JP5294913B2

JP5294913B2 - 素子搭載用基板

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Publication number: JP5294913B2
Application number: JP2009032249A
Authority: JP
Inventors: 義明植田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: JP2010192496A

Description

本発明は、半導体素子を装着するための素子搭載用基板に関する。

近年、半導体レーザダイオード、フォトダイオード、パワートランジスタ素子、発光ダイオード、太陽電池素子等の比較的高電力を扱う半導体素子の搭載用基板として、セラミック基板上に銅板等の金属板を接合した素子搭載用基板が用いられている（例えば、特許文献１参照）。ここで、金属板は、素子搭載用基板に装着された半導体素子に対して電力を供給する役割を担うものである。すなわち、金属板は、大電流を流せるように、その厚さが例えば０．１〜０．５ｍｍ程度に厚く形成されている。

特開平１０−８４０５９号公報

しかしながら、上記従来の素子搭載用基板においては、熱履歴に対して信頼性が乏しいという問題があった。具体的に言えば、熱膨張係数が異なるセラミック基板と金属板とを接合すると、接合後の冷熱サイクルの付加によって、熱膨張差に起因する熱応力が素子搭載用基板に発生する。素子搭載用基板に熱応力が発生すると、セラミック基板にクラックが生じ、あるいはセラミック基板から金属板が剥離する可能性があった。また、セラミック基板にクラックが生じないまでも、セラミック基板の強度が低下する可能性があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱履歴に対して信頼性を向上することができる素子搭載用基板に関する。

上記目的を達成するために本発明における素子搭載用基板は、半導体素子を装着するための装着面が設けられ、第１熱膨張係数を有する第１セラミック基板と、第２熱膨張係数を有する第２セラミック基板と、前記第１セラミック基板の上面および前記第２セラミック基板の上面に直接的または間接的に接合され、前記第１熱膨張係数および前記第２熱膨張係数とは異なる第３熱膨張係数を有し、前記半導体素子に対して電力を供給するための金属板とを備え、前記第１セラミック基板と前記第２セラミック基板との間において、前記金属板には、前記第１セラミック基板の上面の一部および前記第２セラミック基板の上面の一部の少なくとも１つを跨ぐように屈曲部が形成されている。前記第２セラミック基板には、開口部が形成されており、前記開口部における前記第２セラミック基板の周囲に、前記第１セラミック基板が接触されており、前記第２セラミック基板が有する第２熱膨張係数は、前記第１セラミック基板が有する第１熱膨張係数より大きく、前記金属板が有する第３熱膨張係数は、前記第２セラミック基板が有する第２熱膨張係数より大きく、前記第１セラミック基板と前記第２セラミック基板との接触箇所における、前記第１セラミック基板の上面および前記第２セラミック基板の上面の少なくとも１つに、切欠部が形成されている。

本発明の素子搭載用基板によれば、第１セラミック基板と第２セラミック基板との間において、金属板には、第１セラミック基板の上面の一部および第２セラミック基板の上面
の一部の少なくとも１つを跨ぐように屈曲部が形成されている。すなわち、熱膨張係数が異なる第１セラミック基板と金属板、および熱膨張係数が異なる第２セラミック基板と金属板に起因する熱応力が素子搭載用基板に発生した場合であっても、屈曲部において、この熱応力を緩和することができる。この結果、熱履歴に対して信頼性を向上することができる素子搭載用基板を実現できる。なお、第２熱膨張係数は、第１熱膨張係数よりも大きい。

以上のように、本発明の素子搭載用基板は、熱履歴に対して信頼性を向上することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の参考例に係る素子搭載用基板の一例を示す斜視図である。図２は、図１中に示した切断線Ａ−Ａ´に沿って切断した断面図である。図３は、本発明の実施例に係る素子搭載用基板の一例を示す断面図である。図４（ａ）は、変更例１に係る素子搭載用基板の一例を示す断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＬの部分を拡大した図である。図５は、参考例２に係る素子搭載用基板の一例を示す断面図である。

以下、本発明の参考例について、図面を参照しながら説明する。

但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の参考例の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明に係る素子搭載用基板は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

図１は、本発明の参考例に係る素子搭載用基板１の一例を示す斜視図である。図２は、
図１中に示した切断線Ａ−Ａ´に沿って切断した断面図である。図１および図２に示すように、参考例に係る素子搭載用基板１は、第１セラミック基板２、第２セラミック基板３、および金属板４を備えている。

