特許 7581476 セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-01

(45)【発行日】2024-11-12

(54)【発明の名称】セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/13 20060101AFI20241105BHJP

   H05K 3/38 20060101ALI20241105BHJP

【ＦＩ】

H01L23/12 C

H05K3/38 D

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023500804

(86)(22)【出願日】2022-02-10

(86)【国際出願番号】 JP2022005407

(87)【国際公開番号】W WO2022176777

(87)【国際公開日】2022-08-25

【審査請求日】2023-12-12

(31)【優先権主張番号】P 2021023071

(32)【優先日】2021-02-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】303058328

【氏名又は名称】東芝マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】那波 隆之

(72)【発明者】

【氏名】矢野 圭一

(72)【発明者】

【氏名】加藤 寛正

【審査官】齊藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－５４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０５６３６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平６－４８８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－４８８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０９４２１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０２１４７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／２２１１７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／２０９１７５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ３７／０２

Ｈ０１Ｌ ２１／７６８

Ｈ０１Ｌ ２３／１２―２３／１５

Ｈ０１Ｌ ２３／２８―２３／３０

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０５Ｋ １／００―３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス基板と金属板とを接合層を介して接合したセラミックス回路基板において、
前記金属板がＣｕ、Ａｌ、およびそれら金属を含む合金のいずれか１種であり、
前記セラミックス回路基板を、前記セラミックス回路基板の厚さ方向と側方向からなる断面で観察した場合、
前記金属板の側面は傾斜形状を有し、
前記接合層は前記金属板の側面と接合層が接する端部から２０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下はみ出た接合層はみ出し部を有し、
前記端部を点Ａとし、その点Ａから内側に前記側方向の距離で２０［μｍ］離れた前記金属板の側面を点Ｂとし、前記点Ａから外側に前記側方向の距離で２０［μｍ］離れた前記接合層はみ出し部の表面を点Ｃとしたとき、角度∠ＢＡＣが１１０［°］以上であり、
前記点Ｂを通る前記側方向の線と前記金属板および前記接合層の界面との間の領域Ｍの１０か所のビッカース硬度の平均値をＨｍとし、前記接合層内の１０か所のビッカース硬度の平均値をＨｂとした場合、３００＞Ｈｍ＞Ｈｂ、かつＨｍ／Ｈｂ＜２であり、
前記領域Ｍ内における前記金属板の成分以外の前記接合層の成分が存在する面積の割合Ｒが５［％］以上２０［％］以下であることを特徴とするセラミックス回路基板。

【請求項2】

前記接合層はみ出し部の長さが２０［μｍ］以上８０［μｍ］以下の範囲内であることを請求項１に記載のセラミックス回路基板。

【請求項3】

前記金属板の厚さが０．３［ｍｍ］以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。

【請求項4】

前記領域Ｍ内における前記金属板の成分以外の前記接合層の成分は、Ａｇ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ、Ｍｇから選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。

【請求項5】

前記セラミックス基板が、熱伝導率８０［Ｗ／ｍＫ］以上の窒化珪素基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。

【請求項6】

前記接合層のビッカース硬さＨｂが９０以上２００以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。

【請求項7】

前記金属板の表面において単位面積１［ｍｍ］×１［ｍｍ］における金属結晶粒子同士の３重点の数が２０個以上１５０個以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。

【請求項8】

請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板に半導体素子を実装したことを特徴とする半導体装置。

【請求項9】

樹脂またはゲルによりモールドされていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

後述する実施形態は、おおむね、セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

セラミックス回路基板は、半導体素子を実装する回路基板として用いられている。セラミックス基板としては、アルミナ基板、アルジル基板、窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板などが用いられている。また、セラミックス基板に接合される金属板としては銅板やアルミニウム板が用いられている。半導体素子の高性能化に伴い、ジャンクション温度が高くなっている。このため、セラミックス回路基板はＴＣＴ特性（耐熱サイクル特性）を向上させることが求められている。

【0003】

例えば、国際公開第２０１７／０５６３６０号公報（特許文献１）では、銅板側面に傾斜構造を設けること、および接合層のはみ出し部のサイズの最適化が記載されている。特許文献１では、優れたＴＣＴ特性を得ている。特に、接合層のはみ出し部のサイズを最適化することが好ましいとされている。特許文献１では、優れたＴＣＴ特性が得られていた。

【0004】

セラミックス回路基板は金属板上に半導体素子を実装して半導体装置になる。半導体素子を実装しない側の金属板はヒートシンクベースに接合される。また、必要に応じ、ワイヤーボンディングやリードを接合している。また、半導体素子を保護するために樹脂によりモールドしている。樹脂によるモールドには、ポッティング方式やトランスファーモールド方式などの方法が用いられている。樹脂によりモールドされたモールド樹脂は、樹脂を固めて成形され、半導体素子を保護する役目を持つ。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１７／０５６３６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１のセラミックス回路基板を使った半導体装置に樹脂をモールドしたところ、樹脂はがれの現象が観察される場合があった。半導体素子の高性能化に伴い発熱量が増えている。これに伴いモールド樹脂とセラミックス回路基板の接触面に樹脂はがれが起き易くなることが判明した。

