JP2009094264A - 回路基板、半導体モジュール、半導体モジュールの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】細長い形状のセラミックス基板が用いられる場合でも、冷熱サイクルに対する半導体モジュールの耐久性を高める。
【解決手段】この半導体モジュール１０においては、セラミックス基板２１がこのように細長い形状の場合に、その長辺において、セラミックス基板２１を金属放熱板２３よりも突き出した形状としている。ａ／ｂ比が０．２〜０．４の範囲であれば、セラミックス基板の長辺における突き出し量を１〜２ｍｍの範囲と設定することによって、冷熱サイクルに対する耐久性を高くすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体チップを搭載して動作する半導体モジュール、これに用いられる回路基板の構成、及びこの半導体モジュールの設計方法に関する。

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は、セラミックス基板上に銅からなる金属回路板等が形成された回路基板に半導体チップが接合された形態のものが用いられる。この半導体モジュールの一例の外観斜視図が図８である。この半導体モジュール８０においては、半導体チップ８１が回路基板９０上に搭載される。回路基板９０においては、セラミックス基板９１上に金属回路板９２が形成されている。この金属回路板９２上に半導体チップ８１がはんだ層８２により接合されて半導体モジュール８０が構成される。ここで、セラミックス基板９１としては絶縁性のセラミックス材料として、例えば窒化珪素セラミックス等が使用され、金属回路板９２としては、電気抵抗率が低く、熱伝導率が高い銅が使用される。金属回路板９２とセラミックス基板９１とはろう材（図示せず）を用いて７００℃以上の高温で接合される。一方、半導体チップ８１は半導体チップ８１の耐熱性が低いことから、ろう材よりも低温（４００℃以下）で接合が可能なはんだにより接合される。

金属回路板９２は、半導体チップ８１が発生した熱をセラミックス基板９１に伝達させ、放熱に寄与する。また、金属回路板９２はこの回路基板９０における配線としての役割も果たすため、図８中では矩形形状となっているが、実際には様々な形状にパターニングされている。セラミックス基板９１は放熱ベース１００に接続される。放熱ベース１００はその内部に冷却水が循環され、水冷される構造となっており、一般に、放熱ベース１００も熱伝導率の高い銅で構成される。セラミックス基板９１と放熱ベース１００との接合は一般には半導体チップ８１が搭載された後で行われるため、半導体チップ８１の接合と同様に、はんだにより行われる。

この回路基板９０（セラミックス基板９１）における上記の各構成要素の形状、構成は、図８においては単純な矩形形状になっているが、実際には様々な形状をとりうる。

これらの形状は、搭載する半導体チップ８１の構成に依存し、半導体チップ８１の形状や搭載する個数に影響する。そして、この構成が多様化することによって、様々な問題が発生する。例えば、特許文献１においては、同時に多数の箇所ではんだによる接合を行う場合に、はんだ供給量のばらつきによって接合強度のばらつきや信頼性が損なわれるという問題が指摘され、これに対処している。

この構成においては、半導体チップの電極を、半導体チップの両面から取り出すことにより、この問題点に対処している。

特開２００５−１３６０１８号公報

しかしながら、半導体チップの構成の多様化に伴う問題点ははんだ供給量のばらつきだけではない。回路基板、半導体モジュールにおける機械的強度は主にセラミックス基板で決定されるが、その形状によっては、セラミックス基板が機械的に壊れやすくなるという点も問題である。特に、セラミックス基板が細長い形状となる場合には、その長手方向において割れやすくなる。これは主に、セラミックス基板（絶縁性セラミックス）と金属放熱板、金属回路板、放熱ベース（銅）との熱膨張係数の差（窒化珪素セラミックス：３×１０^−６／Ｋ、銅：１６．７×１０^−６／Ｋ程度）に起因する。すなわち、これらの熱膨張係数の差が大きいために、熱サイクルにおいて、大きな応力が発生し、セラミックス基板が割れることがある。特に、セラミックス基板が細長い場合には、その長手方向における熱膨張の影響が大きくなるため、割れやすくなる。

