JP3793562B2 - セラミック回路基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板に金属回路板を接合したセラミック回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に活性金属ロウ材を介して銅等から成る金属回路板を直接接合させたセラミック回路基板が用いられている。
【０００３】
図３に従来のセラミック回路基板を用いた半導体モジュールの例を断面図で示す。図３において、11はセラミック回路基板を示し、このセラミック回路基板11は、セラミック基板12と、その上面に取着された複数の金属回路板13と、セラミック基板12の下面にこれら金属回路板13と対向させて取着された金属板14とから構成されている。そして、このようなセラミック回路基板11は、金属回路板13上には半導体素子18等の電子部品が搭載され、放熱部材17上に金属板14との間に伝熱性組成物16を介在させて接合実装されることにより、半導体モジュールとして使用される。
【０００４】
かかるセラミック回路基板11は、酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板12を用いる場合には、具体的には以下の方法によって製作される。
【０００５】
まず、銀−銅合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属粉末に有機溶剤・溶媒を添加混合してロウ材ペーストを調製する。
【０００６】
次に、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤等を添加混合して泥漿状と成すとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術を採用して複数のセラミックグリーンシートを得た後、所定寸法に形成し、次にセラミックグリーンシートを必要に応じて上下に積層するとともに還元雰囲気中にて約1600℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートを焼結一体化させて酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板12を形成する。
【０００７】
次に、セラミック基板12上にロウ材ペーストを間に挟んで銅等から成る複数の金属回路板13を載置し、一方、これに対向するセラミック基板12の下面には同様にロウ材ペーストを間に挟んで銅等から成る金属板14を配置する。
【０００８】
そして最後に、セラミック基板12と金属回路板13との間およびセラミック基板12と金属板14との間に配されているロウ材ペーストを非酸化性雰囲気中にて約900℃の温度に加熱して溶融させ、このロウ材でセラミック基板12と金属回路板13とを、およびセラミック基板12と金属板14とを接合することによって製作される。
【０００９】
このように製作されたセラミック回路基板11は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素子18等の電子部品を半田などの接着剤を介して接合した後、例えば、アルミニウム等の放熱部材17に半田で接合されることにより、半導体素子18の動作時の発熱を良好に放熱させる半導体モジュールとなる。
【００１０】
しかしながら、セラミック回路基板11（熱膨張係数が約３〜10×10-6／℃）と放熱部材17（熱膨張係数が約18〜23×10-6／℃）の熱膨張係数が大きく相違することから、セラミック回路基板11と放熱部材17との間の半田にクラックが発生し、剥離が生じて信頼性が著しく劣化する場合がある。このため、半田に変えてグリース状の伝熱性組成物16を介してセラミック回路基板11と放熱部材17とを接合実装する構成が採用されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パワートランジスタモジュール等の半導体モジュールにおいては、大電流を流せるように金属回路板13の厚さを0.3〜0.5ｍｍと厚くしている場合が多いため、半導体素子18が発熱するとその温度上昇によってセラミック基板12が反り、変形しやすいという問題点があった。すなわち、熱膨張率が大きく異なるセラミック基板12と金属回路板13とを接合すると、接合後の冷却過程や半導体素子のスイッチングによる冷熱サイクルの付加により、両者の熱膨張差に起因する熱応力が発生する。この熱応力は接合部付近のセラミック基板12側に圧縮および引張りの残留応力分布として存在し、特に金属回路板13の外周端部と近接するセラミック部分に残留応力の主応力が作用する。この残留応力は、電子部品18のスイッチングによる冷熱サイクル（以下、パワーサイクルと呼ぶ）の付加により開放されるため、例えば、セラミック基板12が変形して、周縁部が上側に変形する。すると、金属板14と伝熱部材17との間で伝熱性組成物16の端部がコ字状に凹み、次にセラミック基板12の変形が戻ると伝熱性組成物16の端部も元に戻り、端部に発生した凹み部分が閉じて金属板14と放熱部材17との間の伝熱性組成物16に気泡（空気）が侵入することとなる。
【００１２】
その結果、半導体素子18からの放熱経路が遮断され、良好な熱放散を行なえなくなってしまい、半導体素子18に熱破壊や特性の劣化を招来して半導体素子18を安定に信頼性よく作動させることができなくなるという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、セラミック回路基板を放熱部材へ実装する際の伝熱性組成物への気泡の巻き込みを防止し、またパワーサイクルにおけるセラミック回路基板の変形を抑制して、放熱性を改善したセラミック回路基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板の上面に金属回路板を、下面に前記金属回路板と対向するダミー金属回路板を取着して成り、このダミー金属回路板が伝熱性組成物を介して放熱部材に実装されるセラミック回路基板であって、前記金属回路板の回路間に対応する前記ダミー金属回路板の隙間に、ヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂が充填されていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明のセラミック回路基板は、上記構成において、前記金属回路板の回路間の隙間に、ヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂が充填されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のセラミック回路基板によれば、金属回路板に対向させて取着されたダミー金属回路板に対し、その金属回路板の回路間の部位に対応する隙間の部分に、ヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂を充填したことから、セラミック回路基板のダミー金属回路板側の下面が平坦になるので、セラミック回路基板を放熱部材に伝熱性組成物を介して接合する際に、ダミー金属回路板の回路間に対応する隙間に気泡が入り込むことがなくなり、また、ダミー金属回路板側の下面が平坦になっているので熱伝導率が相対的に低い伝熱性組成物を薄くして接合することが可能となるため、熱抵抗の増加を防ぐことができる。その結果、放熱性を改善したセラミック回路基板を提供することができる。