【0007】

本発明は、このような問題に対応するためのものであり、モールド樹脂の樹脂はがれを抑制できるセラミックス回路基板を提供するためのものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態に係る、セラミックス基板と金属板とを接合層を介して接合したセラミックス回路基板は、セラミックス回路基板を、セラミックス回路基板の厚さ方向と側方向からなる断面で観察した場合に、次のような特徴を備える。
（１）金属板の側面は傾斜形状を有する。
（２）接合層は金属板の側面と接合層が接する端部から２０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下はみ出た接合層はみ出し部を有する。
（３）端部を点Ａとし、その点Ａから内側に側方向の距離で２０［μｍ］離れた金属板の側面を点Ｂとし、点Ａから外側に側方向の距離で２０［μｍ］離れた接合層はみ出し部の表面を点Ｃとしたとき、角度∠ＢＡＣが１１０［°］以上である。
（４）点Ｂを通る側方向の線と金属板および接合層の界面との間の領域の１０か所のビッカース硬度の平均値はＨｍである。
（５）接合層内の１０か所のビッカース硬度の平均値をＨｂとした場合、３００＞Ｈｍ＞Ｈｂ、かつＨｍ／Ｈｂ＜２である。
（６）領域内における金属板の成分以外の接合層の成分が存在する面積の割合Ｒが５［％］以上２０［％］以下である。

【0009】

すなわち、セラミックス回路基板の厚さ方向と各側方向からなる断面（セラミックス回路基板の平面の形状が矩形の場合には各側方向は、直交する２つの側方向の各側方向）において上記特徴（１）～（６）の要件を満たすことが好適である。なお、セラミックス回路基板の表面のみに金属板が接合されている場合は、表面の金属板および接合層のみが上記特徴（１）～（６）の要件を満たせばよいし、セラミックス回路基板の両面に金属板が接合されている場合は、両面の金属板および接合層が上記特徴（１）～（６）の要件を満たせばよい。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係るセラミックス回路基板の第１例を示すＩ－Ｉ断面図。

【図2】（Ａ）は、実施形態に係るセラミックス回路基板の概要を示す側面図、（Ｂ）は、実施形態に係るセラミックス回路基板の概要を示す上面図。

【図3】実施形態に係る半導体装置の一例を示す側面図。

【図4】耐電圧特性の測定を説明するための側面図。

【図5】実施形態に係るセラミックス回路基板の第２例を示すＩ－Ｉ断面図。

【図6】実施形態に係るセラミックス回路基板の第３例を示すＩ－Ｉ断面図。

【実施形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら、セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体装置の実施形態について詳細に説明する。

【0012】

実施形態に係る、セラミックス基板と金属板とを接合層を介して接合したセラミックス回路基板は、セラミックス回路基板を、セラミックス回路基板の厚さ方向と側方向からなる断面で観察した場合に、次のような特徴を備える。
（１）金属板の側面は傾斜形状を有する。
（２）接合層は金属板の側面と接合層が接する端部から２０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下はみ出た接合層はみ出し部を有する。
（３）端部を点Ａとし、その点Ａから内側に側方向の距離で２０［μｍ］離れた金属板の側面を点Ｂとし、点Ａから外側に側方向の距離で２０［μｍ］離れた接合層はみ出し部の表面を点Ｃとしたとき、角度∠ＢＡＣが１１０［°］以上である。
（４）点Ｂを通る側方向の線と金属板および接合層の界面との間の領域の１０か所のビッカース硬度の平均値はＨｍである。
（５）接合層内の１０か所のビッカース硬度の平均値をＨｂとした場合、３００＞Ｈｍ＞Ｈｂ、かつＨｍ／Ｈｂ＜２である。
（６）領域内における金属板の成分以外の接合層の成分が存在する面積の割合Ｒが５［％］以上２０［％］以下である。

【0013】

すなわち、セラミックス回路基板の厚さ方向と各側方向からなる断面（セラミックス回路基板の平面の形状が矩形の場合には各側方向は、直交する２つの側方向の各側方向）において上記特徴（１）～（６）の要件を満たすことが好適である。なお、セラミックス回路基板の表面のみに金属板が接合されている場合は、表面の金属板および接合層のみが上記特徴（１）～（６）の要件を満たせばよいし、セラミックス回路基板の両面に金属板が接合されている場合は、両面の金属板および接合層が上記特徴（１）～（６）の要件を満たせばよい。

【0014】

図１、図２（Ａ），（Ｂ）に実施形態に係るセラミックス回路基板の詳細を断面図で示す。図中、１はセラミックス回路基板、２はセラミックス基板、３は金属板、４は接合層、５は領域Ｍ、６は金属板、である。なお、図１は図２（Ｂ）のＩ－Ｉ断面図であるが、図１において、セラミックス回路基板２の裏側の接合層４と裏金属板６との表示を省略する。また、セラミックス基板２の側方向をｘ軸方向及びｙ軸方向と定義し、セラミックス基板２の深さ方向をｚ軸方向と定義する。

【0015】

図１は、セラミックス回路基板１の表側の金属板３（裏側の金属板６については図示省略）の側面形状を例示したものである。また、図２（Ａ），（Ｂ）は、表側に金属板３を２つ、裏側に金属板６を１つ設けたセラミックス回路基板１の構造を示す。表側の金属板３を回路として用いるため表金属板と呼ぶこともある。また、裏側の金属板６を放熱板として用いるため裏金属板と呼ぶこともある。実施形態に係るセラミックス回路基板１は、このような構造に限定されるものではない。例えば、表金属板３は３つ以上存在していてもよい。また、裏金属板６に回路形状を具備させてもよいものである。以下、セラミックス回路基板１の両側に金属板３，６が接合される場合を例示して説明する。

【0016】

まず、セラミックス基板２は、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、アルジル基板から選ばれる１種が好ましい。なお、アルジル基板とはアルミナとジルコニアを混合したセラミックス焼結体を用いたものである。

