特開 2024-175849 セラミックス回路基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024175849

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】セラミックス回路基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/13 20060101AFI20241212BHJP

   C04B 37/02 20060101ALI20241212BHJP

   H05K 1/02 20060101ALN20241212BHJP

【ＦＩ】

H01L23/12 C

C04B37/02 B

H05K1/02 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023093898

(22)【出願日】2023-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】株式会社プロテリアル

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大森 輝行

(72)【発明者】

【氏名】坂口 寛史

【テーマコード（参考）】

4G026

5E338

【Ｆターム（参考）】

4G026BA17

4G026BB22

4G026BF16

4G026BF24

4G026BF44

4G026BF52

4G026BG02

4G026BG23

4G026BH07

5E338AA02

5E338AA18

5E338BB80

5E338EE33

(57)【要約】

【課題】セラミックス回路基板をあえて反らせることで、不具合を解消し、その取扱いを容易にし、製造歩留まりを向上することができるセラミックス回路基板を提供する。
【解決手段】第１の面１ａと第２の面１ｂとを有し、第１の面１ａが第１の領域と第２の領域とを含む、セラミックス基板１と、第１の領域に接合された第１の金属板２と、第２の面１ｂに接合された第２の金属板３と、を備え、第１の面１ａは、第１の方向、および該第１の方向と交差する第２の方向に延在し、第１の面１ａの第１の方向に延在する第１の辺に沿って測定される第２の領域の第１のうねり曲線は、直線状であり、第１の面１ａの第２の方向に延在する第２の辺に沿って測定される第２の領域の第２のうねり曲線は、円弧状であるセラミックス回路基板１０。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面が第１の領域と第２の領域とを含む、セラミックス基板と、
前記第１の領域に接合された第１の金属板と、
前記第２の面に接合された第２の金属板と、を備え、
前記第１の面は、第１の方向、および前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、前記第１の面の前記第１の方向に延在する第１の辺に沿って測定される前記第２の領域の第１のうねり曲線は、直線状であり、
前記第１の面の前記第２の方向に延在する第２の辺に沿って測定される前記第２の領域の第２のうねり曲線は、円弧状である、
セラミックス回路基板。

【請求項2】

前記セラミックス基板は矩形状であり、前記第１の辺及び前記第２の辺はともに１００ｍｍ以上である、
請求項１に記載のセラミックス回路基板。

【請求項3】

前記セラミックス基板は、前記第１の辺よりも前記第２の辺が長い、
請求項１に記載のセラミックス回路基板。

【請求項4】

前記セラミックス基板は、前記第２の辺よりも前記第１の辺が長い、
請求項１に記載のセラミックス回路基板。

【請求項5】

前記第１のうねり曲線の最大値と最小値の差（Ｚ１）が２０μｍ以下であり、
前記第２のうねり曲線の最大値と最小値の差（Ｚ２）が３０μｍ以上である、
請求項３に記載のセラミックス回路基板。

【請求項6】

前記Ｚ２／前記Ｚ１が２．０以上である、
請求項５に記載のセラミックス回路基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施形態は、セラミックス回路基板に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、モーター、電力変換機器等の小型化、大電力化、高性能化の進展に伴い、それに搭載される電力半導体素子用回路基板には、より大電力が扱える高熱伝導性と温度サイクル寿命のより長い高信頼性が要求されてきている。この要求に対応するため、高熱伝導性と高信頼性とを具備する電力半導体素子用セラミックス回路基板には種々の提案が行われている。

【0003】

例えば、セラミックス基板の表面に金属回路板がろう付けされ、裏面に金属放熱板がろう付けされているセラミックス回路基板において、金属回路板を厚くした場合であっても、温度サイクル寿命を改善し得る金属回路を有するセラミックス回路基板およびその製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。このセラミックス回路基板は、金属回路板とセラミックス基板とのろう付けによる接合体を－１１０℃で冷却処理して残留応力を緩和し、各種厚みを調整することで反り量を抑制したものである。

【0004】

また、リードフレームとの接合を考慮して、実装時における湾曲を抑制し、かつ、サーマルサイクルテスト（ＴＣＴ）特性も良好なセラミックス回路基板として、所定の厚さのセラミックス基板に金属板が接合されたセラミックス回路基板であって、セラミックス基板を所定のうねり曲線を有するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００３－３０９２１０号公報