【００１７】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、下面のダミー金属回路板の回路間に対応する隙間と同様に、上面の金属回路板の回路間の隙間にもヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂を充填することにより、セラミック基板の上下面の熱膨張係数をさらに均衡させることができ、基板の変形をより効率よく抑制することが可能となる。さらには、絶縁性樹脂が補強材として働くため、セラミック基板の曲げ強度を強化し、熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止し、その結果として、クラックに起因する絶縁不良を防止して製品の信頼性を向上させることが可能となる。
【００１８】
このような構成により、放熱特性が良好であり、パワーサイクルによる放熱特性の劣化がなく、金属回路板上に搭載される半導体素子等の電子部品を長期にわたり安定して作動させることができるものとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明のセラミック回路基板１を用いた半導体モジュールの一例を示す断面図であり、２はセラミック基板、３は金属回路板、４はダミー金属回路板、５は絶縁性樹脂、６は伝熱性組成物、７は放熱部材、８は電子部品としての半導体素子である。
【００２１】
セラミック基板２は、金属回路板３およびダミー金属回路板４を支持する支持部材として機能し、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）質焼結体・ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）質焼結体・炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体・窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体・窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）質焼結体等のセラミック材料で形成されている。
【００２２】
セラミック基板２は、例えば、窒化珪素質焼結体で形成されている場合であれば、まず窒化珪素粉末に希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加・混合して窒化珪素焼結体原料粉末を調整する。次いで、窒化珪素焼結体原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加・混合してペースト化し、このペーストをドクターブレード法等の通常の成形法でシート状に成形して窒化珪素グリーンシートを作製する。このような窒化珪素グリーンシートを必要枚数積層し、プレス加工等を施して圧着（加圧接着）して窒化珪素成形体を作製する。この後、窒化珪素成形体を空気中もしくは窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で脱脂処理した後、窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で焼成して、目的とするセラミック基板２を得る。
【００２３】
セラミック基板２は、機械的強度が強く、高靭性な窒化珪素質焼結体が好ましい。また、その熱伝導率が少なくとも60Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、特に80Ｗ／ｍＫ以上、さらには100Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００２４】
また、セラミック基板２は、その厚みを0.2〜1.0ｍｍとすることが好ましい。0.2ｍｍ未満では、セラミック基板２と金属回路板３およびダミー金属回路板４とを接合したときに発生する応力により、セラミック基板２に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると、半導体素子８から発生する熱を良好に放熱部材７に伝達することが困難となる傾向がある。
【００２５】
本発明のセラミック回路基板１は、上記のように製造したセラミック基板２の上面および下面に、直接接合法や活性金属法を用いて導電性を有する銅やアルミニウム等の金属材料から成る金属回路板３および金属回路板３に対応する形状で対向させて配置したダミー金属回路板４をそれぞれ一体に接合して製造される。
【００２６】
例えば、活性金属法を用いる場合であれば、銀−銅合金粉末等からなる銀ロウ粉末や、アルミニウム−シリコン合金粉末等から成るアルミニウムロウ粉末に、チタン・ジルコニウム・ハフニウム等の活性金属やその水素化物の少なくとも１種からなる活性金属粉末を２〜５重量％添加した活性金属ロウ材に、適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して得た活性金属ロウ材ペーストを、セラミック基板２の上下面に従来周知のスクリーン印刷技術を用いて金属回路板３およびダミー金属回路板４に対応させた所定パターンに印刷する。
【００２７】
その後、金属回路板３およびダミー金属回路板４を活性金属ロウ材ペーストのパターン上に載置し、これを真空中または中性もしくは還元雰囲気中で、所定温度（銀ロウの場合は約900℃、アルミニウムロウ材の場合は600℃）で加熱処理し、活性金属ロウ材を溶融させて、セラミック基板２の上下面と金属回路板３およびダミー金属回路板４とを接合させる。これにより、セラミック基板２の上下面に金属回路板３およびダミー金属回路板４が取着されることとなる。
【００２８】
銅やアルミニウム等から成る金属回路板３およびダミー金属回路板４は、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延加工法や抜き打ち加工法等従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば、厚さが0.5ｍｍで、回路パターンの形状に対応する所定のパターン形状に製作される。金属回路板３およびダミー金属回路板４の厚さは、0.1〜1.0ｍｍであることが好ましい。厚みが0.1ｍｍ未満では、金属回路板３の電気抵抗が大きくなるため半導体素子８からの高電流信号を伝播しにくくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると、セラミック基板２と金属回路板３およびダミー金属回路板４とを接合したときに発生する応力により、セラミック基板２に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。
【００２９】
金属回路板３およびダミー金属回路板４は、銅から成る場合、これを無酸素銅で形成しておくと、無酸素銅はロウ付けの際に銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなくロウ材との濡れ性が良好となるので、セラミック基板２とのロウ材を介しての接合が強固になる。したがって、金属回路板３およびダミー金属回路板４は、これを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００３０】