【0017】

セラミックス基板２が窒化珪素基板である場合、窒化珪素基板の３点曲げ強度が６００［ＭＰａ］以上のものであることが好ましい。また、窒化珪素基板の熱伝導率は８０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上のものであることが好ましい。窒化珪素基板の強度を上げることにより、基板厚さを薄くすることができる。このため、窒化珪素基板は３点曲げ強度は６００［ＭＰａ］以上、さらには７００［ＭＰａ］以上が好ましい。窒化珪素基板は基板厚さを０．４０［ｍｍ］以下、さらには０．３０［ｍｍ］以下と薄くできる。

【0018】

また、セラミックス基板２が窒化アルミニウム基板である場合、窒化アルミニウム基板の３点曲げ強度は３００～４５０［ＭＰａ］程度である。その一方、窒化アルミニウム基板の熱伝導率は１６０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上である。窒化アルミニウム基板は強度が低いため、基板厚さは０．６０［ｍｍ］以上が好ましい。

【0019】

また、セラミックス基板２が酸化アルミニウム基板である場合、酸化アルミニウム基板の３点曲げ強度は３００～４５０［ＭＰａ］程度であるが、安価である。また、セラミックス基板２がアルジル基板である場合、アルジル基板の３点曲げ強度が５５０［ＭＰａ］程度と高いが熱伝導率は３０～５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度である。

【0020】

なお、セラミックス基板２としては窒化珪素基板であることが好ましい。窒化珪素基板は強度が高いため、薄型化できる。

【0021】

また、金属板３，６は、銅板、銅合金板、アルミニウム板、アルミニウム合金板から選ばれる１種または２種以上が挙げられる。金属板３，６としては銅板が好ましい。また、金属板３，６は無酸素銅板であることが好ましい。無酸素銅はＪＩＳ－Ｈ－３１００に示されているように銅純度９９．９６［質量％］以上である。銅の熱伝導率は約４００［Ｗ／ｍ・Ｋ］、アルミニウムの熱伝導率は約２４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。アルミニウムよりも銅は熱伝導率が高いため、放熱性が向上する。また、アルミニウム板は純アルミニウムであることが好ましい。純アルミニウムはＪＩＳ－Ｈ－４０００に示されている。なお、ＪＩＳ－Ｈ－３１００に対応するＩＳＯは、ＩＳＯ１３３７（１９８０）などである。また、ＪＩＳ－Ｈ－４０００に対応するＩＳＯは、ＩＳＯ２０９－１（１９８９）などである。

【0022】

また、金属板３，６の厚さは０．３［ｍｍ］以上であることが好ましい。金属板３，６を厚くすることにより、放熱性を向上させることができる。また、通電容量を稼ぐこともできる。このため、金属板３，６の厚さは０．３［ｍｍ］以上、さらには０．６［ｍｍ］以上が好ましい。また、金属板３，６の厚さの上限は特に限定されるものではないが５［ｍｍ］以下が好ましい。５［ｍｍ］を超えると金属板３，６の側面の傾斜形状の制御が困難となる可能性がある。また、放熱性の観点からすると、金属板３，６として、厚さ０．３［ｍｍ］以上の銅板を用いることが好ましい。また、表金属板３としての表銅板と裏金属板６としての裏銅板とは共に厚さ０．３［ｍｍ］以上であることが好ましい。

【0023】

また、セラミックス基板２と表金属板３および裏金属板６とはそれぞれ、接合層４を介して接合されている。また、接合層４は、表金属板３の側面と接合層４が接する端部（図１に示す断面図では点）からはみ出た接合層はみ出し部４ａを有している。

【0024】

接合層はみ出し部４ａのはみ出し長さ（以下、単に「長さ」と呼ぶ）は２０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下である。接合層はみ出し部４ａの長さは、セラミックス回路基板１の任意の断面を用いて測定されるものとする。断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察する。ＳＥＭ写真の倍率は５００倍とする。ＳＥＭ写真を用いて接合層はみ出し部４ａの長さを求めるものとする。接合層はみ出し部４ａの長さは、接合層４と表金属板３の接点と接合層はみ出し部４ａの端部とセラミックス基板２の接点を基準に求めるものとする。また、裏金属板６についても表金属板３と同様である。接合層４と表金属板３の接点を基準１とし、接合層はみ出し部４ａの端部とセラミックス基板２の接点を基準２とする。基準１および基準２から垂直線（ｚ軸方向に延びる線）を引き、垂直線同士の水平距離（ｘ軸方向またはｙ軸方向の距離）を接合層はみ出し部４ａの長さとする。なお、表金属板３側面に金属被膜を有していたとしても、表金属板３自体の側面を基準に測定するものとする。金属被膜は金属メッキなどが挙げられる。

【0025】

接合層はみ出し部４ａの長さは２０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下であると、ＴＣＴ特性を向上させることができる。接合層はみ出し部４ａの長さが２０［μｍ］未満では接合端部の応力緩和効果が不足する。また、１５０［μｍ］を超えて長いと、それ以上の効果が得られない。また、接合層はみ出し部４ａが長すぎると、隣り合う表金属板３同士（または裏金属板６同士）のピッチを狭くすることが困難となる可能性がある。そのため、接合層はみ出し部４ａの長さは２０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下、さらには２０［μｍ］以上８０［μｍ］以下が好ましい。また、より好ましくは３０［μｍ］以上６０［μｍ］以下である。
また、接合層はみ出し部４ａの厚さは、均一な厚さの構造であってもよいし、先端に行くに従って薄くなる構造であってもよい。

