JP2008147308A - 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板と放熱ベースとを接合するはんだ層にクラックが発生すること及び金属放熱板とアルミニウム層との界面に化合物層が形成されることを防止することにより高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる回路基板およびそれを用いた半導体モジュールを提供すること。
【解決手段】セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金からなり、前記金属放熱板に接合部材層を介してアルミニウム板が接合されている回路基板である。
【選択図】図２

Description

本発明は、主に大電力で動作する半導体チップを搭載する回路基板、およびこれを用いた半導体モジュールの構造に関する。

近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する回路基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高いセラミックス基板に金属板を接合したものが広く使用されている。ここで、金属板はセラミックス基板の両面に接合され、その一面は金属回路板となり、他面は金属放熱板となる。金属回路板は、半導体チップに電気的に接続される配線としても機能する。

金属回路板は配線として機能するため、セラミックス基板には高い絶縁性も要求され、金属回路板には、低い電気抵抗率も要求される。このため、セラミックス基板としては、窒化アルミニウム（熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）、金属板としてはアルミニウム（熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ／Ｋ程度、電気抵抗率が３．５×１０^−８Ω・ｍ）が用いられた。しかしながら、窒化アルミニウムはその機械的強度が不充分であるため、近年はより機械的強度の高い窒化珪素（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）が代わりに用いられている。また、金属板としては、より高い熱伝導率と低い電気抵抗率をもつ銅が好ましく用いられている。

この回路基板上の金属回路板に半導体チップが接合され、半導体モジュールが形成される。金属回路板は、セラミックス基板の一面においてその全面を覆うことはなく、所定の配線パターンに加工される。一方、金属放熱板は、放熱を目的としてセラミックス基板に接合されている。そのため、セラミックス基板の他面においてほぼその全面を覆って形成される。また、実際にこの半導体モジュールが機器に搭載されるに際しては、この放熱板が、同様に熱伝導率の高い材料からなる放熱ベースに接合される。同一の金属板を金属放熱板と放熱ベースを兼ねてセラミックス基板に接合することもできる。この場合、セラミックス基板の一面には金属回路板が形成され、他面にはセラミックス基板よりも大きな面積を持った金属板が接合された形態となる。

この半導体モジュールを含む機器がＯＮの場合には半導体チップが高温となり、ＯＦＦの場合には常温となる。さらに、寒冷地においては−２０℃程度の厳寒な条件にも至ることもある。従って、通常の使用において、この半導体モジュールは、多数回の冷熱サイクルにさらされる。この半導体モジュールを構成する半導体チップ、セラミックス基板、金属放熱板（銅板）等の熱膨張率は異なる（例えば、半導体チップを構成するシリコンの熱膨張係数は３．０×１０^−６／Ｋ、銅は１７×１０^−６／Ｋ、窒化珪素は２．５×１０^−６／Ｋ程度）ため、これらを接合した場合、この冷熱サイクルに際しては、この熱膨張差に起因した歪みが発生する。この歪みの大きさや方向は、このサイクル中で変化する。このため、この半導体モジュールにおいては、冷熱サイクルによって、セラミックス基板や半導体チップが割れたり、半導体チップと金属回路板との接続部が破断することがあった。従って、この歪みによってこの半導体モジュールの冷熱サイクルに対する耐久性が劣化する。また、破壊を生じない場合でも、高温において放熱ベースとの接合部分で大きな反りが生ずると、熱伝導が悪くなり、放熱効率が低下する。

また、一般に、セラミックス基板と、金属回路板や金属放熱板となる金属板との接合はろう付けを用いて行われる。この接合に要する温度は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材を用いた場合には、およそ７００℃以上であるため、この接合後に常温に戻った状態においては、この方法で製造された回路基板は、反りを生じている。従って、この回路基板を放熱ベースに接合して使用する場合、特に高温の場合でなくとも、これによって放熱効率が低下することがある。

図３には従来の半導体モジュールの断面図を示す。この半導体モジュールは、セラミックス基板２の一方の面にろう材層５を介して金属回路板３が接合され、金属回路板３上に半導体チップ６がはんだ層７を介して接合して搭載されている。また、同様にしてセラミックス基板２の他方の面にろう材層５を介して金属放熱板４が接合され、金属放熱板４に放熱ベース１３がはんだ層１２を介して接合されている。