金属回路板３およびダミー金属回路板４の厚みと材質は、活性金属ロウ付け時や半導体素子８等の電子部品搭載のための半田リフロー時の加熱による反りを抑制するために、同じ厚み・同じ材質にすることが好ましい。
【００３１】
また、金属回路板３は、その表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくと、金属回路板３と外部電気回路との電気的接続を良好とすることができるとともに、金属回路板３に半導体素子８等の電子部品を半田を介して強固に接着させることができる。従って、金属回路板３は、その表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくことが好ましい。
【００３２】
ダミー金属回路板４はその形状と厚みがほぼ金属回路板３の形状と厚みに対応しており、セラミック回路基板１によれば、上面に金属回路板３が取着されているセラミック基板２の下面に、対応する金属回路板３と対向させて、ダミー金属回路板４をセラミック基板２を介して金属回路板３と上下で対称的な位置（対向する位置）に取着したことから、金属回路板３に搭載された半導体素子８が動作発熱しても、セラミック基板２と金属回路板３およびダミー金属回路板４との間の熱膨張係数の相違に起因する反りの発生が抑制され、伝熱性組成物６に気泡（空気）の侵入がなくなって良好に放熱部材７に伝熱させることができ、信頼性の高い半導体モジュールを得ることができるセラミック回路基板となる。
【００３３】
ダミー金属回路板４の金属回路板３の回路間に対応する隙間には、絶縁性樹脂５が充填されている。これにより、セラミック回路基板１の下面は平坦となり、セラミック回路基板１を放熱部材７に伝熱性組成物６を介して接合する際に、ダミー金属回路板４の隙間に気泡が入り込むことがなくなり、セラミック回路基板１と放熱部材７との間の熱抵抗の増加を防ぐことができる。
【００３４】
また、この絶縁性樹脂５は、セラミック基板２の上面に取着されている金属回路板３の回路間の隙間へも充填するとよい。金属回路板３の回路間の隙間に絶縁性樹脂５が充填されることにより、セラミック基板２の上下面の熱膨張係数をさらに均衡させることができ、基板２の変形を抑制することが可能となり、また、絶縁性樹脂５が補強材として働くため、セラミック基板２の曲げ強度を強化し、熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止することができ、その結果としてクラックに起因する絶縁不良を防止することが可能となる。さらに、回路間の放電による短絡等を有効に防止して絶縁性を向上させることが可能となる。
【００３５】
金属回路板３の回路間に対応するダミー金属回路板４の隙間、および必要に応じて金属回路板３の回路間の隙間に充填される絶縁性樹脂５は、ヤング率が20ＧＰａ以下である。これは、ヤング率が20ＧＰａより大きくなると、半導体素子８のスイッチングによる冷熱サイクルの付加によりセラミック基板２・金属回路板３およびダミー金属回路板４と絶縁性樹脂５との接合界面に発生する熱膨張差に起因する熱応力を十分に吸収することが困難となり、セラミック基板２・金属回路板３およびダミー金属回路板４と絶縁性樹脂５との接合界面にクラックおよび剥離が生じることがあるからである。クラックや剥離が生じるとその部分が気泡となるため、その気泡が半導体素子８の下に位置するダミー金属回路板４と伝熱組成物６との間へ広がったり移動したりした場合、放熱特性の劣化につながる可能性がある。また、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間のみに絶縁性樹脂５を充填した場合に、絶縁性樹脂５のヤング率が20ＧＰａより大きくなっていると、変形しにくい絶縁性樹脂５の熱膨張がセラミック基板２の下面の熱膨張に影響するようになるため、セラミック基板２の上下面で熱膨張差が異なることとなり、セラミック回路基板１が反る可能性がある。
【００３６】
絶縁性樹脂５の材料は、例えばシリコーン系・エポキシ系・ポリイミド系・ポリアミド系等の高粘着性・高絶縁性・高耐熱性を有するものが好ましい。また、熱伝導率の高いものを用いると、セラミック回路基板１から放熱部材７への熱伝導が向上し、放熱性が向上するのでより好ましい。また、絶縁性樹脂５にＳｉＯ2等のフィラーを入れて、セラミック回路基板１との熱膨張係数差や熱伝導性を調整することもできる。
【００３７】
絶縁性樹脂５は、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間への充填に際しては、下面側の表面でダミー金属回路板４の高さとほぼ同一になるように充填するようにする。これは、絶縁性樹脂５の高さが低くなってダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間が十分に埋まらないと、セラミック回路基板１を放熱部材７に伝熱性組成物６を介して実装するときに、その部分に気泡がたまる原因となるからである。また、絶縁性樹脂５の高さがダミー金属回路板４の高さより高くなると、ダミー金属回路板４と放熱部材７との接着が悪くなり、また、ダミー金属回路板４と放熱部材７との間の伝熱性組成物６の厚みが厚くなる分、熱抵抗が大きくなる原因となる。
【００３８】
一方、金属回路板３の回路間の隙間への絶縁性樹脂５の充填は、セラミック回路基板１の補強や金属回路板３の回路間の絶縁性の観点からは金属回路板３の高さ以上としておくことが好ましく、セラミック基板２の上下面の熱膨張係数を均衡させるためには金属回路板３の高さとほぼ同一になるように充填するのがよい。
【００３９】
絶縁性樹脂５のダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間および金属回路板３の回路間の隙間への充填は、例えば、シリコーン系樹脂の場合であれば、ゲル状の樹脂に硬化材を加えたものを周知のスクリーン印刷法等を用いて適量を塗布し、約150℃で２時間程度加熱して硬化させることにより行なう。
【００４０】
上記のようにして作製されたセラミック回路基板１の上面の金属回路板３の所定の位置に半導体素子８等の電子部品を半田等を介して接合し、アルミニウム等のボンディングワイヤ９等で電気的に接続して、グリース状の伝熱性組成物６を介して放熱部材７に接着することにより、図１に示すような半導体モジュールが完成する。
【００４１】
【実施例】
以下、実施例および比較例をあげて、さらに具体的に本発明を説明する。
【００４２】
セラミック回路基板１において、セラミック基板２に厚み0.32ｍｍの窒化珪素を用い、金属回路板３およびダミー金属回路板４にそれぞれの厚みが0.5ｍｍの銅を使用し、これらを活性金属ロウ材を用いて接合後、エッチングにより金属回路板３およびそれに対応するダミー金属回路板４の不要な金属部分を除去して回路配線パターンを形成し、絶縁性樹脂５にヤング率が10ＧＰａのシリコーン系樹脂を用いて以下の３種類のサンプルを作製し、パワーサイクル試験を行なった。
【００４３】
＜実施例１＞
金属回路板３およびダミー金属回路板４の厚みと形状とを全く同一とし、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に、絶縁性樹脂５をダミー金属回路板４の下面と面一に充填した、図１に示すような構成の本発明のセラミック回路基板１によるサンプルを作製した。
【００４４】
＜比較例１＞
実施例１と同一の基板を用い、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に絶縁性樹脂５が充填されていないサンプルを作製した。
