（２）の問題をクリヤすることが可能である。しかしながら、半導体装置の組み立てには、#1及び#2はんだ層形成の両工程を通す必要があり上記（３）の問題が残る。また、アルミナ絶縁部材とAl/SiC支持部材とは別工程により作製されるためコストが高くなるという問題が残る。

上記特許文献２に基づくヒートシンク付き回路基板を用いた半導体装置は、回路基板と支持部材とが予め一体化されているため、後続の半導体装置の組み立て工程が簡素化される。しかしながら、ヒートシンク付き回路基板は、それぞれ別工程で作製されたAl張りAlN板とAl/SiCヒートシンクとを積層し、これらを加圧しながら真空中で加熱する工程を経て得られるものである。これらのプロセスにおいては多大のコストを要し、最終的には半導体装置の価格を低くするのに対して障害になる。

また、予め製作されたAl張りAlN板とAl/SiCヒートシンクの表面に形成された酸化物質とが接合後の界面に残留し、この界面の接続性及び信頼性を損ないやすい。

上記特許文献３に記載の技術に基づくセラミックス回路基板は、Al/SiCベース板とセラミックス回路基板とが予め直接一体化されているため、後続のパワーモジュール組み立て工程は簡素化される。しかも、Al合金溶湯を所定の型に注入することにより、一体化と同一工程でAl/SiCの製作とセラミックス回路基板への配線とが施される。

このため、セラミックス回路基板を比較的低コストで製作できる可能性があり、最終的には半導体装置価格廉価にすることができる点で期待されている。しかしながら、本構造の場合は、Al/SiCベース板とセラミックス回路基板とが比較的高温のもとで直接一体化されるため、一体化物に応力やひずみ、そり変形などが生じやすく、上述の(1)及び(2)に関連する問題が残る。これらに対する解決策、特に半導体装置の製作及び稼働段階での不具合を回避するための最適構造について開示されていない。

本発明の目的は、製造時又は稼働時に生ずる熱応力又は熱ひずみを軽減し、各部材の変形、変性、破壊の恐れを少なくし、信頼性が高く、かつ、低コストの半導体装置を提供することにある。

本発明は、半導体素子がセラミックス板の一方の面に設けられた銅または銅合金製回路配線板上に固着され、前記セラミックス板の他方の面が接合金属層を介して支持部材（放熱配線板）に固着され、該支持部材（放熱配線板）が銅または銅合金からなる金属板で構成され、前記銅または銅合金からなる金属支持部材（放熱配線板）の熱膨張係数が、前記銅または銅合金製配線層の熱膨張係数より小さい構成をなすことを特徴とする回路基板、およびこの回路基板を用いた半導体装置にある。

上記目的を達成する本発明半導体装置は、開口部が設けられた樹脂ケースと前記開口部に装着された前記回路基板で外囲器が構成され、前記回路基板が前記外囲器の底ふたを構成していることを特徴とする。

このような構成に基づき、優れた放熱性及び信頼性の維持が図られ、さらに、廉価な半導体装置を得るのに寄与できる。前記セラミックス板は、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの群から選択された少なくとも1種からなることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、前記複合金属板又は/及び前記配線金属板の表面に耐食性を有する金属、好ましくはNi、Sn、Ag、Au、 Pt、Pd、Zn及びCuから選択された少なくとも一種の金属が被覆されたことを有するものである。

以上説明したように本発明は、製造時あるいは運転時に生ずる熱応力ないし熱ひずみを軽減し、各部材の変形、変質、破壊の恐れが少なく、放熱性が優れるとともに信頼性が高く、低コストの半導体装置を提供することができる。

具体的には、配線金属板材質を銅または銅合金とし、放熱側金属板を配線金属板よりも熱膨張係数の小さい銅系材とすることにより、熱抵抗は電気的安定動作を実現するため0.4℃/W以下が達成でき、かつ反りの少ない優れた平坦性が確保できる。ここで、放熱側金属板を銅系材とする理由は、接合プロセスにおける冷却過程で、この銅成分が塑性変形してくるため、接合時にセラミックス板が受ける残留応力を低減する効果があるためである。

また、はんだ接合部の少数化の実現により、長期信頼性の確保が容易になり、かつ製造プロセスの簡略化も実現できる。これらのことから大幅なコストダウンを図ることができる。回路基板に搭載されるセラミックス板は窒化珪素以外に、窒化アルミニウム、アルミナを適用することも可能である。セラミックス板は必要に応じて複数枚搭載されていてもよく、この際、窒化珪素基板、窒化アルミニウム板、アルミナ板を必要に応じて組み合わせてもよい。しかし、厚い銅製回路配線板を用いて熱抵抗をより下げようとする場合は、アルミナ板あるいは窒化アルミニウム板では強度不足であり、窒化珪素基板が最も好ましい。

以下、本発明の実施の形態による半導体装置について説明する。まず、本発明の第１の実施の形態による半導体装置について図面を参照しつつ説明を行う。

図１は本実施の形態による半導体装置の基本構造例を示す図であり、図１(a)は半導体装置の平面図であり、図１(b)は図１(a)におけるA-A'線に沿う断面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施の形態による半導体装置９００は、セラミックス絶縁基板である窒化珪素基板110と、窒化珪素基板110に設けられた銅製配線板１３０上に半導体基体としてのMOSFET素子基体101と、が搭載された構造を有している。さらに、主端子30と補助端子31とが設けられているポリヒェニールサルフアイド樹脂ケース20が絶縁基板（回路基板）125に取り付けられている。

本実施の形態において、絶縁基板125は、銅マトリックスに酸化銅粉末粒子を分散させた複合金属板よりなる放熱配線板125'と、窒化珪素基板110と、を銀系の接合金属層120（図２に示す。）により接合した接合構造と、窒化珪素基板110の反対側の面に銅製回路配線板（裏面金属板、以下「銅製配線板」と言う。）130と、により形成されている。