はんだ層７、１２は、例えば、Ｓｎ−ＰｂはんだやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕであり、その融点は１９０〜２７０℃程度である。従って、これを用いて半導体チップ６と金属回路板３を、金属放熱板４と放熱ベース１３を２１０〜２９０℃程度の温度で接合することができる。この接合温度はろう材５の融点よりも大幅に低いため、この接合に際しては金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２との接合に影響を与えることはない。はんだ層７は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ６と金属回路板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。フリップチップ接続を用いた場合には、このはんだ層７によって半導体チップ６と金属回路板３との電気的接続もなされる。また、放熱ベース１３は、機器側でこの回路基板１を搭載する部分である。放熱ベース１３は金属放熱板４に伝わった熱を放熱するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きいことが望ましい。一方、放熱ベース１３は前記の通りはんだ層１２を介して、回路基板１と接続されるため、回路基板に近い熱膨張係数をもつ材料が好ましい。このため従来は例えば銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の熱膨張係数が１０×１０^−６／Ｋ前後という、金属材料としては熱膨張係数が比較的小さい材料が用いられている。このような材料を用いることではんだ層１２の信頼性を確保している。放熱ベース１３ははんだ層１２を介して金属放熱板４と接続されるにもかかわらず回路基板１の熱膨張係数を重要視するのは次の理由による。すなわち、回路基板１は金属放熱板４、金属回路板３およびセラミックス基板２がろう材により互いに強固に接合されて構成されるため、前記三つの部材の複合された挙動・物性を示します。このことから回路基板１は全体として金属放熱板４および金属回路板３を構成する銅とセラミックス基板２を構成するセラミックスの中間の熱膨張係数を有し、単純な銅である金属放熱板４よりも小さい熱膨張係数を有するからである。

前記のような構成である図３に示す半導体モジュールは冷熱サイクルに対する高い耐久性を有しているが、銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の低熱膨張材料はその熱伝導率が高々２００W／ｍKと低いこと、比重が重くモジュール重量が大きいこと、更にはモリブデン、タングステン等の希少金属を使用するためコスト高となる等の課題を有している。

図３に示すモジュールの課題を解決するモジュールとして、図４に示すモジュールがある。図４の半導体モジュールでは、放熱ベース１３は銅もしくは銅合金等の熱伝導の高い材料が使用される。銅もしくは銅合金はその熱膨張係数は１７×１０^−６／Ｋ前後と大きく、図３に示した回路基板１とはんだ層１２を介して接合すると、冷熱サイクル試験ではんだ層１２にクラックが発生し易い。クラックは伝熱抵抗を大きくするため好ましくない。そこで図４に示す半導体モジュールでは金属放熱板４の下にアルミニウム板２０を介してはんだ層１２により、回路基板１と放熱ベース１３とを接合している。アルミニウム板２０は柔らかい材料であるため応力緩和の機能を有し、結果としてはんだ層１２の信頼性を確保することができる。

なお、図４では銅・アルミニウムの２層構造を示したが、銅もしくは銅合金の上下両側にアルミニウム板を設けた構造（特許文献１）や、銅もしくは銅合金層を多孔質層として応力緩和を更に改善した方法（特許文献２）も開示されている。

特開２００１−１８５８２６号公報 特開２０００−１３８３１９号公報

前述した図４に示す半導体モジュール或いは特許文献１および特許文献２に開示されている回路基板では、銅もしくは銅合金とアルミニウム板が５００℃前後の温度で熱圧着されることで一体化されることが開示されている。しかしながら、銅とアルミニウムの直接接合においては、４００℃以上の温度になると、化合物を形成し易い。そのため、５００℃という温度にさらされると金属放熱板４とアルミニウム板２０との界面には、銅とアルミニウムからなる化合物層が形成される。そして、この化合物層は極めて脆いため、半導体モジュールが冷熱サイクルや衝撃を受けるとクラックを生じやすく、半導体モジュールの信頼性を大幅に低減させてしまう。

また、上記の化合物層の生成抑制に効果のある銀等の金属層を銅とアルミニウムの界面に挟みこんだ銅・銀・アルミニウムからなる三層クラッド材を作製し、これとセラミックス基板２とをろう材５を用いて接合するなども試みられている。しかしながら、銀を挟みこんだ場合でも銅とアルミニウムとの反応を完全に抑制することは困難であり、従って、高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる半導体モジュールを得ることは困難であった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回路基板と放熱ベースとを接合するはんだ層にクラックが発生すること及び金属放熱板とアルミニウム層との界面に化合物層が形成されることを防止することにより高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる回路基板およびそれを用いた半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。