【0026】

また、表金属板３の側面と接合層４が接する端部（図１に示す断面図では点）を点Ａとし、点Ａから内側（すなわち、図１に示すｘ軸正方向）にｘ軸方向の距離で２０［μｍ］離れた表金属板３の側面を点Ｂとし、点Ａから外側（すなわち、図１に示すｘ軸負方向）にｘ軸方向の距離で２０［μｍ］離れた接合層はみ出し部４ａの表面の接点を点Ｃとしたとき、角度∠ＢＡＣが１１０［°］以上、である。

【0027】

点Ａ、点Ｂ、点Ｃの測定は断面のＳＥＭ写真を用いるものとする。ＳＥＭ写真において、表金属板３の側面と接合層４が接する点を点Ａとする。その点Ａから内側にｘ軸方向の距離で２０［μｍ］離れた表金属板３の側面を点Ｂとする。また、点Ａから外側にｘ軸方向の距離で２０［μｍ］離れた接合層はみ出し部４ａの上面の接点を点Ｃとする。点Ｂと点Ａを直線で結ぶ。同様に、点Ａと点Ｃを直線で結ぶ。それぞれの直線で形成される角度を角度∠ＢＡＣとする。点Ｂと点Ａを直線で結んだ直線ＢＡと、点Ａと点Ｃを直線で結んだ直線ＡＣが成す角度が角度∠ＢＡＣとなる。また、角度∠ＢＡＣとは、図１の上方側で作る角度のことである。
角度∠ＢＡＣが１１０［°］以上であることにより、接合層はみ出し部４ａに係る応力を小さくすることができる。接点Ａから２０［μｍ］という微少領域において十分な角度があることを意味している。また、樹脂をモールドした際に、表金属板３の側面とモールド樹脂８との密着性を向上させることができる。

【0028】

角度∠ＢＡＣが１１０［°］未満であると金属板側面の角度が立っていることになる。また、接合層はみ出し部４ａが外側に行くに従って厚くなると角度∠ＢＡＣが小さくなる。このような形状では接合層はみ出し部４ａに係る応力が大きくなる。また、表金属板３の側面とモールド樹脂８との間に隙間が生じ易くなる。

【0029】

また、角度∠ＢＡＣの上限は特に限定されるものではないが、１８０［°］以下が好ましい。１８０［°］を超えて大きいと、表金属板３の側面が傾斜し過ぎて半導体素子７（図３に図示）を実装する面積が小さくなる可能性がある。また、角度∠ＢＡＣが１８０［°］を超える場合として、接合層はみ出し部４ａが長く、先端に行くに従って細くなる構造がある。接合層はみ出し部４ａが長くなると隣り合う表金属板３同士（または裏金属板６同士）のピッチを狭くすることが困難となる可能性がある。このため、角度∠ＢＡＣは１１０［°］以上１８０［°］以下、さらには１３０［°］以上１６０［°］以下が好ましい。

【0030】

また、図１に示すように、表金属板３の側面は、ｚ軸負方向に進むに従って広くなる傾斜形状であってもよいが、図５に示すように、表金属板３の側面はｚ軸正方向とｚ軸負方向に進むに従って広くなる円弧形状であってもよい。角度∠ＢＡＣを１１０［°］以上にした上で表金属板３の側面を円弧形状とすることにより、応力緩和と半導体素子７（図３に図示）の実装面積拡大との両立を図ることができる。また、樹脂をモールドした際にモールド樹脂の樹脂はがれを抑制することができる。図５に、金属板３，６のうち少なくとも一方の側面、例えば、表金属板３の側面が円弧形状を備える場合のセラミックス回路基板１の第２例を示す。また、図６に、表金属板３の側面と表面の接続部とがＲ形状を備える場合のセラミックス回路基板１の第３例を示す。なお、図５および図６は図２（Ｂ）のＩ－Ｉ断面図であるが、図５および図６において、セラミックス回路基板２の裏側の接合層４と裏金属板６との表示を省略する。

【0031】

図５に示すように、表金属板３の側面が円弧形状を備えると、表金属板３の表面がそれぞれ、ｘ軸方向およびｙ軸方向に延長されていく。これにより、表金属板３の表面に平坦面が増えるので半導体素子７の実装面積を大きくすることができる。一方、図６に示すように表金属板３の側面と表面との接続部がＲ形状を備えると、表金属板３の表面と裏金属板６の裏面とに平坦面が小さくなるため、実装面積を大きくすることができない。

【0032】

また、図５に示す表金属板３の側面は前述の断面ＳＥＭ写真（５００倍）でみたとき、微少な凹凸は存在していてもよいものとする。なお、図５に示す表金属板３の側面の上端部が外側に延長されていれば、円弧形状と呼ぶものとする。

【0033】

図１の説明に戻って、点Ｂを通りセラミックス基板２の平面（ｘ－ｙ平面）に平行する面と、表金属板３および接合層４の界面との間を領域Ｍと定義する。領域Ｍの１０か所のビッカース硬度の平均値をＨｍ、接合層４内の１０か所のビッカース硬度の平均値をＨｂ、３００＞Ｈｍ＞Ｈｂ、かつＨｍ／Ｈｂ＜２であり、領域Ｍ内における表金属板３の成分以外の接合層４の成分が存在する面積の割合Ｒが５［％］以上２０［％］以下であることを特徴としている。