半導体基体101と銅製配線板130との間、半導体基体101と補助端子31との間、及び、銅製配線板130と主端子30と間には、Al細線117によるワイヤボンディングが施されている。樹脂ケース20内にはシリコーンゲル樹脂22が充填されており、樹脂ケース20の上部にはポリヒェニールサルフアイド樹脂製の蓋21が設けられている。窒化珪素基板110に設けられた銅製配線板130上には、この例では8個の素子基体101が、はんだ113により固着されている。はんだ113には、フラックス含有のペーストはんだ材が用いられる。

また、銅製配線板130には、例えば温度検出用サーミスタ素子がはんだ(いずれも図示を省略)によりろう付けされており、銅製配線板130はAl細線117により補助端子31へ接続されている。尚、図１においては省略しているが、ケース20と絶縁基板125との間、ケース20と蓋21との間には、シリコーン接着樹脂により固定されている。蓋21の肉厚部には凹部25が、主端子30には孔部（穴）30'がそれぞれ設けられ、半導体装置900を外部回路配線に連絡するためのネジを収納可能な状態になっている。主端子30や補助端子31は、予め所定形状に打抜き成形された銅板にNiめっきを施して形成しており、射出成形法によってポリヒェニールサルフアイド樹脂ケース20に取り付けられている。

図２は、本実施の形態による半導体装置に用いられる複合部材の模式的な断面図である。絶縁基板125は、マトリックス金属(Cu)にCu₂O粉末粒子を分散させた複合金属板よりなる放熱配線板(Cu₂O添加量: 20vol%、熱膨張係数: 10.0ppm/℃、熱伝導率: 280W/m・K、厚さ: 1ｍｍ、サイズ: 42.4×85ｍｍ)125'と、この放熱配線板125'の一方の主面に対して、窒化珪素基板(熱膨張係数: 3.4ppm/℃、熱伝導率: 90W/m・K、厚さ: 0.3mm、サイズ: 30×50mm)110がAg系接合金属層120により固着されており、セラミックス絶縁基板（窒化珪素基板）110（以下、「セラミックス板」と言う。）の他方の主面に対して、CuまたはCu合金からなる配線金属板130が設けられている。例えば、接合金属層120は厚さが50μmに調整されており、配線金属板130は厚さ0.4mmに調整されている。

絶縁基板125における配線金属板130と放熱配線板125'とに関しては、(a)熱伝導率の高い点、(b)セラミックス板110との接合性に優れている点、(c)Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd、Zn等のめっき層を湿式法で容易に形成できる点等が要求される。(a)は、半導体基体から放出された熱流がマトリックス領域を経由する際に効率良く外部へ放出するために重要な意味を有する。

上述の配線、放熱板一体化基板には、配線金属板130と放熱配線板125'との表面金属層に、無電解湿式めっき工程によってNiめっき層(厚さ: 6μm 図示せず)が形成される。配線金属板130(131、132)にNiめっき層を設ける理由は、半導体基体101をろう付けにより搭載する際の、はんだのぬれ性を確保するためと、配線金属板130のワイヤボンディング性を高めるためである。また、Niめっき層は、外気雰囲気から遮断して内部の変質を防ぐ。

次に、絶縁基板125の製造工程について図１３を参照しつつ説明を行う。先ず、セラミックス板110には、Ag-Cu-Ti系のろう材ペーストを印刷した後に、セラミックス板110の両面に配線用及び裏打ち用の金属板(Cu板)をそれぞれ積層し、積層体を熱処理して金属板１３０ａ，放熱配線板125'とセラミックス板110とをろう付け（ろうを符号１２０ａ・１２０ｂで示す。）する（図１３（ｃ））。その後、配線層１３０ａを形成するための選択エッチングと、必要であれば裏打ち用の放熱配線板１２５’の選択エッチングとを行い、配線層１３０ａにはんだのぬれ性とワイヤボンディング性を付与し、裏打ち用の放熱配線板１２５’にはんだぬれ性を付与するための無電解Niめっきを施す。その後、配線層１３０ａ上に半導体チップ１３０ｂを配置する（図１３（ｄ））。尚。選択エッチングの前後には、マスク剤の塗布やパターンニング、マスク剤の除去の工程が含まれる。

上記工程により絶縁基板125を製造することで、後続の半導体装置製作工程を簡略化することができる。すなわち、上記絶縁基板125においては、既に支持部材を兼ねる複合金属板１３１ｂと絶縁基板を兼ねるセラミックス板110とが接合金属層120により一体化されており、かつ、セラミックス板110の半導体基体搭載面に配線金属板130が形成されている。従って、半導体装置900を製作する段階では、もう１つの主要部材である半導体基体101をはんだ付け搭載(#1はんだ層の形成)するだけでよい。

これにより、半導体装置900の組み立て段階で従来法より工数と部品点数とを削減することができ、半導体装置900の製造コストの低減に寄与する。尚、半導体装置を完成させるためには、ワイヤボンディング工程、樹脂ケース取り付け工程、樹脂モールド工程などの工程を経る必要があるが、これらの工程に関しては従来の工程の場合と共通する。

ところで、本実施の形態による半導体装置900の利点は、配線・支持部材と、セラミックス板110とを一体化した点のみで享受することはできない。さらに、以下に説明する絶縁基板125の構造に関する要件を満たす必要がある。以下に、半導体装置900の最適構造に関して説明する。本実施の形態による半導体装置900において重要な点の１つは、セラミックス板(厚さ0.1〜0.9ｍｍ)110とともに配線金属板130の厚さが0.1〜1.0ｍｍに、接合金属層120の厚さが25μm以上に調整される点である。上限としては、好ましくは１００μｍ程度である。配線金属板130は半導体装置900の主要な導電路としての役割を有する。仮に所定の電流を通電した場合に、配線金属板自体が自己発熱すると、半導体基体には配線による熱が半導体基体自体の発熱分に重畳され、半導体装置における安全動作可能な電流領域が狭められる。従って、広い安全動作領域を確保するためには、配線金属板130は、抵抗を減らすために可能な限り厚く形成する必要がある。しかしながら、配線金属板130の厚さは、以下の要因により制限される。