請求項１記載の発明の要旨は、セラミックス基板の一面に金属回路板が形成され、他面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板に接合部材層を介してアルミニウム板が接合されていることを特徴とする回路基板に存する。

請求項２記載の発明の要旨は、前記アルミニウム板の厚みが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍであり、かつ金属回路板の厚みT１は０．３〜０．８ｍｍであり、さらに金属回路板の厚みT１と金属放熱板の厚みT２の比、T２／T１が０．７〜１．０であることを特徴とする回路基板に存する。

請求項３記載の発明の要旨は、常温における最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の回路基板に存する。

請求項４記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板に存する。

請求項５記載の発明の要旨は、前記接合部材層の融点が、２５０℃〜４５０℃であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板に存する。

請求項６記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Ｐｂ：８０〜９９ｗｔ％、Ｓｎ：０〜２０ｗｔ％を含有し、Ｐｂ、Ｓｎ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＰｂ系高温はんだ層である回路基板に存する。

請求項７記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Ｚｎ：３０〜９９ｗｔ％、Ａｌ：０．１〜６０ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜３０ｗｔ％を含有し、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＺｎ−Ａｌ系はんだ層である回路基板に存する。

請求項８記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Ｓｎ：５０〜９０ｗｔ％、Ｃｕ：５〜５０ｗｔ％を含有し、Ｓｎ、Ｃｕ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＰｂフリー高温はんだ層である回路基板に存する。

請求項９記載の発明の要旨は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回路基板の金属回路板に半導体チップが接合され、前記回路基板のアルミニウム板に放熱ベースが接合され、これらを接合するためのはんだの融点が、前記回路基板の接合部材層の融点よりも低いことを特徴とする半導体モジュールに存する。

請求項１０記載の発明の要旨は、前記接合部材層の融点が、２５０℃未満であることを特徴とする回路基板に存する。

請求項１１記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Ｐｂ：３０〜７０ｗｔ％、Ｓｎ：３０〜７０ｗｔ％を含有し、Ｐｂ、Ｓｎ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＰｂ系はんだ層である回路基板に存する。

請求項１２記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Ｓｎ：８０〜９９．５ｗｔ％、Ａｇ：０．１〜２０ｗｔ％を含有し、Ｓｎ、Ａｇ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＰｂフリーはんだ層である回路基板に存する。

請求項１３記載の発明の要旨は、請求項１乃至４または請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の回路基板の金属回路板に半導体チップが接合され、前記回路基板のアルミニウム板に放熱ベースが接合され、これらを接合するためのはんだの融点が、前記回路基板の接合部材層の融点とほぼ同等であることを特徴とする半導体モジュールに存する。

請求項１４記載の発明の要旨は、前記放熱ベースが銅、銅合金、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項９もしくは請求項１３に記載の半導体モジュールに存する。

本発明は以上のように構成されているので、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備える半導体モジュールを得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本発明に係る回路基板は、これを用いた半導体モジュールにおいて、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を有する。この回路基板断面図が図１である。図１においては、セラミックス基板２の一面に金属回路板３が、他面に金属放熱板４が、それぞれろう材５を介して接合されている。その後、接合部材層２１を介して、金属放熱板４とアルミニウム板２０が接合される。

セラミックス基板２としては、高い熱伝導率、絶縁性、および機械的強度を有し、厚い金属回路板３を接合できる材料として、各種のものを用いることができる。中でも、窒化珪素セラミックスが特に好ましい。具体的には、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上、絶縁耐圧としてセラミックス基板厚が0.32mm厚みのものでAC８ｋV程度以上、抵抗値としては１０GΩ程度以上、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度以上である窒化珪素セラミックスが好ましい。熱伝導率がこれよりも小さい場合には、回路基板の熱抵抗が大きくなることがある。３点曲げ強度や破壊靱性値がこれよりも小さな場合には、回路基板の製造時や冷熱サイクルによって発生する歪みによってクラックが発生する可能性がある。例えば、その厚さは０．３ｍｍであり、大きさは３０ｍｍ×５０ｍｍである。特にその大きさについてはその用途によって適宜決定される。さらに放熱性を向上させるためには、その厚さは、０．２ｍｍあるいは０．１ｍｍとすることが望ましい。