【0034】

領域Ｍは点Ｂを通るｘ軸方向の線と、表金属板３および接合層４の界面との間の領域である。また、表金属板３と接合層４の界面は、表金属板３以外の成分が８質量［％］以上になった領域とする。

【0035】

例えば、表金属板３として銅板を用いたとき、銅板中の銅以外の濃度が８［質量％］になった個所を銅板と接合層４の界面とする。また、表金属板３以外の成分が２種以上あるときは合計で８［質量％］になった個所を銅板と接合層４の界面とする。表金属板３と接合層４の界面の測定にはＳＥＭ－ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）の点分析により求めるものとする。

【0036】

また、領域Ｍの１０か所のビッカース硬度の平均値をＨｍ、接合層４内の１０か所のビッカース硬度の平均値をＨｂ、とする。ビッカース硬度の測定はＪＩＳ－Ｚ－２２４４（２００９）に準じて行うものとする。試料はセラミックス回路基板１の任意の断面を用いるものとする。試料の測定面は表面粗さＲａが１［μｍ］以下とする。必要に応じ、試料の測定面を研磨加工してよいものとする。また、試験力（Ｆ）は９．８０７［Ｎ］を用いるものとする。また、ビッカース硬度の測定はナノインデンテーション法で行ってもよい。ナノインデンテーション法による測定方法は特許文献１に記載の通りである。なお、ＪＩＳ－Ｚ－２２４４に対応するＩＳＯはＩＳＯ６５０７である。

【0037】

領域Ｍの任意の１０か所のビッカース硬さを測定し、その平均値をＨｍとする。同様に、接合層内の任意の１０か所のビッカース硬度の平均値をＨｂとする。

【0038】

また、３００＞Ｈｍ＞Ｈｂ、かつＨｍ／Ｈｂ＜２、であることを満たすものである。３００＞Ｈｍ＞Ｈｂであるということは、ＨｍおよびＨｂがビッカース硬度３００未満であることを示している。また、領域Ｍのビッカース硬度Ｈｍよりも接合層４のビッカース硬度Ｈｂの方が低いことを示している。また、Ｈｍ／Ｈｂ＜２であるということは、領域Ｍのビッカース硬度Ｈｍは接合層４のビッカース硬度Ｈｂの２倍未満であることを示している。これは領域Ｍと接合層４の硬さの差が小さいことを示している。これにより、接合層はみ出し部４ａに発生する応力を緩和することができる。また、樹脂によりモールドした際に樹脂はがれを抑制することができる。これはモールド樹脂８（図３に図示）の変形に伴う変形量を小さくすることができるためである。

【0039】

また、接合層４のビッカース硬さＨｂが９０以上２００以下であることが好ましい。Ｈｂが９０以上２００以下の範囲内であると、ＨｍとＨｂの関係を制御し易くなる。

【0040】

また、領域Ｍ内における表金属板３の成分以外の接合層４の成分は、Ａg（銀）、Ｔｉ（チタン）、Ｓｎ（錫）、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（珪素）、Ｃ（炭素）、Ｍｇ（マグネシウム）から選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。領域Ｍ内における表金属板３の成分以外の接合層４の成分とは、接合層４の構成成分の中で表金属板３と異なる成分のことである。言い換えると、Ａｇ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ、Ｍｇから選ばれる１種または２種以上の元素を接合層４は含有していることを示す。なお、前述の角度∠ＢＡＣを求める際の点Ｃは点Ｃと表記する。接合層４中の炭素はＣと表記する。

【0041】

後述するように、接合層４を介してセラミックス基板２と表金属板３を接合するときは加熱接合工程を行う。加熱により接合層４の成分が表金属板３に拡散していくのである。これにより、Ｈｍ、Ｈｂの制御を行うことができる。また、前述のように表金属板３と接合層４の界面は表金属板３以外の成分が８［質量％］になった領域である。領域ＭはＡｇ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ、Ｍｇから選ばれる１種または２種以上の元素を合計で１質量［％］以上含有していることが好ましい。

【0042】

また、領域Ｍ内における表金属板３の成分以外の接合層４の成分が存在する面積の割合Ｒが５［％］以上２０［％］以下である。領域Ｍのビッカース硬度を制御するためには、領域Ｍの表金属板３の成分以外の接合層４の成分が存在する面積の割合を制御することが有効である。領域Ｍの表金属板３の成分以外の接合層４の成分とは、Ａｇ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ、Ｍｇから選ばれる１種または２種以上にことである。

【0043】

領域Ｍ内の割合Ｒの測定はＳＥＭ－ＥＤＸのエリア分析を用いるものとする。エリア分析は面分析と呼ぶこともある。セラミックス回路基板１の任意の断面において、領域Ｍの幅５０［μｍ］×厚さ２０［μｍ］を測定領域とする。幅５０［μｍ］は領域Ｍの幅方向である。厚さ２０［μｍ］は領域Ｍを求めたときに用いた点Ｂを通るｘ軸方向の線を基準に接合層側に２０［μｍ］入った範囲である。

【0044】

割合Ｒが５［％］以上２０［％］以下の範囲内であると、Ｈｍ、Ｈｂの制御が可能となる。また、領域Ｍに金属板成分以外の接合層成分が分布することにより、接合の信頼性を向上させることができる。割合Ｒは任意の１カ所を測定すればよいものとする。言い換えると、領域Ｍのどこを測定したとしても割合Ｒは５［％］以上２０［％］以下の範囲内であることが好ましい。

【0045】

以上のようなセラミックス回路基板１は、ＴＣＴ特性を向上させることができる。その上で樹脂をモールドした際の樹脂はがれを抑制することができる。このため、セラミックス回路基板１に半導体素子を実装した半導体装置に好適である。