図３は、半導体装置の熱抵抗、応力、信頼性に関する配線金属板厚さ依存性を示すグラフである。図３(a)は、配線金属板の厚さと熱抵抗との関係を示す図である。図３（ａ）に示す熱抵抗は、図１に示した半導体装置900における４個の半導体基体101が動作した時の熱抵抗の値である。配線金属板130の厚さが薄い領域では、半導体基体101において発生した熱が横方向へ拡がりにくいため熱抵抗は高い値を示す。配線金属板130の厚さが厚くなるにつれて横方向拡がりの影響が増すため、熱抵抗は緩やかに低下する。配線金属板130の厚さがさらに厚くなると、配線金属板130自体の熱抵抗の縦方向成分が影響してくるため、熱抵抗は再び増加に転ずる。ここで、半導体装置900は電流容量400Aのものであり、その目標熱抵抗は、電気的安定動作を実現するため0.4℃/W以下に設定されている。これを満足する配線金属板130の厚さは0.1〜1.0mmの範囲である。

次に図３(b)の応力について説明する。図３（ｂ）における縦軸は、シミュレーションにより求めた窒化珪素基板の応力(温度負荷: 550℃〜-65℃)であり、図３(c)に示す断面模式図におけるe部(配線金属板端部に対応する部分、絶縁基板125の中で最も高い応力を示す部分である。)における値である。e部の応力は、配線金属板130が厚くなるにつれ増加することがわかる。ここで、窒化珪素基板の一般的な破壊応力は700MPa程度であり、e部応力はこの値を越えないことが必要である。この点から、選択される配線金属板130の厚さは1.0mm以下である。尚、e部の応力が過大になると、後述する貫通クラックを生ずる他、e部を起点にして配線金属板130直下の窒化珪素基板領域に延びるクラックが生じ、これも熱抵抗の増大をもたらす。

次に、図３(d)に示すクラック発生率に注目する。図３（ｄ）におけるクラックは、半導体装置900に温度サイクル試験(3000サイクル、-40〜125℃)を施した後に発生した窒化珪素基板110の機械的破壊(e部を起点にして接合金属層120側へ貫通するクラック)を指す。図３（ｄ）に示すように、厚さ1.0ｍｍまではクラック破壊は観測されていないのに対し、1.0mmを越えると配線金属板130が厚くなるに従ってクラック発生率が大きくなる傾向にある。ここで、観測されるクラックは、e部に対応する部分を起点にしている。窒化珪素基板110は半導体装置900の絶縁性を維持するために設けられており、この窒化珪素基板110が破壊すると、半導体装置900の安全動作が阻害される。この観点から選択される配線金属板130の厚さは1.0mm以下となる。

以上に説明した熱抵抗、応力、信頼性の評価結果を統合すると、熱抵抗、応力、信頼性の全てを満足する配線金属板130の厚さは、0.1〜1.0ｍｍの範囲であることがわかる。尚、図３は、複合金属板よりなる放熱配線板125'の厚さが1 ｍｍ、接合金属層120の厚さが50μm、窒化珪素基板110の厚さが0.3ｍｍの場合における結果を示したものであるが、放熱配線板125'が1〜3ｍｍ、接合金属層120が0.025〜0.5ｍｍ、窒化珪素基板110が0.2〜0.9ｍｍの範囲では同様の結果が得られている。

（窒化珪素基板の厚さ）
窒化珪素基板110も半導体装置900における主要な熱流路を構成する。熱抵抗を低く抑えて良好な放熱性を確保するためには、熱流路の中でも熱伝導率の低いこの部材は可及的に薄くできることが望ましい。しかしながら、絶縁担体である以上、この性能に関しても考慮する必要がある。図４は、クラック破壊率及び熱抵抗増加率の窒化珪素基板厚さ依存性を示す図である。図４(a)のクラック破壊率について説明する。ここで、クラック破壊とは、温度サイクル試験(3000サイクル、-40〜125℃)による窒化珪素基板110の機械的破壊のことを言う。図４（ａ）に示すように、厚さが0.2mm以上の領域では、窒化珪素基板110のクラック破壊は全く生じていない。これに対し0.2mmより薄い領域ではクラック破壊を生じている。この際の破壊は上述したe部を起点にして接合金属層120側に貫通したクラックである。半導体装置900を安全に動作させるという観点からみて、窒化珪素基板110の厚さは0.2mm以上の範囲を選択するのが好ましい。

次に図４(b)の熱抵抗増加率について説明する。温度サイクル試験(3000サイクル、-40〜125℃)に伴って接合金属層120の疲労破壊が進めば放熱路が遮断される。熱抵抗の増加は、この熱流路遮断に起因して生ずる。厚さが0.9ｍｍ以下の領域では熱抵抗は全く変動していないのに対して、これより厚い領域では熱抵抗を増している。半導体装置900を安定に動作させる上では、窒化珪素基板110の厚さは0.9ｍｍ以下の範囲を選択するのが好ましい。

以上に説明したクラック破壊率及び熱抵抗増加率の評価結果を総合し、全ての点を満足できる窒化珪素基板110の厚さは0.2〜0.9ｍｍの範囲である。尚、図４は、複合金属板よりなる放熱配線板125'の厚さが3mm、配線金属板130の厚さが0.4ｍｍ、接合金属層120の厚さが50μmの場合における結果であるが、放熱配線板125'が1〜3mm、配線金属板130が0.1〜1.0ｍｍ、接合金属層120が0.025〜0.5ｍｍの範囲で同様の結果が得られている。

図５は、本実施の形態による半導体装置に関して温度サイクル試験を行った場合の、熱抵抗の推移を示すグラフである。半導体装置900は、厚さ1ｍｍの放熱配線板125'(20vol%Cu2O)と、厚さ0.3 ｍｍの窒化珪素基板110と、厚さ0.6ｍｍの配線金属板130と、厚さ50μmの接合金属層120と、により構成された絶縁基板125上にMOSFET素子基体101を搭載したものである。本実施の形態による半導体装置900(曲線A)は、1万サイクルの温度サイクルを与えても初期値(0.35℃/W)と同等の熱抵抗値が維持されていることがわかる。