金属回路板３および金属放熱板４は銅または銅合金であり、セラミックス基板２のそれぞれの面に形成されており、さらに接合部材層２１を介して、金属放熱板４とアルミニウム板２０が接合されている。アルミニウム板２０は融点や熱伝導を踏まえて、JIS表記において１０００系の純アルミニウム板である。

また、高い放熱特性を達成するため、金属放熱板４ならびにアルミニウム板２０は、セラミックス基板２のほぼ全面にわたり一様に形成されている場合が多く、金属放熱板４ならびにアルミニウム板２０の面積がセラミックス基板２の面積よりも大きくともよい。

また、より優れた応力緩和の機能を有するためには、アルミニウム板２０は、金属放熱板４と同等かもしくは金属放熱板４よりも大きいほうが好ましい。また、はんだ濡れ性の確保のために金属回路板３とアルミニウム板２０の最表面にはＮｉ−Ｐメッキが施してあることが好ましい。

金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２とを接合するろう材としては、例えばＴｉを含有するＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材が用いられ、これによって７００℃〜９００℃程度の温度範囲で金属回路板３と金属放熱板４がセラミックス基板２に強固に接合されている。なお、ろう材層５の厚さは２０μｍ程度と金属回路板等と比べて薄く、熱伝導率も高いため、ろう材層５の熱抵抗は他の部分と比べて無視できる。

以上のようなＴｉ含有Ａｇ−Ｃｕ系ろう材での接合強度は極めて高いが、その接合温度はおおよそ７００℃以上となり、アルミニウムの融点６６０℃を上回るため、アルミニウム板を接合する部材とはなりえない。また、アルミニウム系ろう材や熱圧着法などでも５００℃前後の加熱は必要となり、かつ銅とアルミニウムの直接接合のため、脆性な化合物層が形成されてしまう。本発明では、あらかじめセラミックス基板２に金属回路板３および金属放熱板４を前記ろう材にて接合した後、銅とアルミニウムの反応を抑えられる４５０℃以下の融点を有する接合部材層２１を用いてアルミニウム板２０を接合するため、銅とアルミニウムの化合物層がほとんど形成されない。したがってアルミニウム板２０が応力緩和層として確実に機能することができる。

また、回路基板の熱抵抗を低減するためには、回路基板の反り量を低減し、回路基板と放熱ベース等との接触を良好にすることが必要である。回路基板と放熱ベースはんだで互いに接合されるが回路基板の反りが大きいとはんだ層に空隙が生じやすく、空隙量が増大すると空隙が熱伝達を妨げ熱抵抗が大きくなる。そのためそり量を低減する必要がある。ろう材５により、金属回路板３と金属放熱板４とをセラミックス基板２とを接合した状態では、回路基板の反りは３０μｍ／ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈは０．０２５４ｍ）以下である。その後、アルミニウム板２０を接合する際の温度条件などによっては基板が大きく反る場合があるが、接合条件の調整により、放熱性に支障ない反りのレベル、具体的には、常温におけるその最大反り量の絶対値を２００μｍ／ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈは０．０２５４ｍ）以下とすることができる。

この回路基板は、例えば、以下の通りにして製造できる。絶縁性セラミックス基板２（窒化珪素セラミックス）の両面に活性金属ろう材５として例えば、Ｔｉが添加されたＡｇ−Ｃｕ系合金に代表される活性金属を印刷塗布する。次に、絶縁性セラミックス基板２とほぼ同じ長方形状の金属板である無酸素銅を両面に７００℃〜９００℃の温度で加熱接合する。その後、金属板上にレジストパターンを形成後、例えば塩化第二鉄あるいは塩化第二銅溶液によってエッチング処理を施して、回路パターンをなす金属回路板３および金属放熱板４を形成する。また、これによって露出した部分のろう材層５のエッチングは、例えば過酸化水素とフッ化アンモニウムとの混合溶液によって引き続き行われる。その後、接合部材層２１を介して、金属放熱板４とアルミニウム板２０を接合する。さらに回路パターン形成後の金属回路板３およびアルミニウム板２０にＮｉ−Ｐメッキを施し、図１の回路基板が製造される。なお、このメッキ処理を施さないことも可能であり、この場合には、アルミニウム板２０を接合した後、ベンゾトリアゾール等などの防錆剤を添付する。また、選択するはんだ材種に応じて、ロジンなどの濡れ性向上成分を含有した防錆剤を用いる。