第１セラミック基板２には、半導体素子５を装着するための装着面２ａが設けられている。すなわち、第１セラミック基板２の装着面２ａ上に、メタライズ層６が形成されており、このメタライズ層６の上面に、金属板４が接合されている。そして、金属板４の上面に、半導体素子５が装着されている。なお、半導体素子５は、例えば、半導体レーザダイオード、フォトダイオード、パワートランジスタ素子、発光ダイオード、太陽電池素子等である。また、メタライズ層６は、例えば、ペースト状のモリブデン-マンガンあるいはタングステンを焼結して形成されたもの、またはチタン薄膜上に銅薄膜を成膜したもの等である。ここで、第１セラミック基板２は、例えば、窒化アルミニウム基板からなり、第１熱膨張係数を有している。

第２セラミック基板３には、開口部３ａが形成されている。参考例においては、第２セラミック基板３に形成された開口部３ａに、第１セラミック基板２が設けられている。具体的には、開口部３ａにおける第２セラミック基板３の周囲に、第１セラミック基板２が接触されている。なお、この接触には、単なる接触のみならず、接合の意味も含む。また、第２セラミック基板３の上面にも、メタライズ層６が形成されている。また、このメタライズ層６の上面に、金属板４が接合されている。さらに、第２セラミック基板３の上面に形成されたメタライズ層６と半導体素子５とは、ワイヤ（ボンディングワイヤ）Ｗによって電気的に接続される。ここで、第２セラミック基板３は、例えば、アルミナ基板からなり、第１熱膨張係数とは異なる第２熱膨張係数を有している。参考例においては、第２セラミック基板３が有する第２熱膨張係数は、第１セラミック基板２が有する第１熱膨張係数より大きい。

上記の第１セラミック基板２および第２セラミック基板３は、例えば、次のようにして製造される。すなわち、約２０００℃で焼結された窒化アルミニウム基板（第１セラミック基板２）を囲むようにして接触したアルミナグリーンシート（第２セラミック基板３）を、約１６００℃で焼結することにより第１セラミック基板２および第２セラミック基板３を製造する。なお、第１セラミック基板２および第２セラミック基板３の製造方法は、これに限定されない。例えば、約１６００℃で焼結された第２セラミック基板３の開口部３ａに、約２０００℃で焼結された第１セラミック基板２を嵌め込み、それらの焼結温度以下である約１２００℃でガラス成分を溶融させて接合することにより第１セラミック基板２および第２セラミック基板３を製造してもよい。

なお、参考例においては、第２セラミック基板３が有する第２熱膨張係数は、第１セラミック基板２が有する第１熱膨張係数より大きい。このため、第１セラミック基板２および第２セラミック基板３の製造時において、第２セラミック基板３が、第１セラミック基板２に対して、圧縮応力をかけた状態で接合される。そのため、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３とは、良好な状態で互いに接合される。

また、第１セラミック基板２が有する熱伝導率は、第２セラミック基板３が有する熱伝導率より高いことが好ましい。これにより、半導体素子５から発せられる熱を、第１セラミック基板２を介して、外部へ良好に逃がすことが可能となる。

金属板４は、半導体素子５に対して電力を供給する役割を担う部材である。また、金属板４は、メタライズ層６を介して、第１セラミック基板２の上面および第２セラミック基板３の上面に接合されている。なお、金属板４は、メタライズ層６を介することなく、第１セラミック基板２の上面および第２セラミック基板３の上面に直接的に接合されていてもよい。例えば、メタライズ層６の代わりに、活性金属ろう材を用いて、金属板４とセラミック基板２，３の上面とを直接的に接合してもよい。ここで、金属板４は、例えば、銅、銀等の熱伝導率の高い材料からなり、第１熱膨張係数および第２熱膨張係数とは異なる
第３熱膨張係数を有している。参考例においては、金属板４が有する第３熱膨張係数は、第２セラミック基板３が有する第２熱膨張係数より大きい。

ここで、参考例においては、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との間において、金属板４には、第１セラミック基板２の上面の一部および第２セラミック基板３の上面の一部を跨ぐように屈曲部４ａが形成されている。すなわち、第１セラミック基板２が有する第１熱膨張係数、第２セラミック基板３が有する第２熱膨張係数、および金属板４が有する第３熱膨張係数は、それぞれ異なる係数である。このため、素子搭載用基板１に対する冷熱サイクルの付加によって、第１セラミック基板２と金属板４との間、第２セラミック基板３と金属板４との間、および第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との間で、熱膨張係数が異なることに起因する熱応力が発生する。ここで、素子搭載用基板１に熱応力が発生した場合であっても、屈曲部４ａにおいて、この熱応力を緩和することができる。つまり、金属板４に屈曲部４ａが設けられていることにより、金属板４に伝わる熱応力の沿面距離が長くなるので、この熱応力を緩和することができる。