一方、比較用の半導体装置(曲線B)の場合には、1000サイクルの温度サイクルにおいて熱抵抗の増大が生じ始める。比較用の半導体装置は、複合金属板が3ｍｍ、接合金属層が15μm、窒化珪素基板が0.2ｍｍ、配線金属板が1.5ｍｍの厚さにそれぞれ調整されている。ここで、放熱性に関する寿命を「初期熱抵抗の1.5倍に到達したときの温度サイクル数」と定義すると、比較試料の寿命は約2000サイクルであり、本実施の形態による試料900の寿命は10000サイクル以上である。比較試料が早期に寿命に到達した原因は、e部の応力により配線金属板直下の窒化珪素基板がクラック破壊すること、接合金属層が疲労破壊することにより主要な放熱路が遮断されることに起因する。比較試料では、複合金属板、窒化珪素基板、接合金属層、配線金属板の厚さが適正に調整されていないため、絶縁基板125全体において応力やひずみのバランスが良くないためである。

本実施の形態による半導体装置900においては、配線金属板130と複合金属板よりなる放熱配線板125'との表面にはNiめっき層(厚さ: 6μm)が設けられている。配線金属板130のNiめっき層は、はんだのぬれ性とワイヤボンディング性とを確保できる、Sn、Ag、Au、Pt、Pd、Zn、 Cu等の金属で代替させることが可能である。また、厚さも、はんだのぬれ性とワイヤボンディング性とを確保し、放熱配線板125'の品質劣化防止が可能な範囲で任意の値を選択できる。放熱配線板125'上のNiめっき層は、放熱配線板125'の内部や表面の品質を保つ役割を持つが、このNiも上述した種々の金属で代替できる。逆に、品質維持の上で不要であれば、めっきを省略することもできる。さらに、上述のNiめっき層は、Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd、Zn、Cuの群から選択された複数の金属を積層した層で代替してもよい。

絶縁基板125に搭載されるセラミックス板110は、窒化珪素の他に窒化アルミニウム(AlN、熱伝導率: 190W/m・K、熱膨張係数: 4.3 ppm/℃)、アルミナ(Al2O3、熱伝導率: 20 W/m・K、 熱膨張係数: 7.2ppm/℃)を用いることも可能である。この際、これらのセラミックス板110が0.25〜1.0ｍｍの厚さを有している限り、厚さ1〜10mmの放熱配線板125'と、厚さ0.1〜1.2ｍｍの配線金属板130と、厚さ25μm以上の接合金属層120と、を組み合わせることにより、上述した窒化珪素基板適用の場合と同様の効果が得られる。また、セラミックス板は、必要に応じて複数枚搭載されていてもよく、この際、窒化珪素基板、窒化アルミニウム板、アルミナ板を必要に応じて組み合わせても良い。しかし、厚さ0.5ｍｍ程度の厚い銅製回路配線板を用いて熱抵抗値をより下げようとする場合は、アルミナ板あるいは窒化アルミニウム板では強度不足で基板自身に割れが生じ実用的でない。この点で高強度の窒化珪素基板が好ましい。

以上の絶縁基板125を適用した半導体装置900は以下に説明するように、製造時あるいは運転時に生ずる熱応力ないし熱ひずみを軽減し、各部材の変形、変性、破壊の恐れがなく、信頼性が高く、低コスト化された装置を得るのに有効である。

次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照しつつ説明を行う。図６は、本実施の形態による半導体装置の要部を示す模式的な斜視図である。図６に示すように、本実施の形態による半導体基板９００は、セラミックス板110としての窒化珪素基板(30×50×0.3ｍｍ)と、支持部材としての銅からなる放熱配線板125'と、を一体化した絶縁基板125に、半導体基体101をはんだ付けにより搭載した状態になっている。この場合には、支持部材としての放熱配線板125'の露出部には、例えばNiめっき層(厚さ: 6μm、図示を省略)が設けられている。支持部材としての放熱配線板125'は、例えば、42.4ｍｍ×85ｍｍ×3ｍｍの寸法を有しており、その周縁部に取り付け穴(例えば、直径:5.6ｍｍ)125Fが設けられている。

支持部材としての放熱配線板125'と窒化珪素基板110とは、Ag系ろう材からなる接合金属層120(厚さ: 50μm、図２参照)により一体化され、窒化珪素絶縁板110上に設けられた銅からなる配線金属板130(厚さ: 0.4 ｍｍ、図２参照)に半導体基体101としてのMOSFET素子基体(7×7×0.28ｍｍ)101が８個搭載されている。

素子基体101と配線金属板130との間は、Sn-3Ag-0.5Cuはんだ材113(厚さ:100μm、図１参照)により接合されている。支持部材としての放熱配線板125'は、例えばサンドブラスト法により処理を行い、その熱膨張係数がコントロールされている。本実施の形態においては、放熱配線板（支持部材）の材質として、配線金属板130と同系の材料であるCuを用いる点に特徴がある。また、放熱配線板125'の熱膨張係数が１２ｐｐｍ／℃であり、熱膨張係数がCu本来のそれより小さくなるように加工処理が施されている。このように、機械的加工を施して熱膨張係数を適切にコントロールすることにより、配線金属板130と同様の素材を支持板として適用することができる。

本実施の形態では、配線金属板及び支持部材をともにCuを用いたが、例えば、配線金属板130をCu合金とし、支持部材である放熱配線板１２５’を上記サンドブラスト法などの機械加工などの加工を施すことにより、熱膨張係数がコントロールされた配線金属板と同組成のCu合金とすることもできる。本実施の形態では、配線金属板１３０と支持部材（放熱配線板）１２５’を同系の材料とすることができるため、セラミックス板１１０と接合するための接合材の材質を代える必要がなく、配線金属板１３０と放熱配線板（支持部材）１２５’を一括プロセスによりセラミックス板１１０と接合でき、煩雑なプロセスを必要とせず、プロセス性に優れる。本実施の形態による半導体装置も電気自動車用インバータ装置に組込まれた。