【００４５】
＜比較例２＞
実施例１と各構成部材の厚みが同一であり、金属回路板３のパターン形状は実施例１と同一とし、ダミー金属回路板４はパターン形成をせずに全面ベタ面とした、図３に示すようなセラミック回路基板11によるサンプルを作製した。
【００４６】
試験方法として、初めの１サイクルに半導体素子がＯＮ後５秒間で125℃まで上昇し、ＯＦＦ後15秒間で25℃まで下降するように印加電流を初期設定し、これを連続で繰り返して行ない、各サイクルにおいて半導体素子がＯＮ時の、温度ピークに達した時点の半導体素子の温度とセラミック回路基板の下面の温度との温度差を印加電力で割って熱抵抗を求めた。このパワーサイクル試験の結果を図２に線図で示す。
【００４７】
図２において、横軸はパワーサイクル数（単位：回）を、縦軸は実施例１のサンプルにおけるパワーサイクル試験開始時の熱抵抗を100（％）とした時の比率を示しており、白丸は実施例１の結果を、黒丸は比較例１の結果を、黒四角は比較例２の結果をそれぞれ特性曲線とともに示している。この結果によれば、熱抵抗が低いほど放熱特性に優れることを示し、またサイクル数が増えても熱抵抗が変化せず安定している場合、長期の実装信頼性に優れると判断できる。
【００４８】
図２に示す結果より分かるように、従来のセラミック回路基板によるサンプル（比較例２）においては、下面の金属板14を銅板厚みが上面の金属回路板13と同じ厚みでベタ面としたため、金属板14とセラミック基板12との接合部に発生する残留応力が大きくなり、セラミック回路基板11の反りが大きくなる結果、伝熱性組成物16の厚みが厚くなるため、試験前の熱抵抗が上昇した。また、パワーサイクル数が進むほど、セラミック回路基板11の変形により伝熱性組成物16に気泡が侵入し、セラミック回路基板11と放熱部材17との接着が悪くなるため、熱抵抗の劣化が生じた。
【００４９】
また、比較例１においては、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に伝熱性組成物６が充填され、低熱伝導率の伝熱性組成物６の厚みが厚くなったため、試験前の熱抵抗は大きくなった。また、セラミック回路基板１の変形はないが、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に充填した伝熱性組成物６に含まれる気泡が半導体素子８の下に位置するダミー金属回路板４と伝熱性組成物６との間に移動したため、放熱特性が劣化した。
【００５０】
これに対し、実施例１においては、試験開始前の熱抵抗において、および試験後の熱抵抗においても、良好な結果が得られた。本発明のセラミック回路基板１においては、セラミック回路基板１の変形がないため伝熱性組成物６への気泡の侵入がなくなり、また絶縁性樹脂５の充填によりダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に気泡が発生することはなく、熱特性の劣化が生じない。さらには、セラミック回路基板１の下面が平坦になるため伝熱性組成物６の厚みを薄くでき、熱特性を向上させることが可能となる。
【００５１】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の例ではセラミック基板２に活性金属ロウ材を介して直接に金属回路板３・ダミー金属回路板４をロウ付けしてセラミック回路基板１を形成したが、これをセラミック基板２の表面に予めタングステンまたはモリブデン等のメタライズ金属層を被着させておき、メタライズ金属層に金属回路板３・ダミー金属回路板４をロウ材を介して取着させてセラミック回路基板１を形成してもよい。
【００５２】
また、上述の実施の形態の例ではセラミック基板２に活性金属ロウ材を介してあらかじめ回路配線のパターン形状に形成された金属回路板３をロウ付けしたが、セラミック基板２と略同形状の金属板をロウ付けした後にエッチングにより不要な金属部分を除去して回路配線のパターン形成を行なってもよい。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板の上面に金属回路板を、下面に金属回路板と対向するダミー金属回路板を取着して成り、このダミー金属回路板が伝熱性組成物を介して放熱部材に実装されるセラミック回路基板であって、金属回路板の回路間に対応するダミー金属回路板の隙間に、ヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂が充填されていることから、セラミック回路基板のダミー金属回路板側の下面が平坦になるので、セラミック回路基板を放熱部材に伝熱性組成物を介して接合する際に、ダミー金属回路板の回路間に対応する隙間に気泡が入り込むことがなくなり、また、ダミー金属回路板側の下面が平坦になっているので熱伝導率が相対的に低い伝熱性組成物を薄くして接合することが可能となるため、熱抵抗の増加を防ぐことができ、放熱特性が向上し、安定する。その結果、放熱性を改善したセラミック回路基板を提供することができる。
【００５４】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、下面のダミー金属回路板の回路間に対応する隙間と同様に、上面の金属回路板の回路間の隙間にもヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂を充填することにより、セラミック基板の上下面の熱膨張係数をさらに均衡させることができ、セラミック回路基板の表裏に発生する熱応力を均衡させてセラミック回路基板の変形をより効率よく抑制することが可能となる。さらには、絶縁性樹脂が補強材として働くため、セラミック基板の曲げ強度を強化し、熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止し、その結果として、クラックに起因する絶縁不良を防止して製品の信頼性を向上させることが可能となる。
【００５５】
このような構成により、放熱特性が良好であり、パワーサイクルによる放熱特性の劣化がなく、金属回路板上に搭載される半導体素子等の電子部品を長期にわたり安定して作動させることができるものとなる。
【００５６】
以上により、本発明によれば、セラミック回路基板を放熱部材へ実装する際の伝熱性組成物への気泡の巻き込みを防止し、またパワーサイクルにおけるセラミック回路基板の変形を抑制して、放熱性を改善したセラミック回路基板を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック回路基板を用いた半導体モジュールの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のセラミック回路基板の実施例および比較例のサンプルによるパワーサイクル試験の結果の一例を示す線図である。
【図３】従来のセラミック回路基板を用いた半導体モジュールの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック回路基板
２：セラミック基板
３：金属回路板
４：ダミー金属回路板
５：絶縁性樹脂
６：伝熱性組成物
７：放熱部材
８：半導体素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板に金属回路板を接合したセラミック回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に活性金属ロウ材を介して銅等から成る金属回路板を直接接合させたセラミック回路基板が用いられている。