【0046】

図３に実施形態に係る半導体装置の一例を示した。図中、１はセラミックス回路基板、７は半導体素子、８はモールド樹脂、１０は半導体装置、である。図３では半導体素子を一つ実装した例を示したが、２つ以上実装してもよいものである。また、図示しないが、リードフレーム、ワイヤーボンディングやねじ止め構造などを具備してもよいものである。また、半導体装置１０全体に樹脂をモールドしてモールド樹脂８を成形した例を示したが、半導体素子７を実装した面だけに樹脂をモールドしてモールド樹脂８を成形してもよいものである。

【0047】

実施形態に係るセラミックス回路基板１はＴＣＴ特性に優れている。また、金属板３，６側面のモールド樹脂８の樹脂がはがれにくい。このため、モールド樹脂８を具備した半導体装置１０の信頼性を向上させることができる。

【0048】

次に、実施形態に係るセラミックス回路基板１の製造方法について説明する。実施形態に係るセラミックス回路基板１は上記構成を有していればその製造方法は限定されるものではないが歩留まり良く得るための方法として次のものが挙げられる。

【0049】

まず、セラミックス基板２を用意する。セラミックス基板２は、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、アルジル基板から選ばれる１種が好ましい。
また、セラミックス基板２は、熱伝導率が８０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上の窒化珪素基板であることが好ましい。また、窒化珪素基板は、３点曲げ強度が６００［ＭＰａ］以上のものであることが好ましい。窒化珪素基板の強度を上げることにより、基板厚さを薄くすることができる。
次に金属板３，６を用意する。金属板３，６は、銅板またはアルミニウム板が好ましい。また、銅板は無酸素銅板が好ましい。また、アルミニウム板は純アルミニウム板であることが好ましい。また、金属板３，６は厚さ０．３［ｍｍ］以上が好ましい。

【0050】

次に接合層４となるろう材を用意する。
接合層４として銅板を用いるとき、Ａｇ（銀）またはＣｕ（銅）を主成分としＴｉ（チタン）を含有するろう材であることが好ましい。Ｔｉを含むろう材は活性金属ろう材と呼ばれている。活性金属ろう材は、Ｔｉがセラミックス基板２と反応して反応層を形成することにより、接合強度を向上させることができる。セラミックス基板２が窒化物系セラミックス基板であると反応層は窒化チタンが主成分となる。窒化物系セラミックス基板とは、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板などである。また、セラミックス基板２が酸化物系セラミックス基板であると反応層は酸化チタンが主成分となる。酸化物系セラミックス基板とは、酸化アルミニウム基板、アルジル基板などである。

【0051】

また、ろう材組成は、Ａｇ（銀）を０［質量％］以上６０［質量％］以下、Ｃｕ（銅）を１５［質量％］以上８５［質量％］以下、Ｔｉ（チタン）またはＴｉＨ_２（水素化チタン）を１［質量％］以上１５［質量％］以下、含有することが好ましい。また、ＴｉとＴｉＨ_２の両方を用いる場合は、合計が１［質量％］以上１５［質量％］以下の範囲内とする。また、ＡｇとＣｕを両方用いる場合は、Ａｇを２０～６０［質量％］、Ｃｕを１５～４０［質量％］であることが好ましい。

【0052】

ろう材組成は、必要に応じ、Ｓｎ（錫）またはＩｎ（インジウム）の１種または２種を１［質量％］以上５０［質量％］以下、含有してもよい。また、ＴｉまたはＴｉＨ_２の含有量は、１［質量％］以上１５［質量％］以下、さらには１［質量％］以上６質量％以下であることが好ましい。また、必要に応じ、Ｃ（炭素）を０．１［質量％］以上２［質量％］以下、含有させても良いものとする。また、必要に応じ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇから選ばれる１種または２種以上を０．１［質量％］以上５［質量％］以下含有してもよい。

【0053】

ろう材組成の比率は、混合する原料の合計を１００［質量％］で計算する。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉの３種で構成する場合はＡｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＝１００［質量％］となる。また、Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉＨ_２、Ｉｎの４種で構成する場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋ＴｉＨ_２＋Ｉｎ＝１００［質量％］となる。また、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃの５種で構成する場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ＋Ｃ＝１００［質量％］となる。

【0054】

また、アルミニウム板を用いるとき、Ａｌ（アルミニウム）を主成分としＳｉ（珪素）またはＭｇ（マグネシウム）を含有するろう材であることが好ましい。また、Ｓｉの含有量は０．１［質量％］以上２０［質量％］以下の範囲内が好ましい。また、Ｍｇの含有量は０．１［質量％］以上２０［質量％］以下の範囲内が好ましい。また、ＳｉとＭｇを両方含有してもよい。ろう材組成の比率は混合する原料の合計を１００［質量％］で計算する。例えば、Ａｌ、Ｓｉの２種類で構成する場合はＡｌ＋Ｓｉ＝１００［質量％］となる。また、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの３種で構成する場合はＡｌ＋Ｓｉ＋Ｍｇ＝１００［質量％］となる。

【0055】

ろう材成分を混合した後、バインダなどを添加し、ろう材ペーストを調製する。ろう材ペーストをセラミックス基板上に塗布し、表金属板３を配置する。なお、セラミックス基板２の両面にそれぞれ金属板３，６を接合する場合は、セラミックス基板２の両面にろう材ペーストを塗布した後、金属板３，６を配置する。この工程により、セラミックス基板２、ろう材ペースト、金属板３，６の積層体を調製することができる。また、積層体の状態において、セラミックス基板２と金属板３，６の縦横サイズは、ほぼ同じであることが好ましい。ほぼ同じとは±２［ｍｍ］の範囲内であることを示す。