また、参考例においては、第２セラミック基板３が有する第２熱膨張係数は、第１セラミック基板２が有する第１熱膨張係数より大きく、金属板４が有する第３熱膨張係数は、第２セラミック基板３が有する第２熱膨張係数より大きい。すなわち、金属板４が有する第３熱膨張係数は、第１熱膨張係数よりも第２熱膨張係数の方が（値が）近い。そのため、熱応力に起因する第１セラミック基板２および第２セラミック基板３の反りを抑制することができる。この結果、第１セラミック基板２および第２セラミック基板３にクラックが生じるのを抑制することができる。

なお、参考例においては、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との間において、金属板４には、第１セラミック基板２の上面の一部および第２セラミック基板３の上面の一部を跨ぐように屈曲部４ａが形成されている例について説明したが、これに限定されない。すなわち、金属板４には、第１セラミック基板２の上面の一部のみを跨ぐように屈曲部４ａが形成されていてもよい。具体的には、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との接触箇所における、第２セラミック基板３の直前まで金属板４を設けること
により、金属板４に、第１セラミック基板２の上面の一部のみを跨ぐように屈曲部４ａを形成する。これと同様に、金属板４には、第２セラミック基板３の上面の一部のみを跨ぐように屈曲部４ａが形成されていれてもよい。

また、屈曲部４ａは、第１セラミック基板２の上面の一部および第２セラミック基板３の上面の一部の少なくとも１つを跨ぐように形成されていれば、その形状、大きさ等については特に限定されない。すなわち、屈曲部４ａは、図１および図２に示すような形状であってもよいし、湾曲状に形成されていてもよい。また、屈曲部４ａは、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との間に設けられている以外に、金属板４の他の箇所にも設けられていてもよい。このようにすると、金属板４に伝わる熱応力の沿面距離をより長くすることができるので、素子搭載用基板１に発生した熱応力をより緩和することができる。

以上のように、参考例に係る素子搭載用基板１によれば、熱履歴に対して信頼性を向上する素子搭載用基板を実現することができる。

ここで、参考例に係る素子搭載用基板１は、半導体素子５に対して、金属板４を介して電力を供給することが可能であり、かつワイヤＷを介して、半導体素子５から出力される信号を取り出すことが可能となる。半導体素子５から取り出した信号は、第２セラミック基板３の上面に形成されたメタライズ層６および金属板４を介して、外部へ出力される。ここで、一例として、半導体素子５が太陽電池素子からなる場合、素子搭載用基板１は、集光型太陽光発電基板となる。また、他の例として、半導体素子が発光ダイオードからなる場合、素子搭載用基板１は、発光ダイオード搭載用基板となる、さらに、他の例として、半導体素子１がパワートランジスタ素子からなる場合、素子搭載用基板１は、インバータ制御等のパワーモジュール基板となる。なお、これはあくまで一例であって、これに限定されるものではない。

なお、上述した参考例は、本発明の実施形態の一具体例を示す前提である。

（本発明の実施例）
図３は、本発明の実施例に係る素子搭載用基板１ａの一例を示す断面図である。図３に
示すように、本発明の実施例に係る素子搭載用基板１ａは、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との接触箇所における、第１セラミック基板２の上面および第２セラミック基板３の上面に、切欠部Ｃが形成されている。なお、図３において、図２と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。

すなわち、セラミック基板２，３に切欠部Ｃが形成されているので、本発明の実施例に係る第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との接触面積は、上述の参考例に係る第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との接触面積より小さくなる。言い換えれば、セラミック基板２，３に切欠部Ｃが形成されているので、セラミック基板２，３の上面に伝わる熱応力の沿面距離は長くなる。そのため、素子搭載用基板１ａに熱応力が発生した場合であっても、切欠部Ｃにおいて、この熱応力を緩和することができる。また、上述の参考例と同様、屈曲部４ａにおいても、熱応力を緩和することができる。この結果、変更例１に係る素子搭載用基板１ａによれば、上述の参考例に係る素子搭載用基板１と比較して、熱履歴に対してより信頼性を向上する素子搭載用基板を実現することができる。

なお、セラミック基板２，３に切欠部Ｃが形成されているので、さらに次のような効果もある。すなわち、上述のとおり、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との接触面積が小さくなるので、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３とを接合する際に、第１セラミック基板２および第２セラミック基板３が互いに破損するのを抑制することができる。

なお、上記では、切欠部Ｃは、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との接触箇所における、第１セラミック基板２の上面および第２セラミック基板３の上面に形成されている例について説明したが、これに限定されない。すなわち、切欠部Ｃは、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との接触箇所における、第１セラミック基板２の上面および第２セラミック基板３の上面の少なくとも１つに形成されていればよい。