【特許文献2】特許第７０４８４９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１のように、一般に、セラミックス回路基板の反りやうねりは、その表面および裏面に設けられる金属板とセラミックス基板との熱膨張率の差により生じ、このような反りやうねりをなくして平坦化しようとする努力が種々なされてきた。

【0007】

しかしながら、セラミックス回路基板を平坦化した場合においても、製造上のばらつきにより、反りやうねりが発生してしまう場合があり、このとき、反りやうねりが発生するのがセラミックス回路基板のいずれの辺（例えば、矩形上のセラミックス回路基板の場合、長辺か短辺か等）であるかが制御しにくいため、吸着による搬送や、半導体素子の実装時において、その反りやうねりの状況により予定している動作を行うことができない場合があった。すなわち、反り方向による吸着不良や、半導体素子等の実装位置のズレなどが生じてしまい、その後の取り扱いが難しくなったり、製品不良が発生したり等の不具合が生じる場合があった。

【0008】

そこで、本発明は、セラミックス回路基板をあえて反らせることで、上記不具合を解消し、その取扱いを容易にし、製造歩留まりを向上することができるセラミックス回路基板を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本実施形態にかかるセラミックス回路基板は、第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面が第１の領域と第２の領域とを含む、セラミックス基板と、前記第１の領域に接合された第１の金属板と、前記第２の面に接合された第２の金属板と、を備え、前記第１の面は、第１の方向、および前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、前記第１の面の前記第１の方向に延在する第１の辺に沿って測定される前記第２の領域の第１のうねり曲線は、直線状であり、前記第１の面の前記第２の方向に延在する第２の辺に沿って測定される前記第２の領域の第２のうねり曲線は、円弧状である。

【発明の効果】

【0010】

セラミックス回路基板をあえて反らせることで、製造のばらつきがあったとしても反り方向を制御することが容易になる。

【0011】

また、反り方向が決まっているため、セラミックス回路基板の搬送や、セラミックス回路基板への半導体素子の実装等において、反り方向を考慮にいれることができ、セラミックス回路基板の取り扱いが容易になる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一実施形態であるセラミックス回路基板の概略構成を示す平面図である。

【図2】図１に示したセラミックス回路基板の概略構成を示す側断面図である。

【図3】うねり曲線を説明するための図である。

【図4】うねり曲線を説明するための図である。

【図5A】金属板の配置構造の一例を示す図である。

【図5B】金属板の配置構造の一例を示す図である。

【図6】実施例１のうねり曲線を示す図である。

【図7】実施例２のうねり曲線を示す図である。

【図8】実施例３のうねり曲線を示す図である。

【図9】実施例４のうねり曲線を示す図である。

【図10】実施例５のうねり曲線を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本実施の形態に係るセラミックス回路基板およびその製造方法について説明する。

【0014】

［セラミックス回路基板］
本実施の形態に係るセラミックス回路基板は、上記の通りの構成を有し、例えば、図１および図２に示したセラミックス回路基板が例示できる。図１は、セラミックス回路基板１０の概略構成を示す平面図であり、図２はその側面図である。

【0015】

このセラミックス回路基板１０は、矩形状のセラミックス基板１と、金属板（表金属板２、裏金属板３）と、セラミックス基板１の長辺の長さＬ１１と、セラミックス基板１の短辺の長さＬ１２と、うねり曲線の測定箇所Ｗと、を図示している。図１および図２ではセラミックス回路基板１０が２つの表金属板２と１つの裏金属板３とを有する例を示している。実施形態にかかるセラミックス回路基板の構造は、上記構造に限定されず、例えばセラミックス回路基板１０が１つの表金属板２または３つ以上の表金属板２を有していてもよい。同様にセラミックス回路基板１０が２つ以上の裏金属板３を有していてもよい。

【0016】

セラミックス基板１は互いに対向する面１ａと面１ｂとを有する。面１ａおよび面１ｂのそれぞれは、第１の方向および第２の方向に延在する。第２の方向は、第１の方向と交差する。面１ａおよび面１ｂのそれぞれが例えば長方形の面である場合、第１の方向は例えば長方形の長辺方向であり、第２の方向は例えば長方形の短辺方向である。