【０００３】
図３に従来のセラミック回路基板を用いた半導体モジュールの例を断面図で示す。図３において、11はセラミック回路基板を示し、このセラミック回路基板11は、セラミック基板12と、その上面に取着された複数の金属回路板13と、セラミック基板12の下面にこれら金属回路板13と対向させて取着された金属板14とから構成されている。そして、このようなセラミック回路基板11は、金属回路板13上には半導体素子18等の電子部品が搭載され、放熱部材17上に金属板14との間に伝熱性組成物16を介在させて接合実装されることにより、半導体モジュールとして使用される。
【０００４】
かかるセラミック回路基板11は、酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板12を用いる場合には、具体的には以下の方法によって製作される。
【０００５】
まず、銀−銅合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属粉末に有機溶剤・溶媒を添加混合してロウ材ペーストを調製する。
【０００６】
次に、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤等を添加混合して泥漿状と成すとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術を採用して複数のセラミックグリーンシートを得た後、所定寸法に形成し、次にセラミックグリーンシートを必要に応じて上下に積層するとともに還元雰囲気中にて約1600℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートを焼結一体化させて酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板12を形成する。
【０００７】
次に、セラミック基板12上にロウ材ペーストを間に挟んで銅等から成る複数の金属回路板13を載置し、一方、これに対向するセラミック基板12の下面には同様にロウ材ペーストを間に挟んで銅等から成る金属板14を配置する。
【０００８】
そして最後に、セラミック基板12と金属回路板13との間およびセラミック基板12と金属板14との間に配されているロウ材ペーストを非酸化性雰囲気中にて約900℃の温度に加熱して溶融させ、このロウ材でセラミック基板12と金属回路板13とを、およびセラミック基板12と金属板14とを接合することによって製作される。
【０００９】
このように製作されたセラミック回路基板11は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素子18等の電子部品を半田などの接着剤を介して接合した後、例えば、アルミニウム等の放熱部材17に半田で接合されることにより、半導体素子18の動作時の発熱を良好に放熱させる半導体モジュールとなる。
【００１０】
しかしながら、セラミック回路基板11（熱膨張係数が約３〜10×10-6／℃）と放熱部材17（熱膨張係数が約18〜23×10-6／℃）の熱膨張係数が大きく相違することから、セラミック回路基板11と放熱部材17との間の半田にクラックが発生し、剥離が生じて信頼性が著しく劣化する場合がある。このため、半田に変えてグリース状の伝熱性組成物16を介してセラミック回路基板11と放熱部材17とを接合実装する構成が採用されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パワートランジスタモジュール等の半導体モジュールにおいては、大電流を流せるように金属回路板13の厚さを0.3〜0.5ｍｍと厚くしている場合が多いため、半導体素子18が発熱するとその温度上昇によってセラミック基板12が反り、変形しやすいという問題点があった。すなわち、熱膨張率が大きく異なるセラミック基板12と金属回路板13とを接合すると、接合後の冷却過程や半導体素子のスイッチングによる冷熱サイクルの付加により、両者の熱膨張差に起因する熱応力が発生する。この熱応力は接合部付近のセラミック基板12側に圧縮および引張りの残留応力分布として存在し、特に金属回路板13の外周端部と近接するセラミック部分に残留応力の主応力が作用する。この残留応力は、電子部品18のスイッチングによる冷熱サイクル（以下、パワーサイクルと呼ぶ）の付加により開放されるため、例えば、セラミック基板12が変形して、周縁部が上側に変形する。すると、金属板14と伝熱部材17との間で伝熱性組成物16の端部がコ字状に凹み、次にセラミック基板12の変形が戻ると伝熱性組成物16の端部も元に戻り、端部に発生した凹み部分が閉じて金属板14と放熱部材17との間の伝熱性組成物16に気泡（空気）が侵入することとなる。
【００１２】
その結果、半導体素子18からの放熱経路が遮断され、良好な熱放散を行なえなくなってしまい、半導体素子18に熱破壊や特性の劣化を招来して半導体素子18を安定に信頼性よく作動させることができなくなるという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、セラミック回路基板を放熱部材へ実装する際の伝熱性組成物への気泡の巻き込みを防止し、またパワーサイクルにおけるセラミック回路基板の変形を抑制して、放熱性を改善したセラミック回路基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板の上面に金属回路板を、下面に前記金属回路板と対向するダミー金属回路板を取着して成り、このダミー金属回路板が伝熱性組成物を介して放熱部材に実装されるセラミック回路基板であって、前記金属回路板の回路間に対応する前記ダミー金属回路板の隙間に、ヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂が充填されていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明のセラミック回路基板は、上記構成において、前記金属回路板の回路間の隙間に、ヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂が充填されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のセラミック回路基板によれば、金属回路板に対向させて取着されたダミー金属回路板に対し、その金属回路板の回路間の部位に対応する隙間の部分に、ヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂を充填したことから、セラミック回路基板のダミー金属回路板側の下面が平坦になるので、セラミック回路基板を放熱部材に伝熱性組成物を介して接合する際に、ダミー金属回路板の回路間に対応する隙間に気泡が入り込むことがなくなり、また、ダミー金属回路板側の下面が平坦になっているので熱伝導率が相対的に低い伝熱性組成物を薄くして接合することが可能となるため、熱抵抗の増加を防ぐことができる。その結果、放熱性を改善したセラミック回路基板を提供することができる。