また、金属放熱板４とアルミニウム板２０とを接合するための接合部材層２１が銅やアルミニウムと接合し難い材料からなる場合は、金属放熱板４やアルミニウム板２０にＮｉ−Ｐメッキを施した後に接合部材層２１を介してそれらを接合させることが好ましい。特に銅やアルミニウムを含む接合部材を用いる際には、Ｎｉ−Ｐメッキが銅とアルミニウムの直接接合を回避する層となりえるため、回路基板の信頼性をより向上させる効果が得られる。アルミニウムを含む接合部材を用いる場合は金属放熱板４にＮｉ−Ｐメッキを施した後に金属放熱板４とアルミニウム板２０とを接合することが好ましく、アルミニウムとの濡れ性を確保することができない接合部材を用いる場合はアルミニウム板２０にＮｉ−Ｐメッキを施した後にアルミニウム板２０と金属放熱板４とを接合することが好ましい。

図１の回路基板に、半導体チップおよび放熱ベースをはんだ付けすることによって半導体モジュールを得ることができる。この半導体モジュールの断面図が図２である。図２においては、図１の回路基板１に半導体チップ６と放熱ベース１３がそれぞれはんだ層７および１２を介して接合される。

半導体チップ６は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体デバイスが形成されたシリコンチップである。特にこの半導体デバイスは、大電力で動作するものとすることができる。これによる発熱がこの回路基板によって放熱される。また、半導体チップ６と配線となる金属回路板３との電気的接続は、ボンディングワイヤ（図示せず）を用いてもよいし、フリップチップ接続を用いることにより、はんだ等のバンプにより行ってもよい。さらには、半導体素子との接合信頼性（パワーサイクル特性）を向上させるため、銅および銅合金あるいは、銅とインバーとのクラッド材からなるリード板による接合を行ってもよい。

はんだ層７および１２は、例えば、Ｓｎ−Ｐｂはんだ等であり、その融点は１９０〜２７０℃程度である。従って、これを用いて半導体チップ６と金属回路板３を、アルミニウム板２０と放熱ベース１３とを２１０〜２９０℃程度の温度で接合することができる。また、環境対応下Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系などのＰｂフリーはんだを用いることが望ましい。

なお、はんだ層７は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ６と金属回路板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。特に金属回路板の厚みが０．８ｍｍを越えるような厚い場合、その内部応力は高くなり、冷熱サイクル試験にはんだ層７にクラックが入る可能性が高くなるため、金属回路板３の厚みは０．８ｍｍ以下とする必要がある。一方、金属回路板３の厚みが０．３ｍｍ未満の場合には回路断面積が小さくなり過ぎるためシリコンチップから流れてくる電流による発熱量が増大する虞が高くなる。

放熱ベース１３は、機器側でこの回路基板を搭載する部分である。放熱ベース１３は金属放熱板４に伝わった熱を放熱するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きい。これは例えば銅、銅合金、またはアルミニウム合金からなる。純アルミニウムは柔らかすぎて反り量が大きくなりやすいため不適である。放熱ベース１３の熱膨張係数は、例えば、銅が１７×１０^−６／Ｋ、アルミニウムが２２×１０^−６／Ｋ程度と大きい。銅合金およびアルミニウム合金の熱膨張係数もこれらに近い値となる。これらは回路基板の熱膨張係数５〜８×１０^−６／Ｋよりもかなり大きいため、アルミニウム板２０がない状態で回路基板１を放熱ベースに接合した場合、はんだ層１２に応力が集中して破断する恐れがあるが、本発明のように放熱金属板４にアルミニウム板２０を接合した後、回路基板を放熱ベースに接合した場合には、柔らかいアルミニウム板２０が応力緩和層として作用し、結果としてはんだ層１２に集中していた応力を緩和し、はんだ層１２の接合信頼性を大幅に向上させることができる。併せて放熱ベース１３として熱伝導性の高い銅もしくは銅合金を用いることができるので、放熱性と耐久性に優れた半導体モジュールを得ることができる。