【0017】

面１ａは、表金属板２と接合するための接合領域と、その接合領域の周りの非接合領域と、を含んでいる。非接合領域は、例えば接合領域の輪郭部分から面１ａの端部まで延在する。なお、複数の表金属板２がセラミックス基板１に接合されている場合、非接合領域は複数の表金属板２の間の領域を含んでいる。面１ｂは、裏金属板３を受けるための接合領域と、その接合領域の周りの非接合領域と、を有していてもよい。非接合領域は、例えば接合領域の輪郭部分から面１ｂの端部まで延在する。なお、複数の裏金属板３がセラミックス基板１に接合されている場合、非接合領域は複数の裏金属板３の間の領域を含んでいる。

【0018】

セラミックス基板１の厚さは１．０ｍｍ以下であることが好ましい。セラミックス基板１の厚さが１．０ｍｍを超えると所定のうねり曲線を実現することが困難となる。セラミックス基板１の厚さを薄くすることにより所定のうねり曲線を実現し易い。

【0019】

セラミックス基板１の３点曲げ強度は５００ＭＰａ以上であることが好ましい。３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上であるセラミックス基板を使うことにより、基板厚さを０．４ｍｍ以下に薄くすることができる。

【0020】

３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上のセラミックス基板の例は、窒化珪素基板を含む。上記セラミックス基板の例は、高強度化された窒化アルミニウム基板、高強度化されたアルミナ基板、および高強度化されたジルコニア含有アルミナ基板を含む。

【0021】

セラミックス基板としては窒化珪素基板が特に好ましい。通常の窒化アルミニウム基板、アルミナ基板の３点曲げ強度は３００～４５０ＭＰａ程度である。５００ＭＰａ未満の強度の基板では厚さを０．４ｍｍ以下まで薄くするとＴＣＴ特性が低下する。窒化珪素基板として、３点曲げ強度５００ＭＰａ以上、さらには６００ＭＰａ以上の高強度の窒化珪素基板がある。

【0022】

窒化珪素基板としては、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板とすることができる。近年は高強度と高熱伝導の両方を併せ持つ窒化珪素基板もある。３点曲げ強度５００ＭＰａ以上、熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板であれば、基板厚さを０．３３ｍｍ以下と薄くすることもできる。３点曲げ強度はＪＩＳ－Ｒ－１６０１、熱伝導率はＪＩＳ－Ｒ－１６１１に準じて測定される。

【0023】

表金属板２は領域１１に接合される。裏金属板３は領域１３に接合される。すなわち、領域１１は、面１ａにおいて表金属板２と接合された領域を示す。領域１３は、面１ｂにおいて裏金属板３と接合された領域を示す。

【0024】

表金属板２および裏金属板３は、銅、アルミニウムまたはそれらを主成分とする合金を含むことが好ましい。これら金属板は、電気抵抗が低いため回路に使用しやすい。また、銅およびアルミニウムの熱伝導率はいずれも高く、それぞれ３９８Ｗ／ｍ・Ｋ、２３７Ｗ／ｍ・Ｋである。このため、放熱性を向上させることができる。

【0025】

これらの特性を活かして金属板（表金属板２および裏金属板３）の厚さを０．６ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上にすることが好ましい。金属板を厚くすることにより、通電容量の確保と放熱性の向上の両立を図ることができる。なお、金属板の厚さの上限は特に限定されないが、５ｍｍ以下が好ましく、３ｍｍ以下がより好ましい。５ｍｍを超えて大きいと、リード端子を取り付けたときに半導体モジュールの大型化を招いてしまう。

【0026】

セラミックス基板と金属板の接合方法の例は、ろう材を介して接合する方法とろう材を介さずに直接接合する方法とを含む。なお、ろう材を介した構造であることが好ましく、図２では、金属板２，３が、ろう材層４を介してセラミックス基板１に接合されている場合を示している。このとき、ろう材層４は、公知のろう材を使用できる。

【0027】

ここで用いるろう材としては、この種のセラミックス回路基板で用いられる公知のろう材層を用いて形成すればよく、一般に、ろう材粉末と有機バインダとを含むペーストから構成される。ここで用いられるろう材粉末としては、例えば、銀、銅等を所定の組成で含むろう材粉末が挙げられ、有機バインダとしては、様々な有機系樹脂を使用することができる。