尚、図６に示す本実施の形態と同様の構成において、支持部材をサンドブラスト法により加工し、或いは、この加工処理を省略し、支持部材(放熱配線板、熱膨張係数: 10.0ppm/℃、熱伝導率: 300 W/m・K)125'として、支持部材（放熱配線板）の主要部材であるマトリックス金属(Cu)に加えて、Cu₂O粉末粒子を分散(添加量:20 vol%)させた材料を用いることも可能である。また、図６に示す半導体装置900において、最大消費電力400Wのもので、図２に示した断面構造を有する絶縁基板125が適用されている。

図７は配線が設けられた窒化珪素基板１００の詳細な構成を示す平面図（図７（ａ））と断面図（図７（ｂ））である。図７に示す窒化珪素基板110は、寸法が30ｍｍ×50ｍｍ×0.3ｍｍの焼結体(熱膨張係数: 3.4ppm/℃、熱伝導率: 90W/m・K)であり、複合金属板よりなる放熱配線板125'（図示を省略）と接合されない側の主面（図７（ａ）の上面）には、厚さ0.4mmの配線金属板130が設けられている。これらの配線金属板130は、銅又は銅合金により形成されている。窒化珪素基板110の反対側の面は、Ag系ろう材による金属接合層120を介して複合金属板よりなる放熱配線板125'と接合されている。半導体装置900は、さらに他の部材と組み合わされている。以下、図１を参照して半導体装置900の構造をより詳細に説明する。窒化珪素基板110に設けられた銅製配線板130上に半導体基体としてのMOSFET素子基体101が搭載されている。

主端子30や補助端子31を設けてあるポリヒェニールサルフアイド樹脂ケース20が、絶縁基板125に取り付けられている。絶縁基板125は銅マトリックスにCu₂O粉末粒子を分散させた放熱配線板125'と窒化珪素基板110を、Ag系ろう材からなる接合金属層120により接合し、窒化珪素基板110の反対側の面に銅又は銅合金からなる配線金属板130を設けた複合材からなる。半導体基体101と、配線金属板130との間、半導体基体101と補助端子31との間、配線金属板130と主端子30との間には、Al細線117のワイヤボンディングが施されている。ケース20内には、シリコーンゲル樹脂22が充填され、そしてケース20の上部にはポリヒェニールサルフアイド樹脂蓋21が設けられている。ここで、窒化珪素基板110に設けられた銅製配線板130上には、8個のMOSFET素子基体101が、Sn-3Ag-0.5Cuはんだ113により固着されている。Sn-3Ag-0.5Cuはんだ113による固着は、フラックス含有のペーストはんだ材を用い低真空雰囲気下で行われる。また、配線金属板130c間には、温度検出用サーミスタ素子34がSn-3Ag-0.5Cuはんだ124(図示を省略)により固着され、配線金属板130cはAl細線117により補助端子31へ連絡されている。

尚、図１に示されるように、ケース20と絶縁基板125との間、ケース20と蓋21との間は、シリコーン接着樹脂35（図示せず）が充填されて固定されている。蓋21の肉厚部には、凹み25が、主端子30には穴30'がそれぞれ設けられ、半導体装置900を外部回路に連絡するためのネジ(図示を省略)が収納されている。主端子30や補助端子31は、予め所定形状に打抜き成形された銅板にNiめっきを施したものであり、射出成形法によってポリヒェニールサルフアイド樹脂ケース20に取り付けられている。以上の構成を有する半導体装置900は、45ｍｍ×87ｍｍ×15ｍｍの外寸法を有している。半導体装置900の絶縁基板125のそり量は50μmと小さい値を示した。

図８は、半導体装置９００の回路の構成例を示す図である。MOSFET素子(4個)101が並列に配置された２系統のブロック910を有し、各ブロック910は直列に接続され、入力主端子30in、出力主端子30out、補助端子31が所定部から引き出されて半導体装置900の要部を構成している。また、この回路の動作時における温度を検出する温度検出用サーミスタ34が半導体装置900内にMOSFET素子(4個)101とは独立して配置されている。半導体装置900は、最終的に、例えば、図9に示す電動機960の回転数制御用インバータ装置に組み込まれる。インバータ装置及び電動機は、電気自動車の動力源として電気自動車に組み込むことができる。電気自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できるため、ギヤの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能であり、振動や騒音も軽減することができる。

さらに、半導体装置900を組み込んだインバータ装置は、冷暖房機に組み込むこともできる。この際、従来の交流電動機を用いた場合に比べて高い効率を得ることができる。この点は、冷暖房機使用時の電力消費を低減するのに役立つ。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合より短縮することができる。

本実施の形態と同様に、半導体装置900が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯機、流体循環装置等に組み込まれた場合でも同様の効果を得ることが出来る。

次に、本発明の第３の実施の形態による半導体装置について図面を参照しつつ説明を行う。本実施の形態について図６及び図１０を参照しつつ説明を行う。図６に示すように、セラミックス板110としての窒化珪素基板(30×50×0.3ｍｍ)と支持部材としての放熱配線板125'とを一体化した絶縁基板125に、半導体基体101をはんだ付け搭載した状態を示す。放熱配線板125'の露出部にはNiめっき層(厚さ: 6μm、図示を省略)が設けられている。放熱配線板125'は、42.4ｍｍ×85ｍｍ×3ｍｍの寸法を有しており、その周縁部に取り付け穴(直径:5.6mm)125Fが設けられている。放熱配線板125'と窒化珪素基板110とは、Ag系ろう材からなる接合金属層120(厚さ: 50μm、図示を省略)により一体化され、窒化珪素絶縁基板110上に設けられた銅合金からなる配線金属板130(厚さ:0.4ｍｍ、図示を省略)に半導体基体101としてのMOSFET素子基体(7×7×0.28ｍｍ)101が8個搭載されている。