【0056】

また、ろう材ペーストの塗布厚さは１０［μｍ］以上６０［μｍ］以下が好ましい。また、セラミックス基板２にろう材ペーストを塗布した後に、乾燥工程を行うことが好ましい。乾燥工程は、４０［℃］以上８０［℃］以下の範囲内で熱処理することである。乾燥温度が低いとバインダ成分や溶媒成分が十分に除去できない可能性がある。また、乾燥温度が高いと、ろう材が酸化される可能性がある。乾燥工程を行うことにより、ろう材成分と表金属板３の接触を均質化することができる。

【0057】

これにより、ろう材成分の拡散状態の均一性を向上させることができる。なお、乾燥工程で残存したバインダ成分は、加熱接合工程の昇温工程中にて除去すれば良いものとする。

【0058】

次に、加熱接合工程を行うものとする。加熱温度は６００［℃］以上９６０［℃］以下の範囲内であることが好ましい。また、雰囲気は真空中または不活性ガス中が好ましい。真空中とは１０^－３［Ｐａ］以下のことである。また、不活性ガスとは、窒素ガスやアルゴンガスが挙げられる。また、窒素中とは窒素含有量８０［体積％］以上の雰囲気のことである。

【0059】

また、加熱接合工程は、積層体に荷重を負荷することが好ましい。荷重は５００［Ｐａ］以上２０００［Ｐａ］以下の範囲内であることが好ましい。これにより、ろう材成分が金属板に適切な量で拡散し、かつ均質化することができる。

【0060】

また、加熱接合工程後の冷却速度を５［℃／分］以上にすることが好ましい。冷却速度を早くすることにより、ろう材が固まるのを早くすることができる。これにより、接合層４のビッカース硬度を均質にすることができる。

【0061】

また、表金属板３は、単位面積１［ｍｍ］×１［ｍｍ］において金属結晶粒子同士の３重点の数が２０個以上１５０個以下の範囲内であることが好ましい。３重点の数は表金属板３の表面を金属顕微鏡で観察するものとする。金属結晶粒子が確認し難いときは、表金属板３の表面をエッチング処理してもよいものとする。また、表金属板３が銅板であれば、銅結晶粒子同士の３重点となる。表金属板３がアルミニウム板であれば、アルミニウム結晶粒子同士の３重点となる。

【0062】

金属結晶粒子同士の３重点は、金属結晶粒子同士の２粒子間よりもろう材が拡散するルートになり易い。３重点の数を増やすことにより、ろう材が拡散するルートを複雑な迷路にすることができる。これにより、拡散量を制御することができる。なお、金属板の３重点の数は、接合後の表金属板３の３重点の数とする。加熱接合工程を行うことにより、表金属板３の結晶粒子は粒成長する。接合後の３重点の数が上記範囲内であればろう材の拡散ルートの制御を行うことができる。単位面積１［ｍｍ］×１［ｍｍ］において、金属結晶粒子同士の３重点の数が２０個未満であると、３重点の数が少ないため拡散ルートがスムーズになる。拡散がスムーズになると拡散量が増加する可能性がある。また、３重点の数が１５０個を超えると拡散ルートが複雑になるが、拡散ルート自体が増えるので拡散量が増加する可能性がある。拡散量が増加すると、割合Ｒが２０［％］を超える可能性が高くなる。このため、金属板３，６は、単位面積１［ｍｍ］×１［ｍｍ］において金属結晶粒子同士の３重点の数が２０個以上１５０個以下、さらには３０個以上１００個以下の範囲内であることが好ましい。

【0063】

以上の工程により、セラミックス基板２と表金属板３の接合体が作製される。次に表金属板３に回路形状を付与する工程を行う。回路形状の付与はエッチング工程を用いることが好ましい。エッチング工程は、表金属板３のエッチング工程や接合層のエッチング工程がある。表金属板３のエッチング工程により、回路形状や表金属板３側面形状の制御を行うことができる。また、接合層４のエッチング工程により、接合層はみ出し部４ａのサイズを制御することができる。回路形状を付与する工程は、レーザー加工や、ホーニング加工も有効である。

【0064】

以上の工程により、金属板３，６（または、表金属板３のみ）を備えるセラミックス回路基板１を製造することができる。さらに、セラミックス回路基板１に半導体素子７を実装することにより半導体装置１０となる。また、必要に応じ、セラミックス回路基板１に対してリードフレームやワイヤボンディングの接合を行うものとする。

【0065】

また、必要に応じ、樹脂またはゲルによるモールド工程を行うものとする。樹脂によるモールドとは、樹脂を固化して封止することである。また、ゲルによるモールドとは、ゼリー状の樹脂で封止することである。本実施形態では、樹脂によるモールドを採用するものとして説明するが、樹脂によるモールドに代え、ゲルによるモールドを採用してもよい。樹脂によりモールドされたモールド樹脂８は、半導体素子や配線を保護する役割がある。また、モールド樹脂８は表金属板同士の間、表裏金属板間の通電・放電を抑制することができる。一方、半導体素子７の高性能化に伴いジャンクション温度が高くなっている。これに伴い金属板３，６に伝わる熱量が増加している。セラミックス基板２、接合層はみ出し部４ａ、金属板３，６で熱膨張率に差がある。このため、熱膨張差による応力は接合層はみ出し部近傍で大きくなる。実施形態に係るセラミックス回路基板１は、角度∠ＢＡＣなどを制御しているため樹脂はがれを防ぐことができる。言い換えると、樹脂によりモールドされるセラミックス回路基板１に好適である。