【0028】

また、ろう材は、活性金属を含むことが好ましい。活性金属としては、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、およびＡｌ（アルミニウム）から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。例えば、共晶組成であるＡｇおよびＣｕを主体としＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の活性金属を添加したＡｇ－Ｃｕ系活性ろう材が、高強度、高封着性等が得られる点で好ましい。さらにセラミックス基板と金属板の接合強度の観点から、上記Ａｇ－Ｃｕ系活性ろう材にＩｎが添加された三元系のＡｇ－Ｃｕ－Ｉｎ系活性ろう材がより好ましい。このろう材はペースト状のものを用いて接合することが好ましい。

【0029】

ここで、面１ａの上記第１の方向に延在する第１の辺に沿って測定される領域のうねり曲線（第１のうねり曲線）は、直線状であり、極値を有しない。すなわち、上記うねり曲線の極値の個数は０である。これに対して、面１ａの上記第２の方向に延在する第２の辺に沿って測定される領域のうねり曲線（第２のうねり曲線）は、１つの極値を有する。すなわち、上記うねり曲線の極値の個数は１である。それぞれの極値は、極大値または極小値である。

【0030】

面１ａが長方形の面である場合、面１ａの長辺の沿面のうねり曲線と短辺の沿面のうねり曲線の一方が直線状、他方が略円弧状であることが好ましい。沿面とは、面１ａの端から表金属板２のパターン（例えば銅パターン）の最外周までのセラミックス面を示す。

【0031】

うねり曲線（Ｗａｖｉｎｅｓｓ Ｐｒｏｆｉｌｅ）はＪＩＳ－Ｂ０６０１に準じて測定される。うねり曲線は断面曲線にカットオフ値λｆおよびλｃの輪郭曲線フィルタを順次適用することによって得られる輪郭曲線であり、粗さ曲線とは異なる。測定方式の例は、レーザ方式および接触方式を含む。面１ａの長辺の沿面のうねり曲線を測定していく。長辺を一度に測定することが好ましい。仮に、基板サイズや装置サイズにより、一度に測定できないときは複数回に分けて測定して、一つのうねり曲線の測定値とする。また、短辺についても同様である。さらに、面１ｂについてうねり曲線を測定する場合も同様である。また、うねり曲線の測定箇所はセラミックス基板１の端部から０．５～１ｍｍの範囲内である。

【0032】

面１ａの長辺の沿面のうねり曲線と短辺の沿面のうねり曲線の一方が直線状、他方が円弧状となっている。図３～４はうねり曲線ＷＰを説明するための図である。図３は直線状のうねり曲線ＷＰを説明するための図であり、図４は直線状または略円弧状のうねり曲線ＷＰを説明するための図である。

【0033】

直線状とは、うねり曲線の始まりから終わりまでの間に、実質的に曲線を有することなく、極値点がない形状をいう。すなわち、極値点は０である。ただし、図３に示したように典型的な直線状のものはもちろん含まれるが、実際には、完全な直線状となる場合はほとんどなく、図４に示したように若干のうねりが存在する場合も含む。

【0034】

略円弧状とは、図４に示したようにうねり曲線ＷＰが曲線状に上がっていき、極大点（最上点）を過ぎたところで曲線状に下がっていく形状である。このとき、極値点は一箇所のみである。極値点が表面側、裏面側のどちらであってもよい。なお、極値点が裏面側を向いているときは、曲線状に下がっていき、極小点（最下点）を過ぎたところで曲線状に上がっていく形状となる。また、うねり曲線ＷＰの始まりと終わりの部分は富士山の裾野のような広がった形状であってもよい。つまり、略円弧状とはうねり曲線ＷＰにおいて極値点が１つである形状である。

【0035】

面１ａが長方形の面である場合、面１ａは互いに対向する２つの長辺を有する。２つの長辺に沿って測定される２つの第１のうねり曲線のうち、少なくとも一方の第１のうねり曲線が直線状に延在することが好ましく、さらには２つの第１のうねり曲線が直線状に延在することが好ましい。対向する２つの長辺に沿って測定される２つの第１のうねり曲線は、それぞれ直線状に延在すればよく、形状は互いに完全に一致していなくてもよい。

【0036】

２つの第２のうねり曲線のうち、少なくとも一方の第２のうねり曲線が略円弧状に延在することが好ましく、さらには２つの第２のうねり曲線が略円弧状に延在することが好ましい。２つの第２のうねり曲線は、それぞれ略円弧状に延在すればよく、形状は互いに完全に一致していなくてもよい。