素子基体101と配線金属板130の間はSn-3Ag-0.5Cuはんだ材113(厚さ:100μm、図示を省略)により接合されている。放熱配線板（支持部材）は圧延加工の加工度によって熱膨張係数がコントロールされている。放熱配線板（支持部材）の材質は本発明の第１の実施の形態と第２の実施の形態の場合と同様に、Cu₂Oを２０wt%含有したCu複合材であるが、図１０に示すように、長手方向の熱膨張係数が8ppm/℃、短手方向のそれが12ppm/℃である。このように、熱膨張係数が小さい方向がセラミックス板の長手方向になるように設定される回路基板を作製することにより、全体としての変形を抑えることができる。このように熱膨張係数に方向性（異方性）を持たせることによってCu₂O含有量の少ない部材も適用することができる。また、上述のように熱膨張係数に異方性を持たせることは、複合材によっても可能であるが複合材のみではなく純金属（例えば純銅）でも達成することが可能であり、本実施の形態による技術を適用すれば支持部材の選択肢も広がる。本実施の形態で行った熱膨張係数の異方性を確保する手法について説明する。まず、Ｃｕ_２Ｏを含有したＣｕ材を圧延加工し、所定の形状になるまで加工する。この際、圧延方向にＣｕの組織、及びＣｕ_２Ｏが延びる、この延びた方向が熱膨張係数の大きい方向となり、他方、この延びた方向と垂直方向が熱膨張係数の小さい方向となる。この熱膨張係数の異方性はＣｕ_２Ｏ含有量、および圧延加工度でコントロールできる。このように熱膨張係数の異方性をもった圧延材から所定の形状の板材を切り出し、本発明の実施の形態による放熱側配線板に用いることができる。

尚、この半導体装置は電気自動車用インバータ装置に組込んで動作させることができた。

次に、本発明の第４の実施の形態について図面を参照しつつ説明を行う。本実施の形態による半導体装置は、他の実施の形態による絶縁型半導体装置と同様に機能する。

図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれは、本実施の形態による半導体装置に用いられる複合金属板１２５の構造の例を詳細に示す平面（表面）図及び断面図及び平面（裏面）図である。図１４は、本実施の形態による絶縁型半導体装置の主要な製造工程を示す図である。まず、絶縁基板125の製造工程について図１４（ａ）から（ｄ）までを参照しつつ説明を行う。先ず、セラミックス板を準備し（図１４（ａ））、セラミックス板110の１主面（表面）に、Ag-Cu-Ti系のろう材ペーストを印刷した後に、セラミックス板110の表面に配線用の金属板(Cu板)を積層し、積層体を熱処理して金属板１３０ａとセラミックス板110とをろう付け（ろうを符号１２０ｂで示す。）する（図１４（ｂ））。その後、金属板１３０ａをエッチングにより加工し、配線層１３０と、周辺金属板１３３とを好ましくは同時に加工する。配線層１３０にはんだのぬれ性とワイヤボンディング性を付与し、半導体チップ１３１ａを配置する。これらの工程の前後には、マスク剤の塗布やパターンニング、マスク剤の除去の工程が含まれる。

次に、上記工程により作成した絶縁基板の構造について説明する。図１１（ａ）から図１１（ｃ）までに示すように、本実施の形態による絶縁基板125は上記第１の実施の形態による絶縁基板と基本的に同様の構成を有しており、以下においては、異なる点を中心に説明する。本実施の形態による半導体装置における複合金属板１２５は、図７と対照させると明確であるが、窒化珪素基板１１０上に金属配線板130を形成するとともに、さらに、金属配線板１３０の外周部に周辺金属板133を設けるとともに、窒化珪素基板１１０の裏面のほぼ全域にわたって裏面金属板（金属配線板）150を設けた点を構造上の特徴としている。

周辺金属板133と金属配線板130との材質は同種であるのが好ましく、さらに、銅または銅合金により形成されているのが好ましい。裏面金属板（金属配線板）150は、第１の実施の形態から第３の実施の形態により用いられている放熱配線板（支持部材）125’と同様の材質である。周辺金属板133と裏面金属板（金属配線板）150との厚さは、異なっていても良いが、ほぼ同等であることが好ましい。裏面金属板（金属配線板）150と窒化珪素基板110とは、ほぼ同等の面積を有する。尚、符号125Gはねじ止用の孔部を示している。

図１１に示す構成により、窒化珪素基板110と周辺金属板133及び裏面金属板（金属配線板）150の間の剥離耐量が向上する。本実施の形態による絶縁基板125に対して温度サイクル試験(−55〜150℃、6000サイクル、投人試料数:20個)を施したところ、周辺金属板133や裏面金属板（金属配線板）150の剥離は全く観察されていなかった。

以上に説明した構成を有する絶縁基板125を用いて図１に示す構造と同様の絶縁型半導体装置900を作製した。その結果、絶縁型半導体装置900の性能は、第１の実施の形態による半導体装置と同等であることが確認された。また、前述した第１の実施の形態における温度サイクル試験と同様の温度サイクル試験を12000サイクルまで与えた場合においても、絶縁型半導体装置900の熱抵抗は、初期値とほぼ同等の値を維持していることが確認された。このように本実施の形態による絶縁型半導体装置900によれば、信頼性に優れた半導体装置を実現することができる。

また、本実施の形態による絶縁型半導体装置900に関して、ネジの締め付けトルク50Kgのもとで第１の実施の形態の場合と同様の締め付け試験を施した。この締め付け試験による絶縁基板125の機械的破損や絶縁型半導体装置900の電気的機能に関する劣化は、実際に試験を行った試料(１０サンプル)のいずれにも認められなかった。この結果は、絶縁基板125に設けられた裏面金属板（金属配線板）150が窒化珪素基板110の補強材として機能すること、絶縁基板125に設けられた周辺金属板133も窒化珪素基板110の補強材として機能していることに基づくものと考えられる。両方の材料を略同じ熱膨張係数を有する材料とすることで、絶縁基板１２５の両面における熱の影響をキャンセルすることができ、より一層良好な結果を得ることができたものと考えられる。