【００１７】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、下面のダミー金属回路板の回路間に対応する隙間と同様に、上面の金属回路板の回路間の隙間にもヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂を充填することにより、セラミック基板の上下面の熱膨張係数をさらに均衡させることができ、基板の変形をより効率よく抑制することが可能となる。さらには、絶縁性樹脂が補強材として働くため、セラミック基板の曲げ強度を強化し、熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止し、その結果として、クラックに起因する絶縁不良を防止して製品の信頼性を向上させることが可能となる。
【００１８】
このような構成により、放熱特性が良好であり、パワーサイクルによる放熱特性の劣化がなく、金属回路板上に搭載される半導体素子等の電子部品を長期にわたり安定して作動させることができるものとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明のセラミック回路基板１を用いた半導体モジュールの一例を示す断面図であり、２はセラミック基板、３は金属回路板、４はダミー金属回路板、５は絶縁性樹脂、６は伝熱性組成物、７は放熱部材、８は電子部品としての半導体素子である。
【００２１】
セラミック基板２は、金属回路板３およびダミー金属回路板４を支持する支持部材として機能し、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）質焼結体・ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）質焼結体・炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体・窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体・窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）質焼結体等のセラミック材料で形成されている。
【００２２】
セラミック基板２は、例えば、窒化珪素質焼結体で形成されている場合であれば、まず窒化珪素粉末に希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加・混合して窒化珪素焼結体原料粉末を調整する。次いで、窒化珪素焼結体原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加・混合してペースト化し、このペーストをドクターブレード法等の通常の成形法でシート状に成形して窒化珪素グリーンシートを作製する。このような窒化珪素グリーンシートを必要枚数積層し、プレス加工等を施して圧着（加圧接着）して窒化珪素成形体を作製する。この後、窒化珪素成形体を空気中もしくは窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で脱脂処理した後、窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で焼成して、目的とするセラミック基板２を得る。
【００２３】
セラミック基板２は、機械的強度が強く、高靭性な窒化珪素質焼結体が好ましい。また、その熱伝導率が少なくとも60Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、特に80Ｗ／ｍＫ以上、さらには100Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００２４】
また、セラミック基板２は、その厚みを0.2〜1.0ｍｍとすることが好ましい。0.2ｍｍ未満では、セラミック基板２と金属回路板３およびダミー金属回路板４とを接合したときに発生する応力により、セラミック基板２に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると、半導体素子８から発生する熱を良好に放熱部材７に伝達することが困難となる傾向がある。
【００２５】
本発明のセラミック回路基板１は、上記のように製造したセラミック基板２の上面および下面に、直接接合法や活性金属法を用いて導電性を有する銅やアルミニウム等の金属材料から成る金属回路板３および金属回路板３に対応する形状で対向させて配置したダミー金属回路板４をそれぞれ一体に接合して製造される。
【００２６】
例えば、活性金属法を用いる場合であれば、銀−銅合金粉末等からなる銀ロウ粉末や、アルミニウム−シリコン合金粉末等から成るアルミニウムロウ粉末に、チタン・ジルコニウム・ハフニウム等の活性金属やその水素化物の少なくとも１種からなる活性金属粉末を２〜５重量％添加した活性金属ロウ材に、適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して得た活性金属ロウ材ペーストを、セラミック基板２の上下面に従来周知のスクリーン印刷技術を用いて金属回路板３およびダミー金属回路板４に対応させた所定パターンに印刷する。
【００２７】
その後、金属回路板３およびダミー金属回路板４を活性金属ロウ材ペーストのパターン上に載置し、これを真空中または中性もしくは還元雰囲気中で、所定温度（銀ロウの場合は約900℃、アルミニウムロウ材の場合は600℃）で加熱処理し、活性金属ロウ材を溶融させて、セラミック基板２の上下面と金属回路板３およびダミー金属回路板４とを接合させる。これにより、セラミック基板２の上下面に金属回路板３およびダミー金属回路板４が取着されることとなる。
【００２８】
銅やアルミニウム等から成る金属回路板３およびダミー金属回路板４は、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延加工法や抜き打ち加工法等従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば、厚さが0.5ｍｍで、回路パターンの形状に対応する所定のパターン形状に製作される。金属回路板３およびダミー金属回路板４の厚さは、0.1〜1.0ｍｍであることが好ましい。厚みが0.1ｍｍ未満では、金属回路板３の電気抵抗が大きくなるため半導体素子８からの高電流信号を伝播しにくくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると、セラミック基板２と金属回路板３およびダミー金属回路板４とを接合したときに発生する応力により、セラミック基板２に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。
【００２９】
金属回路板３およびダミー金属回路板４は、銅から成る場合、これを無酸素銅で形成しておくと、無酸素銅はロウ付けの際に銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなくロウ材との濡れ性が良好となるので、セラミック基板２とのロウ材を介しての接合が強固になる。したがって、金属回路板３およびダミー金属回路板４は、これを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００３０】
金属回路板３およびダミー金属回路板４の厚みと材質は、活性金属ロウ付け時や半導体素子８等の電子部品搭載のための半田リフロー時の加熱による反りを抑制するために、同じ厚み・同じ材質にすることが好ましい。
【００３１】