【0037】

図３は第１のうねり曲線ＷＰが直線上となる例の模式図を示している。図３では、完全な直線を示しているが実際には上記のように若干のうねりが存在することもあり、そのうねりが小さく最大値や最小値として評価し得る点がない場合も含む。例えば、図４の最大値と最小値の差Ｚ（Ｚ１）が２０μｍ以下となるような場合、最大値や最小値として評価し得る点がないとして、直線状に含む。この場合、この差Ｚ（Ｚ１）は１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましく、３μｍ以下がさらに好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。

【0038】

図４は第２のうねり曲線ＷＰが円弧状となる例の模式図を示しており、うねり曲線ＷＰの最大値と最小値の差Ｚを図示している（差Ｚが２０μｍ以下のものは、円弧状のものとしては含まない）。図４のうねり曲線ＷＰの最大値と最小値の差Ｚ（Ｚ２）は３０μｍ以上であることが好ましい。最大値は、うねり曲線ＷＰの最上点の中で最も大きい値である。また、最小値はうねり曲線ＷＰの最下点の中で最も小さな値である。うねり曲線ＷＰの最大値と最小値の差Ｚ（Ｚ２）は３０μｍ以上、さらには５０μｍ以上であることが好ましい。

【0039】

うねり曲線ＷＰの最大値と最小値の差Ｚを大きくすることにより、セラミックス回路基板１０の形状方向が統一でき、その後の製造工程における取扱いが容易となる。なお、うねり曲線ＷＰの最大値と最小値の差Ｚ（Ｚ２）の最大値は特に限定されないが４００μｍ以下であることが好ましい。４００μｍを超えると、セラミックス基板１のうねりが大きいためリード端子を接合するなどした後にもうねりが残存し、実装性が低下するおそれがあるためである。

【0040】

また、上記した第１のうねり曲線の最大値と最小値の差（Ｚ１）と第２のうねり曲線の最大値と最小値の差（Ｚ２）とは、それらの比（Ｚ２／Ｚ１）が、２．０以上であることが好ましい。この比を２．０以上とすることで、その形状方向の特徴づけが明確となり、取り扱いの容易性を向上できる。

【0041】

セラミックス基板１の厚さと金属板の厚さ［セラミックス基板１の厚さ／金属板の厚さ］の比は１．５以下であることが好ましい。表金属板２および裏金属板３を含む複数の金属板をセラミックス基板１に接合しているときは、その中で最も厚い金属板の厚さを用いて上記比が算出される。すなわち、最も厚い金属板の厚さは、セラミックス基板１の厚さの１．５倍以下であることが好ましい。

【0042】

このセラミックス基板１の厚さ／金属板の厚さの比は１．５以下、さらには０．５以下であることが好ましい。セラミックス基板１の厚さ／金属板の厚さの比が０．５以下であることは、セラミックス基板１を薄くすること、または金属板を厚くすることを示している。これにより、うねり曲線を制御し易くすることができる。

【0043】

セラミックス基板１は矩形状であり、このセラミックス基板１の長辺の長さＬ１１と短辺の長さＬ１２の比が、（Ｌ１１／Ｌ１２）≧１．２５を満足することが好ましい。すなわち、Ｌ１１は、Ｌ１２の１．２５倍以上であることが好ましい。基板の長辺が長いほど、所望のうねりを付与し易くなる。

【0044】

また、セラミックス基板１の長辺の沿面の第１のうねり曲線と短辺の沿面の第２のうねり曲線を制御するために、金属板の配置構造を調整することも有効である。図５Ａおよび図５Ｂは金属板の配置構造の一例を示す図であり、セラミックス基板１と、金属板２ａと金属板２ｂからなる表金属板２と、裏金属板３と、を有するセラミックス基板１を示している。図５Ａは、セラミックス基板１の表金属板側から視た平面図であり、図５Ｂはセラミックス基板１の裏金属板側から視た底面図である。

【0045】

この例では、金属板２ａおよび２ｂは、同一形状の金属板を配置している。この金属板２ａおよび２ｂは、その長さがＬ２１ａとＬ２１ｂの矩形状の金属板である。このような形状の金属板２ａおよび２ｂが、他方の金属板との距離がＬ２１ｃで一様の間隔になるように並べて配置されている。