この半導体モジュールは、例えば、以下の通りにして製造できる。金属放熱板４とアルミニウム板２０とを接合させる接合部材層２１が融点３００℃を超えるような高温はんだ等であった場合には、放熱ベース１３の上に、融点が１９０〜２５０℃の組成を有する低温〜中温はんだの箔を乗せ、その上に金属放熱板４にアルミニウム板２０が接合された回路基板１を重ねる。さらに前記回路基板の金属回路板３の上に、前記低温〜中温はんだとほぼ同融点のはんだの箔を乗せ、半導体チップ６を重ねる。その後、窒素や水素などの雰囲気条件下、２１０〜２７０℃まで加熱することではんだ層７および１２を同時に形成し、図４の半導体モジュールを得ることができる（以下、別接合法という）。なお、この場合、はんだ層７および１２の組成が同一であっても問題はない。

また、金属放熱板４とアルミニウム板２０とを接合させる接合部材層２１が融点２５０℃未満の低温〜中温はんだ等であった場合には、放熱ベース１３の上に、融点が１９０〜２５０℃の組成を有する低温〜中温はんだの箔を乗せ、その上にアルミニウム板２０を重ねる。次にアルミニウム板２０の上に前記低温〜中温はんだとほぼ同融点のはんだの箔を乗せ、アルミニウム板２０が接合されていない回路基板１を重ね、さらに前記回路基板の金属回路板３の上に、前記低温〜中温はんだとほぼ同融点のはんだの箔を乗せ、半導体チップ６を重ねる。その後、窒素や水素などの雰囲気条件下、２１０〜２７０℃まで加熱することではんだ層７および１２と接合部材層２１を同時に形成し、図４の半導体モジュールを得ることができる（以下、同時接合法という）。なお、この場合、はんだ層７および１２と接合部材層２１の組成が同一であっても問題はない。

なお、上記の例ではセラミックス基板２として窒化珪素セラミックスを用いていたが、これに限られるものではなく、同等以上の熱伝導率、３点曲げ強度、破壊靱性値、絶縁性をもつものであれば、同様に用いることができる。

最後に、これらの半導体モジュールにおいて−４０℃〜＋１２５℃の温度範囲の冷熱サイクルを３０００回行い、その放熱効率および耐久性を判定した。ここで、放熱効率を示す指標として、冷熱サイクル印加前後の半導体チップからの熱抵抗を測定した。ここで、熱抵抗は、ＪＩＳＡ１４１２で規定される量である。印加前の熱抵抗が０．１５℃／Ｗよりも大きな場合を不合格とした。また、３０００回印加後に、はんだ層７および１２および接合部材２１のいずれかが破断したものを不合格とした。

（実施例１〜１４、比較例１〜１１）
実施例１〜１４として、表１の構成の回路基板を作成し、これに半導体チップを搭載して上記の構造の半導体モジュールを作製して冷熱サイクルを印加し、その耐久性能を調べた。同時に、比較例となる回路基板も作成し、同様の特性を調べた。半導体モジュールは実施例１２〜１４では同時接合法により作製し、それ以外では別接合法により作製した。

実施例１〜１４および比較例１〜１１においては、使用したセラミックス基板２はすべて３０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素セラミックス板（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度）である。金属回路板３および金属放熱板４としては、３０ｍｍ×５０ｍｍの無酸素銅を用いた。金属回路板のパターンはすべて同一である。使用したろう材はＴｉを活性金属として含有し、組成はＡｇ−Ｃｕ系のものである。また、接合温度は約８００℃である。

実施例１〜４および比較例１〜４は、アルミニウム板２０の効果並びにその厚みの影響を調べたものである。実施例５〜７および比較例５は回路基板の反りの影響を調べたものである。回路基板の反りはアルミニウム板の接合条件および荷重付加により可変した。実施例７〜９および比較例６〜９は金属回路板３および金属放熱板４の厚みと厚み比の影響を調べたものである。実施例１０〜１４および比較例１０は接合部材種の影響を調べたものである。また、比較例１１は接合部材を用いずに、前記特許文献に開示された５００℃熱圧着にてアルミニウム板２０を接合した効果を調べたものである。なお、実施例１０の接合部材２１はアルミニウムを含むため金属放熱板４にＮｉ−Ｐメッキを施した後に金属放熱板４とアルミニウム板２０とを接合した。実施例１〜９および実施例１１〜１４および比較例３〜９の接合部材２１はアルミニウムとの濡れ性を確保することができないため、アルミニウム板２０にＮｉ−Ｐメッキを施した後にアルミニウム板２０と金属放熱板４とを接合した。