また、絶縁型半導体装置900に対して落下試験を実施したところ、試験を行った試料10個のいずれに関しても、絶縁基板125の機械的破損や絶縁型半導体装置900の電気的機能の劣化などは認められなかった。これは絶縁基板125の裏面金属板（金属配線板）150が窒化珪素基板110の補強材として機能すること、絶縁基板125の周辺金属板133も窒化珪素基板110の補強材として機能していることに基づく。

本実施の形態による絶縁型半導体装置900は、実施例１と同様の各種の装置に組み込むことが可能であり、その際に、優れた性能と信頼が確認された。さらに、本実施例絶縁型半導体装置900の絶縁基板のそり量は、±20μm(＋は配線金属板側が凸の場合、−は裏面金属板側が凸の場合である。)と、極めて優れた平坦性を示すことがわかった。この理由は、絶縁基板125の周辺領域における窒化珪素基板110と裏面金属板（金属配線板）150との間のバイメタル効果によるそり{＋}が、窒化珪素基板110と周辺金属板133との間のバイメタル効果による反対方向のそり(−)により補償されるためである。この点は、基板125がネジ締めされる形態の絶縁型半導体装置の場合に適用すると特に好ましい。さらに、完成した半導体装置の熱抵抗も減ずることができる、かつ、長期的な信頼性を確保できる。尚、裏面金属板150は、配線金属板130、周辺金属板133と同種材（銅または銅合金）であってもよい。

次に、本発明の第５の実施の形態について図面を参照しつつ説明を行う。本実施の形態による半導体装置は、上記第４の実施の形態による半導体装置と関連性が高いので、図１１を参照して説明を行う。本実施の形態による半導体装置は、図１１（ａ）、（ｂ）と同様に、絶縁基板125は、窒化珪素基板１１０上に金属配線板130を形成するとともに、さらに、金属配線板１３０の外周部に、好ましくは中心を連続的に囲む周辺金属板133が設けられている。但し、窒化珪素基板１１０の裏面には金属板は設けられている。本実施の形態においても周辺金属板133と金属配線板130との材質は同種であるのが好ましく、さらに、銅または銅合金により形成されているのが好ましい。

図１１に示す構成により、裏面に金属板を設けなくても、第４の実施の形態による半導体装置とほぼ同等の良好な信頼性を得ることができ、構造をより簡単化することができる。

次に、本発明の第６の実施の形態について図面を参照しつつ説明を行う。尚、本実施の形態はこれまで説明した全ての実施の形態に関して共通に適用することができる。図１２（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態による絶縁基板を用いて作製した絶縁型半導体装置の概略を示したものであり、図１２（ｃ）、（ｄ）は、一般的な絶縁基板を用いて作成した絶縁型半導体装置の例を示す図であり、図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ対応する図である。図１２（ａ）〜（ｄ）までを参照し両者を比較しながら本実施の形態について説明する。

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、本実施の形態による半導体装置は、窒化珪素基板２０３の表面側に金属配線板２０５と、金属配線板２０５と接合層２１１を介して接合される半導体素子（チップ）２０７と、を有し、裏面側に支持部材（放熱配線板）２０１を有している（第５の実施の形態を除く）。一方、一般的な半導体装置は、窒化珪素基板２０３の表面側に金属配線板２０５と、金属配線板２０５と接合層２１０ｂを介して接合される半導体素子（チップ）２０７と、を有し、裏面側に裏面電極板２１５と、裏面電極板２１５と接合層（はんだ）２１０ａを介して接合される支持部材２０１を有している。

一般的な半導体装置では、高温時には下に凸（図１２（ｃ））に反り、低温時には上に凸（図１２（ｄ））に反るため、熱伝導性グリースが外に押し出し易く、熱抵抗上昇の一要因になることがある。

一方、本発明の各実施の形態による半導体装置の場合には、高温時（図１２（ａ））には上に凸に反り、低温時には下に凸に反る（図１２（ｂ））。尚、凸量すなわち反り量は、数十μｍ程度である。この現象は、半導体装置を電力変換装置に設置した場合、半導体装置の支持板と電力変換装置との間に塗布される熱伝導性グリースのはみ出しを抑止することができる程度の反り量である。以上のように、本実施の形態による半導体装置はグリースのはみ出しを防ぐことができるという利点を有している。

尚、絶縁基板に搭載されるセラミックス基板は、窒化珪素以外に、窒化アルミニウム、アルミナを適用することも可能である。セラミックス基板は必要に応じて複数枚搭載されていてもよく、この際、窒化珪素基板、窒化アルミニウム板、アルミナ板を必要に応じて組み合わせてもよい。

以上説明したように本実施の形態によう半導体装置を用いると、製造時又は運転時（動作時）に生ずる熱応力ないし熱ひずみが軽減し、各部材の変形、変質、破壊の可能性が減る。さらに、放熱性が優れるとともに信頼性が高く、低コストの半導体装置を提供することができる。より具体的には、配線金属板材質を銅又は銅合金とし、放熱側金属板を配線金属板よりも熱膨張係数の小さい銅系材とすることにより、熱抵抗は電気的安定動作を実現するため0.4℃/W以下が達成でき、かつ反りの少ない優れた平坦性が確保できる。また、はんだによる接合部分の少数化の実現により、長期信頼性の確保が容易になり、かつ製造プロセスの簡略化も実現できる。これらのことから大幅なコストダウンを図ることができる。