また、金属回路板３は、その表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくと、金属回路板３と外部電気回路との電気的接続を良好とすることができるとともに、金属回路板３に半導体素子８等の電子部品を半田を介して強固に接着させることができる。従って、金属回路板３は、その表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくことが好ましい。
【００３２】
ダミー金属回路板４はその形状と厚みがほぼ金属回路板３の形状と厚みに対応しており、セラミック回路基板１によれば、上面に金属回路板３が取着されているセラミック基板２の下面に、対応する金属回路板３と対向させて、ダミー金属回路板４をセラミック基板２を介して金属回路板３と上下で対称的な位置（対向する位置）に取着したことから、金属回路板３に搭載された半導体素子８が動作発熱しても、セラミック基板２と金属回路板３およびダミー金属回路板４との間の熱膨張係数の相違に起因する反りの発生が抑制され、伝熱性組成物６に気泡（空気）の侵入がなくなって良好に放熱部材７に伝熱させることができ、信頼性の高い半導体モジュールを得ることができるセラミック回路基板となる。
【００３３】
ダミー金属回路板４の金属回路板３の回路間に対応する隙間には、絶縁性樹脂５が充填されている。これにより、セラミック回路基板１の下面は平坦となり、セラミック回路基板１を放熱部材７に伝熱性組成物６を介して接合する際に、ダミー金属回路板４の隙間に気泡が入り込むことがなくなり、セラミック回路基板１と放熱部材７との間の熱抵抗の増加を防ぐことができる。
【００３４】
また、この絶縁性樹脂５は、セラミック基板２の上面に取着されている金属回路板３の回路間の隙間へも充填するとよい。金属回路板３の回路間の隙間に絶縁性樹脂５が充填されることにより、セラミック基板２の上下面の熱膨張係数をさらに均衡させることができ、基板２の変形を抑制することが可能となり、また、絶縁性樹脂５が補強材として働くため、セラミック基板２の曲げ強度を強化し、熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止することができ、その結果としてクラックに起因する絶縁不良を防止することが可能となる。さらに、回路間の放電による短絡等を有効に防止して絶縁性を向上させることが可能となる。
【００３５】
金属回路板３の回路間に対応するダミー金属回路板４の隙間、および必要に応じて金属回路板３の回路間の隙間に充填される絶縁性樹脂５は、ヤング率が20ＧＰａ以下である。これは、ヤング率が20ＧＰａより大きくなると、半導体素子８のスイッチングによる冷熱サイクルの付加によりセラミック基板２・金属回路板３およびダミー金属回路板４と絶縁性樹脂５との接合界面に発生する熱膨張差に起因する熱応力を十分に吸収することが困難となり、セラミック基板２・金属回路板３およびダミー金属回路板４と絶縁性樹脂５との接合界面にクラックおよび剥離が生じることがあるからである。クラックや剥離が生じるとその部分が気泡となるため、その気泡が半導体素子８の下に位置するダミー金属回路板４と伝熱組成物６との間へ広がったり移動したりした場合、放熱特性の劣化につながる可能性がある。また、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間のみに絶縁性樹脂５を充填した場合に、絶縁性樹脂５のヤング率が20ＧＰａより大きくなっていると、変形しにくい絶縁性樹脂５の熱膨張がセラミック基板２の下面の熱膨張に影響するようになるため、セラミック基板２の上下面で熱膨張差が異なることとなり、セラミック回路基板１が反る可能性がある。
【００３６】
絶縁性樹脂５の材料は、例えばシリコーン系・エポキシ系・ポリイミド系・ポリアミド系等の高粘着性・高絶縁性・高耐熱性を有するものが好ましい。また、熱伝導率の高いものを用いると、セラミック回路基板１から放熱部材７への熱伝導が向上し、放熱性が向上するのでより好ましい。また、絶縁性樹脂５にＳｉＯ2等のフィラーを入れて、セラミック回路基板１との熱膨張係数差や熱伝導性を調整することもできる。
【００３７】
絶縁性樹脂５は、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間への充填に際しては、下面側の表面でダミー金属回路板４の高さとほぼ同一になるように充填するようにする。これは、絶縁性樹脂５の高さが低くなってダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間が十分に埋まらないと、セラミック回路基板１を放熱部材７に伝熱性組成物６を介して実装するときに、その部分に気泡がたまる原因となるからである。また、絶縁性樹脂５の高さがダミー金属回路板４の高さより高くなると、ダミー金属回路板４と放熱部材７との接着が悪くなり、また、ダミー金属回路板４と放熱部材７との間の伝熱性組成物６の厚みが厚くなる分、熱抵抗が大きくなる原因となる。
【００３８】
一方、金属回路板３の回路間の隙間への絶縁性樹脂５の充填は、セラミック回路基板１の補強や金属回路板３の回路間の絶縁性の観点からは金属回路板３の高さ以上としておくことが好ましく、セラミック基板２の上下面の熱膨張係数を均衡させるためには金属回路板３の高さとほぼ同一になるように充填するのがよい。
【００３９】
絶縁性樹脂５のダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間および金属回路板３の回路間の隙間への充填は、例えば、シリコーン系樹脂の場合であれば、ゲル状の樹脂に硬化材を加えたものを周知のスクリーン印刷法等を用いて適量を塗布し、約150℃で２時間程度加熱して硬化させることにより行なう。
【００４０】
上記のようにして作製されたセラミック回路基板１の上面の金属回路板３の所定の位置に半導体素子８等の電子部品を半田等を介して接合し、アルミニウム等のボンディングワイヤ９等で電気的に接続して、グリース状の伝熱性組成物６を介して放熱部材７に接着することにより、図１に示すような半導体モジュールが完成する。
【００４１】
【実施例】
以下、実施例および比較例をあげて、さらに具体的に本発明を説明する。
【００４２】
セラミック回路基板１において、セラミック基板２に厚み0.32ｍｍの窒化珪素を用い、金属回路板３およびダミー金属回路板４にそれぞれの厚みが0.5ｍｍの銅を使用し、これらを活性金属ロウ材を用いて接合後、エッチングにより金属回路板３およびそれに対応するダミー金属回路板４の不要な金属部分を除去して回路配線パターンを形成し、絶縁性樹脂５にヤング率が10ＧＰａのシリコーン系樹脂を用いて以下の３種類のサンプルを作製し、パワーサイクル試験を行なった。
【００４３】
＜実施例１＞
金属回路板３およびダミー金属回路板４の厚みと形状とを全く同一とし、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に、絶縁性樹脂５をダミー金属回路板４の下面と面一に充填した、図１に示すような構成の本発明のセラミック回路基板１によるサンプルを作製した。
【００４４】
＜比較例１＞
実施例１と同一の基板を用い、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に絶縁性樹脂５が充填されていないサンプルを作製した。
【００４５】
＜比較例２＞
実施例１と各構成部材の厚みが同一であり、金属回路板３のパターン形状は実施例１と同一とし、ダミー金属回路板４はパターン形成をせずに全面ベタ面とした、図３に示すようなセラミック回路基板11によるサンプルを作製した。