以上の実施例および比較例について、−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクルにおける特性を調べた。回路基板の反りについては、常温にて金属放熱板の対角線上の反り量を３次元形状測定器により測定し、対角線の長さで割った量を最大反り量（μｍ／ｉｎｃｈ）とした。ここで、金属回路板側が凸になる方向を＋とした。

図２に示すように、この回路基板１に半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴ）６と５０ｍｍ×９０ｍｍ×厚さ３ｍｍの無酸素銅の放熱ベース１３をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕはんだで接合して半導体モジュール１１を作成し、冷熱サイクルを行った。−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクル（１サイクルは７０分）を３０００回行い、その後での半導体チップ６下のはんだ層７および金属放熱板４下の接合部材層２１およびアルミニウム板２０下のはんだ層１２の破損の状況を超音波画像診断装置（日立建機製Ｈｉ−Ｆｏｃｕｓ）を用い、ボイド率（ボイドの面積／半導体チップ面積×１００）を調べた。はんだ層の破損は、これらにおける界面のボイド率が３０００サイクル後に３０％以上となっていた場合を、破損や剥離が発生したと認定した。いずれかの箇所で破損や剥離が発生したものを不合格とした。

また、冷熱サイクルの印加の前後で、半導体チップ側から見た熱抵抗（℃／Ｗ）を測定した。この測定は、半導体チップに通電することによってこれを発熱させ、そのとき温度上昇を熱抵抗評価装置（キャッツ電子製、ＭＯＤＥＬ ＤＶＦ２４０）によって電圧換算により測定した。ここでは、単位断面積当たりの量ではなく、単位を（℃／Ｗ）として測定した。初期（冷熱サイクル印加前）の熱抵抗の値が０．２０℃／Ｗ以上であったものは放熱特性が悪いために不合格と判定した。また、初期の熱抵抗がこの値より小さくとも、冷熱サイクル印加後の熱抵抗の値が２５％以上増加していたものは、はんだ層において上記の観察では判別できない程度の破損やセラミックス基板のクラック等が発生したものと考えられるため、不合格とした。以上の結果を表１にまとめて示す。

実施例１〜１４の半導体モジュールにおいては、３０００回の冷熱サイクルによってもはんだ層７、接合部材層２１およびはんだ層１２で大きな破損を生じることがなく、冷熱サイクルの前後で低い熱抵抗値を保つことが確認できた。また、常温における最大反り量の絶対値は２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であった。金属放熱板４と接合部材層２１、アルミニウム層２０と接合部材層２１のそれぞれの界面にＣｕ−Ａｌ化合物層は形成されていないことが確認された。ここでＣｕ−Ａｌ化合物層の有無は断面観察で接合部分の界面を観察して確認することができる。

これに対し、アルミニウム板２０がない比較例１は、１５００サイクルで金属ベース上のはんだ層の破損が発生した。アルミニウム板２０がなく、金属ベースとしてCu・Mｏベースを用いた比較例２では初期の熱抵抗が０．２３℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。

アルミニウム板２０が０．１ｍｍと薄い比較例３では２０００サイクルで金属ベース上のはんだ層の破損が発生した。一方、アルミニウム板２０が１．８ｍｍと厚い比較例４では初期の熱抵抗値が０．２３℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。

回路基板の反りが大きい比較例５では初期の熱抵抗値が０．２２℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。なお、実施例においては基板の反りはアルミニウム層接合後に室温にてハンドプレスを用いて０．１〜０．５Mpaの圧力を加えることにより、反りを矯正した。一方、反りの大きい比較例５，８，９では反りの矯正を行わなかった。金属回路板３の厚みＴ１が０．２ｍｍと薄い比較例６および金属回路板３と金属放熱板４との厚み比Ｔ２／Ｔ１比が本発明外の比較例８および９では熱抵抗値が高く、放熱性が不充分であった。また、金属回路板３の厚みＴ１が１．０ｍｍと厚い比較例７では半導体チップ下のはんだ層７にクラックが入り１０００サイクルで半導体チップ下のはんだ層７にクラックが入り熱抵抗が大きく上昇した。しかし、はんだ層１２に破損は発生しなかった。なお、比較例３〜９の半導体モジュールにおいても金属放熱板４と接合部材層２１、アルミニウム層２０と接合部材層２１のそれぞれの界面にＣｕ−Ａｌ化合物層は形成されていないことが確認された。