【0046】

このとき、金属板の長辺の長さの合計をΣＭｎとしたとき、Ｌ１１に対するΣＭｎの比は、０．５０≦ΣＭｎ／Ｌ１１≦０．９５を満足することが好ましい。ΣＭｎは、セラミックス基板１の長辺の沿面に最も近い金属板の長さの合計であり、図５Ａでは、Ｌ２１ａ＋Ｌ２１ａである。ｎは、対象となる金属板の個数によって決まる。図５Ａでは、金属板２ａと金属板２ｂがセラミックス基板１の長辺の沿面に最も近い。よって、ΣＭｎはＬ２１ａ＋Ｌ２１ａとの和である。一つの金属板の長さをＭで示したとき、Ｍ／Ｌ１１≦０．５であることが好ましい。図５では金属板２ａと金属板２ｂを図示しているが、金属板の個数は３個以上であってもよい。

【0047】

金属板の短辺側の長さの合計をΣＭｍとしたとき、Ｌ２１ｂに対するΣＭｍの比は、０．５０≦ΣＭｍ／Ｌ２１ｂ≦０．９５を満足することが好ましい。ΣＭｍは、セラミックス基板２の短辺の沿面に最も近い金属板の長さの合計値である。ｎは、対象となる金属板の個数によって決まる。図５では、金属板２ａ（または２ｂ）がセラミックス基板１の短辺の沿面に最も近い。金属板２ａと金属板２ｂが共に同じ長さＬ２１ｂを有しているため、ΣＭｍはＬ２１ｂである。また、図５では短辺の沿面に近い金属板が一つの場合を例示しているが、金属板が２個以上ある場合、一つの金属板の長さをＭで示したとき、Ｍ／Ｌ１２≧０．５であることが好ましい。

【0048】

セラミックス基板１の長さＬ１１、Ｌ１２に対し、ΣＭｎ値、ΣＭｍ値、Ｍ値を制御することにより、うねり曲線の形状を制御することができる。これにより、うねり曲線の形状を望ましい形状にすることができる。

【0049】

図５Ａおよび図５Ｂに示した場合を例にすると、セラミックス基板１は、その短辺のそれぞれの沿面に設けられた２個の金属板（２ａ、２ｂ）を有し、これら金属板は独立して設けられている。そのため、長辺の沿面においては、金属板２ａと金属板２ｂの間に隙間ができる。この隙間を設けることで、うねり曲線の極値を形成し易くなる。すなわち、短辺側については隙間が無く、直線状のうねり曲線を設けやすくなり、長辺側については、隙間があることで、円弧状のうねり曲線を設けやすくなる。

【0050】

また、セラミックス基板１の裏金属板３は、長辺側においても短辺側においても一続きの一枚の金属板とすることが好ましい。このとき、裏金属板３の長辺側の長さＬ３１はセラミックス基板１の長辺の長さＬ１１に対して、０．５０≦Ｌ３１／Ｌ１１≦０．９５を満足することが好ましく、裏金属板３の短辺側の長さＬ３２はセラミックス基板１の短辺の長さＬ１２に対して、０．５０≦Ｌ３２／Ｌ１２≦０．９５を満足することが好ましい。

【0051】

セラミックス回路基板１０は、リード端子付きセラミックス回路基板に好適である。セラミックス回路基板１０において、表金属板２と接続するように、リード端子と半導体素子を設け、裏金属板３と接続するように放熱部材を設け、半導体モジュールとすることができる。

【0052】

セラミックス回路基板１０は、セラミックス回路基板１０が有する表金属板２にリード端子を接合するようにして、リード端子付きセラミックス回路基板とすることができる。ここで、リード端子は、外部に導通させるための外部電極としての機能を有する。リード端子の形状の例は、リードフレーム型およびリードピン型を含む。リード端子の接合個数は特に限定されない。必要であれば、リード端子とワイヤボンディングとを併用してもよい。

【0053】

リード端子付きセラミックス回路基板は、表金属板２に厚さ０．２ｍｍ以上のリード端子を接合した構造に好適である。リード端子の厚さは０．２ｍｍ以上、さらには０．４ｍｍ以上であることが好ましい。リード端子の厚さの上限は特に限定されないが、３ｍｍ以下であることが好ましい。なお、リード端子の厚さは、リードフレーム型の場合はリードフレーム板の厚さ、リードピン型の場合はリードピンの幅により定義される。リード端子は、銅、アルミニウムまたはそれらの合金などの導電性の良い材料を含むことが好ましい。表金属板２とリード端子との接合方法の例は、はんだ接合、ろう材接合、超音波接合、および圧接接合を含む。リード端子を厚くすることにより通電容量を増加させ、インダクタンスを低減することができる。これにより、高性能化した半導体素子の良さを活かすことができる。