【００４６】
試験方法として、初めの１サイクルに半導体素子がＯＮ後５秒間で125℃まで上昇し、ＯＦＦ後15秒間で25℃まで下降するように印加電流を初期設定し、これを連続で繰り返して行ない、各サイクルにおいて半導体素子がＯＮ時の、温度ピークに達した時点の半導体素子の温度とセラミック回路基板の下面の温度との温度差を印加電力で割って熱抵抗を求めた。このパワーサイクル試験の結果を図２に線図で示す。
【００４７】
図２において、横軸はパワーサイクル数（単位：回）を、縦軸は実施例１のサンプルにおけるパワーサイクル試験開始時の熱抵抗を100（％）とした時の比率を示しており、白丸は実施例１の結果を、黒丸は比較例１の結果を、黒四角は比較例２の結果をそれぞれ特性曲線とともに示している。この結果によれば、熱抵抗が低いほど放熱特性に優れることを示し、またサイクル数が増えても熱抵抗が変化せず安定している場合、長期の実装信頼性に優れると判断できる。
【００４８】
図２に示す結果より分かるように、従来のセラミック回路基板によるサンプル（比較例２）においては、下面の金属板14を銅板厚みが上面の金属回路板13と同じ厚みでベタ面としたため、金属板14とセラミック基板12との接合部に発生する残留応力が大きくなり、セラミック回路基板11の反りが大きくなる結果、伝熱性組成物16の厚みが厚くなるため、試験前の熱抵抗が上昇した。また、パワーサイクル数が進むほど、セラミック回路基板11の変形により伝熱性組成物16に気泡が侵入し、セラミック回路基板11と放熱部材17との接着が悪くなるため、熱抵抗の劣化が生じた。
【００４９】
また、比較例１においては、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に伝熱性組成物６が充填され、低熱伝導率の伝熱性組成物６の厚みが厚くなったため、試験前の熱抵抗は大きくなった。また、セラミック回路基板１の変形はないが、ダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に充填した伝熱性組成物６に含まれる気泡が半導体素子８の下に位置するダミー金属回路板４と伝熱性組成物６との間に移動したため、放熱特性が劣化した。
【００５０】
これに対し、実施例１においては、試験開始前の熱抵抗において、および試験後の熱抵抗においても、良好な結果が得られた。本発明のセラミック回路基板１においては、セラミック回路基板１の変形がないため伝熱性組成物６への気泡の侵入がなくなり、また絶縁性樹脂５の充填によりダミー金属回路板４の回路間に対応する隙間に気泡が発生することはなく、熱特性の劣化が生じない。さらには、セラミック回路基板１の下面が平坦になるため伝熱性組成物６の厚みを薄くでき、熱特性を向上させることが可能となる。
【００５１】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の例ではセラミック基板２に活性金属ロウ材を介して直接に金属回路板３・ダミー金属回路板４をロウ付けしてセラミック回路基板１を形成したが、これをセラミック基板２の表面に予めタングステンまたはモリブデン等のメタライズ金属層を被着させておき、メタライズ金属層に金属回路板３・ダミー金属回路板４をロウ材を介して取着させてセラミック回路基板１を形成してもよい。
【００５２】
また、上述の実施の形態の例ではセラミック基板２に活性金属ロウ材を介してあらかじめ回路配線のパターン形状に形成された金属回路板３をロウ付けしたが、セラミック基板２と略同形状の金属板をロウ付けした後にエッチングにより不要な金属部分を除去して回路配線のパターン形成を行なってもよい。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板の上面に金属回路板を、下面に金属回路板と対向するダミー金属回路板を取着して成り、このダミー金属回路板が伝熱性組成物を介して放熱部材に実装されるセラミック回路基板であって、金属回路板の回路間に対応するダミー金属回路板の隙間に、ヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂が充填されていることから、セラミック回路基板のダミー金属回路板側の下面が平坦になるので、セラミック回路基板を放熱部材に伝熱性組成物を介して接合する際に、ダミー金属回路板の回路間に対応する隙間に気泡が入り込むことがなくなり、また、ダミー金属回路板側の下面が平坦になっているので熱伝導率が相対的に低い伝熱性組成物を薄くして接合することが可能となるため、熱抵抗の増加を防ぐことができ、放熱特性が向上し、安定する。その結果、放熱性を改善したセラミック回路基板を提供することができる。
【００５４】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、下面のダミー金属回路板の回路間に対応する隙間と同様に、上面の金属回路板の回路間の隙間にもヤング率が20ＧＰａ以下の絶縁性樹脂を充填することにより、セラミック基板の上下面の熱膨張係数をさらに均衡させることができ、セラミック回路基板の表裏に発生する熱応力を均衡させてセラミック回路基板の変形をより効率よく抑制することが可能となる。さらには、絶縁性樹脂が補強材として働くため、セラミック基板の曲げ強度を強化し、熱的・機械的応力に起因するクラックや割れの発生を防止し、その結果として、クラックに起因する絶縁不良を防止して製品の信頼性を向上させることが可能となる。
【００５５】
このような構成により、放熱特性が良好であり、パワーサイクルによる放熱特性の劣化がなく、金属回路板上に搭載される半導体素子等の電子部品を長期にわたり安定して作動させることができるものとなる。
【００５６】
以上により、本発明によれば、セラミック回路基板を放熱部材へ実装する際の伝熱性組成物への気泡の巻き込みを防止し、またパワーサイクルにおけるセラミック回路基板の変形を抑制して、放熱性を改善したセラミック回路基板を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック回路基板を用いた半導体モジュールの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のセラミック回路基板の実施例および比較例のサンプルによるパワーサイクル試験の結果の一例を示す線図である。
【図３】従来のセラミック回路基板を用いた半導体モジュールの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック回路基板
２：セラミック基板
３：金属回路板
４：ダミー金属回路板
５：絶縁性樹脂
６：伝熱性組成物
７：放熱部材
８：半導体素子
Claims (2)
- セラミック基板の上面に金属回路板を、下面に前記金属回路板と対向するダミー金属回路板を取着して成り、該ダミー金属回路板が伝熱性組成物を介して放熱部材に実装されるセラミック回路基板であって、前記金属回路板の回路間に対応する前記ダミー金属回路板の隙間に、ヤング率が２０ＧＰａ以下の絶縁性樹脂が充填されていることを特徴とするセラミック回路基板。
- 前記金属回路板の回路間の隙間に、ヤング率が２０ＧＰａ以下の絶縁性樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
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