接合部材２１に融点５７０℃のアルミニウム系ろう材を用いた比較例１０では、金属放熱板４下の接合部材層２１にクラックが入り、１０００サイクルでＮＧとなった。また、接合部材を用いずに、５００℃熱圧着にてアルミニウム板２０を接合した比較例１１では、金属放熱板４とアルミニウム板２０の間にクラックが入り、１０００サイクルでＮＧとなった。比較例１０，１１はいずれも接合温度が高く、比較例１０では接合部材であるＡｌ−１２％Ｓｉの周辺部に、比較例１１では金属放熱板４とアルミニウム板２０との界面にそれぞれＡｌ−Ｃｕ系の脆性化合物層が生成し、冷熱サイクル試験中にこの脆性化合物層にクラックが生じ熱抵抗が大きくなった。

以上実施例を示したが、これらは本発明における、ほんの一部である。いずれにしても、本発明を実施したセラミックス回路基板および、前記回路基板を用いたモジュールとすることにより、高放熱性に優れ、なおかつ信頼性、特にはんだ層の接続信頼性に優れたパワー半導体モジュールを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る回路基板の断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。 従来の半導体モジュールの一例の構造の断面図である。 特許文献に開示された方法を用いて、金属放熱板４の下にアルミニウム板２０を熱圧着した半導体モジュールの断面図である。

符号の説明

１ 回路基板
２ セラミックス基板
３ 金属回路板
４ 金属放熱板
５ ろう材層
６ 半導体チップ
１１ 半導体モジュール
７，１２ はんだ層
２０ アルミニウム板
２１ 接合部材層

Claims (14)

1. セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金からなり、前記金属放熱板に接合部材層を介してアルミニウム板が接合されていることを特徴とする回路基板。
2. 請求項１記載のアルミニウム板の厚みが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍであり、かつ金属回路板の厚みT１は０．３〜０．８ｍｍであり、さらに金属回路板の厚みT１と金属放熱板の厚みT２の比、T２／T１が０．７〜１．０であることを特徴とする回路基板。
3. 常温における最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の回路基板。
4. 前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板。
5. 前記接合部材層の融点が、２５０℃〜４５０℃であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板。
6. 請求項５記載の接合部材層が、Ｐｂ：８０〜９９ｗｔ％、Ｓｎ：０〜２０ｗｔ％を含有し、Ｐｂ、Ｓｎ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＰｂ系高温はんだ層である回路基板。
7. 請求項５記載の接合部材層が、Ｚｎ：３０〜９９ｗｔ％、Ａｌ：０．１〜６０ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜３０ｗｔ％を含有し、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＺｎ−Ａｌ系はんだ層である回路基板。
8. 請求項５記載の接合部材層が、Ｓｎ：５０〜９０ｗｔ％、Ｃｕ：５〜５０ｗｔ％を含有し、Ｓｎ、Ｃｕ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＰｂフリー高温はんだ層である回路基板。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回路基板の金属回路板に半導体チップが接合され、前記回路基板のアルミニウム板に放熱ベースが接合され、これらを接合するためのはんだの融点が、前記回路基板の接合部材層の融点よりも低いことを特徴とする半導体モジュール。
10. 前記接合部材層の融点が、２５０℃未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板。
11. 請求項１０記載の接合部材層が、Ｐｂ：３０〜７０ｗｔ％、Ｓｎ：３０〜７０ｗｔ％を含有し、Ｐｂ、Ｓｎ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＰｂ系はんだ層である回路基板。
12. 請求項１０記載の接合部材層として、Ｓｎ：８０〜９９．５ｗｔ％、Ａｇ：０．１〜２０ｗｔ％を含有し、Ｓｎ、Ａｇ合わせて９０ｗｔ％以上を含有するＰｂフリーはんだ層である回路基板。
13. 請求項１乃至４または請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の回路基板の金属回路板に半導体チップが接合され、前記回路基板のアルミニウム板に放熱ベースが接合され、これらを接合するためのはんだの融点が、前記回路基板の接合部材層の融点とほぼ同等であることを特徴とする半導体モジュール。
14. 前記放熱ベースが銅、銅合金、またはアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項９又は請求項１３に記載の半導体モジュール。

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