特に熱サイクルが問題になる、自動車などの運搬用機械などの電子部品として利用すると良い。

本発明の実施の形態による半導体装置の基本構造を示す平面及び断面模式図である。 本発明の実施の形態による半導体装置用の複合部材の断面模式図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明の実施の形態による半導体装置の熱抵抗、応力、信頼性に関する配線金属板厚さ依存性を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態によるクラック破壊率及び熱抵抗増加率の窒化珪素絶縁基板厚さ依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態による半導体装置の温度サイクル試験による熱抵抗の推移を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態による半導体装置の要部を示す斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態における配線層が設けられた窒化珪素基板の詳細を説明する平面図及び断面図である。 本発明の絶縁型半導体装置の回路構成例を示す図である。 図８の半導体装置を組み込んだインバータ装置の回路を示す図である。 長手方向の熱膨張係数が8ppm/℃、短手方向のそれが12ppm/℃である支持部材を用いた場合の作用を説明する図である。 本実施の形態における複合部材の詳細を説明する平面図及び断面図である。 本発明の第６の実施の形態による半導体装置であり、図１２（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態による絶縁基板を用いて作製した絶縁型半導体装置の概略を示したものであり、図１２（ｃ）、（ｄ）は、一般的な絶縁基板を用いて作成した絶縁型半導体装置の例を示す図であり、図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ対応する図である。 （ａ）から（ｄ）までは、本発明の第１から第４までの実施の形態による絶縁基板の製造工程を示す図である。 （ａ）から（ｄ）までは、本発明の第５の実施の形態による絶縁基板の製造工程を示す図である。

符号の説明

20…ポリフェニールサルファイド樹脂ケース、21…ポリフェニールサルファイド樹脂蓋、22…シリコーンゲル樹脂、エポキシ樹脂、25…凹み、30…主端子、端子、30in…入力主端子、30out…出力主端子、31…補助端子、34…温度検出用サーミスタ素子、35…シリコーン樹脂、43…Niめっき、101…半導体基体、MOS FET素子基体、IGBT素子基体、110…セラミックス絶縁基板、窒化珪素基板、窒化アルミニウム板、アルミナ板、113、124…はんだ材、120…接合金属層、125…複合部材、125'…放熱配線板（支持部材、複合金属板）、125F…取り付け穴、130…配線金属板、900…半導体装置、910…ブロック、960…電動機。

Claims (17)

1. 一方の面と該一方の面の反対側の他方の面とが形成される基板と、該基板の前記一方の面に設けられ半導体装置を搭載する回路配線板と、前記基板の前記他方の面に設けられた放熱配線板と、を有する回路基板において、
   前記放熱配線板は前記回路配線板より熱膨張係数が小さいことを特徴とする回路基板。
2. 一方の面と該一方の面の反対側の他方の面とが形成される基板と、該基板の前記一方の面に設けられ半導体装置を搭載する回路配線板と、前記基板の前記他方の面に設けられた放熱配線板と、を有する回路基板において、
   前記回路配線板はCu又はCu合金で構成され、かつ前記放熱配線板はCu又はCu系素材で構成され、かつ、前記放熱配線板は前記回路配線板より熱膨張係数が小さいことを特徴とする回路基板。
3. 請求項１又は２に記載の回路基板において、
   前記放熱配線板が、主面内での縦方向と横方向とで異なる熱膨張係数を有し、かつ、前記基板の長手方向が前記放熱配線板の熱膨張係数が小さい方向と略平行になるように設定されていることを特徴とする回路基板。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の前記放熱配線板が、Cu又はCu合金からなるマトリックス金属中にCu₂O粉末粒子を分散させた複合金属板により構成されていることを特徴とする回路基板。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の基板は、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの群から選択された少なくとも１種を含むセラミックス板により形成されていることを特徴とする回路基板。
6. 請求項１から５までのいずれか１項において、前記回路配線板と前記放熱配線板との表面は耐食性金属によって被われていることを特徴とする回路基板。
7. 一方の面と該一方の面の反対側の他方の面とが形成される基板と、
   該基板の前記一方の面に設けられ半導体装置を搭載する回路配線板と、前記基板の周辺部に設けられる周辺部補強板と、
   を有する回路基板。
8. 前記回路配線板と前記周辺部補強板とが、同じ材料により形成されていることを特徴とする請求項７に記載の回路基板。
9. 前記他方の面に設けられる放熱配線板を有することを特徴とする
   請求項７又は８に記載の回路基板。
10. 前記放熱配線板は前記回路配線板より熱膨張係数が小さいことを特徴とする請求項９に記載の回路基板。
11. 前記回路配線板はCu又はCu合金で構成され、かつ前記放熱配線板はCu又はCu系素材で構成され、かつ、前記放熱配線板は前記回路配線板より熱膨張係数が小さいことを特徴とする請求項９又は１０に記載の回路基板。
12. 請求項９から１１までのいずれか１項に記載の回路基板において、
    前記放熱配線板が、前記主面内での縦方向と横方向とで異なる熱膨張係数を有し、かつ、前記基板の長手方向が前記放熱配線板の熱膨張係数が小さい方向と略平行になるように設定されていることを特徴とした回路基板。
13. 請求項１又は２に記載の回路基板と、前記回路配線板上に設けられた半導体素子と、前記回路基板と前記半導体素子とを収容する収容容器と、該収容容器内に充填され該半導体素子及び前記基板を覆う樹脂と、を有することを特徴とする半導体装置。
14. 請求項７から１２までのいずれか１項に記載の回路基板と、前記回路配線板上に設けられた半導体素子と、前記回路基板と前記半導体素子とを収容する収容容器と、該収容容器内に充填され該半導体素子及び前記基板を覆う樹脂と、を有することを特徴とする半導体装置。
15. 基板を準備する工程と、
    該基板の一方の面に回路配線板を、他方の面に放熱金属板とをそれぞれ積層し積層体を形成する工程と、
    該積層体を熱処理して前記回路配線板と放熱金属板とを前記基板にろう付けする工程と、
    前記回路配線板を加工して配線層を形成する工程と
    を有する回路基板の形成方法。
16. 前記配線層に対して、はんだのぬれ性とワイヤボンディング性とを付与し、前記放熱金属板に、はんだぬれ性を付与するための処理を施す工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の回路基板の形成方法。
17. 基板を準備する工程と、
    該基板の一方の面と他方の面とのうちの一方の面に金属層を形成する工程と、
    該金属層を加工して半導体チップを搭載する配線層と該配線層の外周を囲む周辺金属層とを形成する工程と
    を有する回路基板の形成方法。

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