（変更例１）
図４（ａ）は、変更例１に係る素子搭載用基板１ｂの一例を示す断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＬの部分を拡大した図である。図４に示すように、変更例１に係る素子搭載用基板１ｂは、屈曲部４ａの下側の金属板４は、切欠部Ｃの上方まで突出しており、屈曲部４ａの下側の金属板４と、切欠部Ｃの一部とが、接着材１０を介して接着されている。なお、図４において、図３と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。

すなわち、変更例１に係る素子搭載用基板１ｂは、切欠部Ｃの上面の一部にも、メタライズ層６が形成されている。また、屈曲部４ａの下側の金属板４は、切欠部Ｃの上方（切欠部Ｃに形成されたメタライズ層６に対応する箇所）まで突出している。そして、屈曲部４ａの下側の金属板４と、切欠部Ｃの一部とが、切欠部Ｃのメタライズ層６の上面に形成された接着材１０を介して接着されている。ここで、接着材１０は、例えば、半田、ろう材等である。つまり、屈曲部４ａの下側の金属板４と切欠部Ｃの一部とが接着材１０を介
して接着されているので、素子搭載用基板１ｂに熱応力が発生した場合であっても、接着材１０において、この熱応力を緩和することができる。また、上述の参考例と同様、屈曲部４ａにおいても、熱応力を緩和することができる。さらに、上述の本発明の実施例と同様、切欠部Ｃにおいても、熱応力を緩和することができる。この結果、変更例１に係る素子搭載用基板１ｂによれば、上述の本発明の実施例に係る素子搭載用基板１ａと比較して、熱履歴に対してより信頼性を向上する素子搭載用基板を実現することができる。

（参考例２）
図５は、参考例２に係る素子搭載用基板１ｃの一例を示す断面図である。図５に示すように、参考例２に係る素子搭載用基板１ｃは、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との間に空隙Ｓが形成されている。なお、図５において、図２と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。

すなわち、参考例２に係る素子搭載用基板１ｃにおける第２セラミック基板３には、開口部３ａが形成されており、この開口部３ａに、第１セラミック基板２が設けられている。また、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との間に空隙Ｓが形成されている。つまり、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３とは、金属板４を介して互いに接合されている。つまり、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との間に空隙Ｓが形成されているので、第１セラミック基板２と第２セラミック基板３との間で、熱膨張係数が異なることに起因する熱応力は発生しない。このため、屈曲部４ａは、第１セラミック基板２と金属板４との間、および第２セラミック基板３と金属板４との間で、熱膨張係数が異なることに起因する熱応力のみを緩和することになる。このため、参考例２に係る素子搭載用基板１ｃによれば、上述の参考例に係る素子搭載用基板１と比較して、熱履歴に対してより信頼性を向上する素子搭載用基板を実現することができる。

以上のように、本発明は、熱履歴に対して信頼性を向上することができる素子搭載用基板として有用である。

１、１ａ〜１ｃ素子搭載用基板
２第１セラミック基板
２ａ装着面
３第２セラミック基板
３ａ開口部
４金属板
４ａ屈曲部
５半導体素子
１０接着材
Ｃ切欠部

Claims

半導体素子を装着するための装着面が設けられ、第１熱膨張係数を有する第１セラミック基板と、
第２熱膨張係数を有する第２セラミック基板と、
前記第１セラミック基板の上面および前記第２セラミック基板の上面に直接的または間接的に接合され、前記第１熱膨張係数および前記第２熱膨張係数とは異なる第３熱膨張係数を有し、前記半導体素子に対して電力を供給するための金属板とを備え、
前記第１セラミック基板と前記第２セラミック基板との間において、前記金属板には、前記第１セラミック基板の上面の一部および前記第２セラミック基板の上面の一部の少なくとも１つを跨ぐように屈曲部が形成されているとともに、
前記第２セラミック基板には、開口部が形成されており、
前記開口部における前記第２セラミック基板の周囲に、前記第１セラミック基板が接触されており、
前記第２セラミック基板が有する第２熱膨張係数は、前記第１セラミック基板が有する第１熱膨張係数より大きく、
前記金属板が有する第３熱膨張係数は、前記第２セラミック基板が有する第２熱膨張係数より大きく、
前記第１セラミック基板と前記第２セラミック基板との接触箇所における、前記第１セラミック基板の上面および前記第２セラミック基板の上面の少なくとも１つに、切欠部が形成されている、ことを特徴とする素子搭載用基板。
前記屈曲部の下側の金属板は、前記切欠部の上方まで突出しており、
前記屈曲部の下側の金属板と、前記切欠部の一部とが、接着材を介して接着されている、請求項１に記載の素子搭載用基板。