【0066】

また、樹脂によるモールド工程で行われる方法としては、樹脂を使った方法やゲルを使った方法が挙げられる。樹脂としてはエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。また、モールド方法としては、トランスファーモールド法、コンプレッションモールド法などが挙げられる。

【0067】

（実施例）
（実施例１～１０、比較例１～４）
実施例１～１０に係るセラミックス基板２と、比較例１～４に係るセラミックス基板として、窒化珪素基板とアルジル基板を用意した。窒化珪素基板は、熱伝導率９０［Ｗ／ｍ・Ｋ］、３点曲げ強度６５０［ＭＰａ］のものを用意した。また、アルジル基板は熱伝導率２５［Ｗ／ｍ・Ｋ］、３点曲げ強度５５０［ＭＰａ］のものを用意した。
金属板として、無酸素銅板（Ｃｕ）と純アルミニウム板（Ａｌ）を用意した。また、接合ろう材として表１に示したものを用意した。

【0068】

［表１］

【0069】

ろう材をペーストにし、セラミックス基板に塗布した。その上に表金属板を配置した。接合条件を表２に示した。
上記方法により、セラミックス基板の両面にそれぞれ表金属板および裏金属板を接合した接合体を作製した。なお、セラミックス基板と金属板の縦横サイズは同じにした。
セラミックス基板、ろう材、表金属板、裏金属板の組合せは表２に示した通りである。

【0070】

［表２］

【0071】

得られた接合体を用いてエッチング工程を行った。この工程により、接合層はみ出し部の長さ、角度∠ＢＡＣを調整した。これによりセラミックス回路基板を作製した。また、表銅板と裏銅板は接合層はみ出し部長さ、角度∠ＢＡＣは同じ形状とした。

【0072】

得られたセラミックス回路基板の任意の断面をＳＥＭ観察した。ＳＥＭ写真により接合層はみ出し部の長さ、角度∠ＢＡＣを測定した。また、ナノインデンテーション法を用いて、領域Ｍ、接合層のビッカース硬度を調べた。また、ＳＥＭ－ＥＤＸを用いて割合Ｒを測定した。
その結果を表３に示した。

【0073】

［表３］

【0074】

表３から分かる通り、実施例１～１０に係るセラミックス回路基板は、接合層はみ出し部の長さが２０［μｍ］以上１５０［μｍ］以下である場合において、角度∠ＢＡＣは１１０［°］以上、３００＞Ｈｍ＞Ｈｂ、かつＨｍ／Ｈｂ＜２、割合Ｒが５［％］以上２０［％］以下の範囲内であった。

【0075】

一方、比較例１は硬さＨｍが３００を超えていた。また、比較例２は角度∠ＢＡＣが１１０［°］未満であった。また、比較例２は接合層はみ出し部の長さが２０［μｍ］未満であった。また、比較例４は割合Ｒが２０［％］を超えていた。

【0076】

また、実施例１～１０および比較例１～３は、金属板の表面は単位面積１［ｍｍ］×１［ｍｍ］において金属結晶粒子同士の３重点の数は２０個以上１５０個以下の範囲内であった。また、比較例４は単位面積１［ｍｍ］×１［ｍｍ］において金属結晶粒子同士の３重点の数は２個以上１２個以下の範囲内であった。

【0077】

次に、セラミックス回路基板のＴＣＴ特性および耐圧特性を測定した。まず、２枚の表金属板をワイヤーボンディングでショートさせた。次に、図４に示したように、表裏金属板それぞれの電位を外部で取れるようにしてトランスファーモールド法により、モールド樹脂を成形した。樹脂がモールドされたもののＴＣＴ特性を評価した。ＴＣＴ条件は、－４０［℃］×３０分→室温×１０分→２５０［℃］×３０分→室温×１０分を１サイクルとした。ＴＣＴ試験は１０００サイクルおよび３０００サイクル実施した。

【0078】

ＴＣＴ試験後、超音波探傷法（ＳＡＴ)により、金属板／セラミックス間のクラック発生に伴うはがれ率を測定した。はがれ率は金属板およびモールド樹脂の樹脂はがれの両方を含むものである。

【0079】

また、ＡＣ５０［Ｈｚ］・６０［ｓｅｃ］印加による表裏銅板間の耐電圧を評価した。耐電圧は、ＴＣＴ３０００サイクル後のサンプルを用いた。耐電評価は、電圧５００［Ｖ］の印加から評価を始めて、各電圧で耐電圧評価合格後、５００［Ｖ］のステップで上昇させた。これを絶縁破壊発生するまで実施して絶縁破壊しなかった最大電圧値を耐電圧値とした。
その結果を表４に示した。

【0080】

［表４］

【0081】

表４から分かる通り、１０００サイクル後では大きな差がつかなかったが、３０００サイクルでは大きな差が付いた。このため、実施例１～１０に係るセラミックス回路基板は樹脂モールドを具備したとしても優れた信頼性を有していることが分かった。それに対し、比較例１～４のものは、樹脂はがれが随所に確認された。

【0082】

以上説明したように、セラミックス回路基板１およびそれを用いた半導体装置１０によれば、モールド樹脂８の樹脂はがれを抑制することができる。

【0083】

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態はその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】