【0054】

このリード端子付きセラミックス回路基板に半導体素子を実装し、放熱部材を設けることで、半導体モジュールとすることができる。半導体素子は表金属板２に接合される。半導体素子の実装個数、実装箇所は表金属板２上であれば任意である。

【0055】

放熱部材は、裏金属板３を実装するための部材である。放熱部材は、裏金属板３の上に設けられる。放熱部材の例はヒートシンク、ベースプレート、および冷却フィンを含む。放熱部材は、板状、くし歯状、溝型やピン型など様々な形状であってもよい。放熱部材は、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｌＳｉＣなど放熱性の良い材料を含む部材が適用される。
放熱部材と裏金属板３の間に、はんだ、グリースなど介在層が設けられてもよい。

【0056】

必要に応じ、樹脂封止を行ってもよい。樹脂封止工程はトランスファーモールド法などの方法が適用できる。実施形態にかかる半導体モジュールは厚いリード端子を接合しているため、樹脂封止工程にてリード端子が断線することが無い。一方、ワイヤボンディングでは線が細いため、トランスファーモールド法のように型圧力の高い方法では断線が生じ易い。言い換えると、厚いリード端子を用いることにより、樹脂封止し易いモジュール構造とすることができる。

【0057】

［セラミックス回路基板の製造方法］
次に、上記セラミックス回路基板の製造方法について説明する。セラミックス回路基板は上記構成を具備すれば、その製造方法は特に限定されないが歩留り良く得るための方法として次の方法が挙げられる。

【0058】

本実施の形態のセラミックス回路基板１０の製造方法は、セラミックス基板１の表面および裏面に金属板をチタン等の活性金属を含むろう材を介して接触させ、該ろう材の溶融する温度まで上昇させ、その後は、クラックが発生しないように、例えば、５℃／分以下の降温速度で室温まで戻して接合する。

【0059】

活性金属ろう材ペーストの塗布厚さは１０μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。接合工程は、６００℃以上９５０℃以下の温度で行うことが好ましい。活性金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂから選ばれる少なくとも一つの元素を含む場合は８００℃以上９５０℃以下の温度で行うことが好ましい。活性金属がＡｌを含む場合は６００℃以上８００℃以下の温度で行うことが好ましい。加熱雰囲気は非酸化性雰囲気であることが好ましい。

【0060】

このとき、例えば、セラミックス基板１の表面および裏面に、その大部分を覆うように金属板を接合し、表面においては、接合した金属板をエッチングしてパターン形成するようにすればよい。例えば、図１および図２に示したように、一枚の金属板の中央付近をエッチングして、２つの表金属板２が接合された状態とし、裏金属板３として、１つの金属板が接合された状態となるようにする。これにより、表面および裏面の金属板の配置を異なるようにすることで、反りを所望の方向へと設けることができる。図１では、表金属板２は、２つの独立した金属板が設けられ、それらの間にはエッチングによる隙間が存在する。なお、この表金属板２は、そもそも独立した２枚の金属板をセラミックス基板１の表面にそれぞれ接合してもよい。一方、裏金属板３は、１つの金属板が裏面に設けられている。

【0061】

そのため、金属板の面積は、裏面の方が多く、熱収縮する際に、裏面の収縮度合いが大きくなるが、ここでは、例えば、長辺方向の中央付近に表金属板２間に隙間が設けられているため、セラミックス基板１は裏面側（裏金属板３側）に引っ張られ、表面側（表金属板２側）が凸状となる。また、短辺方向においては、表金属板２も裏金属板３も同程度の長さで一続きに形成されているため、収縮度合いはあまり変わらず、短辺に沿っては平坦性を維持しやすい。

【0062】

このような関係性とすることで、所望の方向に反らせたセラミックス回路基板１０を得ることができる。さらに、表金属板２はエッチングして回路パターンを形成することもできる。

【0063】

また、他の製造方法としては、例えば、表面と裏面の各金属板を接合するろう材層４の厚さを変えるようにして、所望の方向に反らせ、第１のうねり曲線を直線状に、第２のうねり曲線を円弧状にすることもできる。例えば、用いるろう材の厚さを変えることでその表面および裏面の熱収縮率の違いを利用して所望の方向に反らせるようにできる。

【0064】

具体的には、表面のろう材の厚さを厚く、裏面のろう材の厚さをそれよりも薄くすることで、ろう材の厚い面側の収縮度合いが高くなることを利用して、反らせることができる。このとき、セラミックス基板１の長辺と短辺の長さとろう材の厚さのバランスを利用して所望の形状にすることもできる。この場合、例えば、セラミックス基板１に表金属板２を接合するろう材層４を１０～３０μｍ、裏金属板３を接合するろう材層４を１０～３０μｍとし、その厚さの差を５～２０μｍとする場合が例示できる。

【0065】

なお、上記ではセラミックス基板と金属板の接合方法は、ろう材層を介した接合方法について説明したが、ろう材層を介さずに直接接合する接合方法であってもよい。この場合、金属板が銅板のとき、銅と酸素の共晶を利用した直接接合法を用いることができる。セラミックス基板が窒化物のとき、表面に酸化膜を形成して行う。金属板がＡｌ板のときは、ＡｌＳｉ合金板を用いて直接接合する。

【0066】

以上説明したように、上記工程を行うことにより、セラミックス基板のうねり曲線を制御することができ、例えばセラミックス基板の長辺または短辺のうねり曲線を直線状、もう一方を略円弧状にすることができる。

【0067】

そのように得られたセラミックス回路基板１０を用い、公知の方法により、リード端子を接合してリード端子付きセラミックス回路基板とし、これに、半導体素子を実装して、半導体モジュールとできる。このとき、リード端子付きセラミックス回路基板を放熱部材に実装することもできる。

【実施例0068】

（実施例１）
窒化珪素基板として熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度７００ＭＰａの窒化珪素基板を用意した。用意した窒化珪素基板は、長辺の長さが４７．３ｍｍ、短辺の長さが２３．６ｍｍ、厚さが０．３２ｍｍである。表金属板、裏金属板として銅板を用意した。用意した表金属板は、無酸素銅であり、総面積が４０５ｍｍ^２、厚さが１．２ｍｍである。用意した裏金属板は、無酸素銅であり、総面積が８８０ｍｍ^２、厚さが１．２ｍｍである。窒化珪素基板と銅板とを活性金属ろう材を用いて接合した。活性金属ろう材は、７０質量％のＡｇ、３質量％のＩｎおよび２７質量％のＣｕからなる合金粉末（合計１００質量部）に対して、０．３質量部のＴｉＨ_２を添加し、さらに有機溶剤とバインダ成分を添加したペーストであった。活性金属ろう材ペーストを乾燥した後、窒化珪素基板の両面に銅板を配置し、真空中で加圧しながら８００℃で加熱し、窒化珪素基板に銅板を接合した。このとき、同一条件で、５つ（サンプル１～５）のセラミックス回路基板を製造した。

【0069】

次に実施例にかかるセラミックス回路基板（サンプル１～５）の短辺のうねり曲線（第１のうねり曲線）および長辺のうねり曲線（第２のうねり曲線）を測定した。うねり曲線の測定は、セラミックス基板の端部から１ｍｍ内側の部分をレーザスキャンして測定した。測定結果をＪＩＳ－Ｂ０６０１に準じてうねり曲線にした。このとき得られた第１のうねり曲線および第２のうねり曲線において、それぞれうねり曲線の最大値と最小値の差Ｚ（Ｚ１およびＺ２）も併せて測定した。それらの結果を表１および図６～１０に示した。

【0070】

【表1】

【0071】

上記の結果から、本実施の形態によって、所望のうねり曲線を有するセラミックス回路基板が得られたことがわかった。このように所望の反り傾向を有するセラミックス回路基板とすることで、半導体装置の製造にあたって、その取り扱いを容易にでき、製造歩留まりを向上することもできることがわかった。

【0072】

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0073】

１ セラミックス基板
１ａ，１ｂ 面
２ 表金属板
３ 裏金属板
４ ろう材層
１０ セラミックス回路基板
ＷＰ うねり曲線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】