従って、特にセラミックス基板が細長い場合においては、機械的強度の高い回路基板、半導体モジュールを得ることは困難であった。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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、略矩形のセラミックス基板の一方の面に銅を主成分とする金属回路板が、他方の面に銅を主成分とする金属放熱板が接合された構造を具備し、前記セラミックス基板の短辺／長辺比が０．２〜０．４の範囲である回路基板であって、前記セラミックス基板の長辺における前記セラミックス基板の前記金属放熱板からの突き出しがあり、前記セラミックス基板に発生する応力が６５０ＭＰａ以下であ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、前記セラミックス基板の前記金属放熱板からの突き出し量は１．０〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板は窒化珪素セラミックスからなることを特徴とする請求項１又は２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、前記金属回路板及び前記金属放熱板と前記セラミックス基板との接合はろう材により行われることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか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、前記ろう材はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材であることを特徴とする請求項４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、前記金属回路板及び前記金属放熱板の厚さは０．５〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回路基板に存する。
請求項７記載の発明の要旨は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回路基板が用いられた半導体モジュールであって、前記金属回路板には半導体チップが接合され、前記金属放熱板には銅を主成分とする放熱ベースが接合されることを特徴とする半導体モジュールに存する。
請求項８記載の発明の要旨は、前記半導体チップと前記金属回路板との接合、及び前記金属放熱板と前記放熱ベースとの接合ははんだにより行われることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュールに存する。
請求項９記載の発明の要旨は、前記はんだはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだであることを特徴とする請求項８に記載の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、略矩形のセラミックス基板の一方の面に銅を主成分とする金属回路板が接合され、他方の面に銅を主成分とする放熱ベースが接合され、前記金属回路板には半導体チップが接合された構造を具備し、前記セラミックス基板の短辺／長辺比が０．２〜０．４の範囲である半導体モジュールであって、前記セラミックス基板の長辺における前記セラミックス基板の前記放熱ベースからの突き出しがあり、前記セラミックス基板に発生する応力が６５０ＭＰａ以下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１１記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板の前記放熱ベースからの突き出し量は１．０〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１２記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板は窒化珪素セラミックスからなることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１３記載の発明の要旨は、前記金属回路板と前記セラミックス基板との接合はろう材により行われることを特徴とする請求項１０から請求項１２までのいずれか１項に記載の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、前記ろう材はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１５記載の発明の要旨は、前記金属回路板の厚さは０．５〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１６記載の発明の要旨は、前記半導体チップと前記金属回路板との接合、及び前記セラミックス基板と前記放熱ベースとの接合ははんだにより行われることを特徴とする請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１７記載の発明の要旨は、前記はんだはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだであることを特徴とする請求項１６に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１８記載の発明の要旨は、前記放熱ベースには、前記セラミックス基板の長辺部に沿った溝が設けられていることを特徴とする請求項１０から請求項１７までのいずれか１項に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１９記載の発明の要旨は、略矩形のセラミックス基板の両面に銅を主成分とする金属板が接合された構造を具備し、前記セラミックス基板の短辺／長辺比が０．２〜０．４の範囲である半導体モジュールの設計方法であって、前記セラミックス基板の長辺において、放熱における下流側にある前記金属板からの前記セラミックス基板の突き出し量を１．０〜２．０ｍｍの範囲とすることを特徴とする半導体モジュールの設計方法に存する。

本発明は以上のように構成されているので、細長い形状のセラミックス基板が用いられる場合でも、冷熱サイクルに対する半導体モジュールの耐久性を高めることができる。

発明者は、特にセラミックス基板が細長い構成の場合に、冷熱サイクルに際して発生する内部応力を調べた結果、その構成を限定することにより、特にセラミックス基板が割れにくくなることを知見した。以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールの上面図及び断面図である。この半導体モジュール１０においては、回路基板２０が放熱ベース３０にはんだにより接合されている。

この回路基板２０は、セラミックス基板２１の両面に金属回路板２２、金属放熱板２３が接合されて構成される。なお、実際には金属回路板２２上には半導体チップが搭載されているが、ここでは省略している。

セラミックス基板２１は電気抵抗率が大きくかつ熱伝導率が高い、例えば窒化珪素セラミックスで構成される。その厚さは例えば０．３２ｍｍとすることができ、ここでは矩形形状の板状（短辺：ａ、長辺：ｂ）であり、その縦横比（図１におけるａ／ｂ比）は０．２〜０．４となっている。すなわち、図１においては縦方向に細長い形状となっている。セラミックス基板２１の形状は、厳密な矩形形状である必要である必要はなく、ａ／ｂ比を特定できる略矩形であればよい。なお、図１では単純化して記載したためにａ／ｂ比は上記の値にはなっていない。

金属回路板２２は電気伝導度及び熱伝導率が高い銅や銅合金で形成された、銅を主成分とする金属板である。金属回路板２２はこの回路基板２０に搭載される半導体チップの配線となり、かつ半導体チップからセラミックス基板２１への放熱も行う。従って、図１中では単純な矩形の板状としてあるが、配線となるべくパターニングされている。その厚さは例えば０．１〜３．０ｍｍ程度である。ただし、電気抵抗を低くする観点からは厚い方が好ましい。

金属放熱板２３も同様に銅を主成分とする金属板である。金属放熱板２３はこの回路基板２０に搭載される半導体チップから放熱ベース３０への放熱を行う。すなわち、金属放熱板２３はこの半導体モジュール１０においては、放熱の下流側となっている。このため、金属回路板２２とは異なり、セラミックス基板２１のほぼ全面にわたり形成されるため、セラミックス基板２１と類似の矩形形状であり、その厚さは例えば０．１〜３．０ｍｍ程度である。

ボンディングワイヤ２４は金属回路板２２から外部に配線を引き出すために金属回路板２２に接合され、回路基板２０外や、あるいは回路基板２０における他の金属回路板と接続される。その接合は例えば超音波接合によって行われる。

放熱ベース３０において回路基板２０が接合された以外の面には冷却フィン（図示せず）が設置され、冷却フィンは空冷もしくは水冷にて冷却される。従って、半導体チップから発する熱は、最終的に冷却フィンにて放熱される。

金属回路板２２と金属放熱板２３は、セラミックス基板２１にろう付けによって接合される。ろう材としては、例えば銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−チタン（Ｔｉ）系の活性金属ろう材を用いることができ、７００℃以上でこれらを接合することができる。あるいは、セラミックス基板２１上にパターン化されていない板状の銅又は銅合金の板を同様にろう付けによって接合し、その後で銅又は銅合金の板をリソグラフィ、エッチングによってパターニングして図１の構造を形成してもよい。半導体チップ（図示せず）は耐熱性が低いことから、ろう材よりも低温（３００℃以下）で接合が可能なはんだにより金属回路板２２に接合される。また、金属放熱板２３と放熱ベース３０との接合は、一般に回路基板２０への半導体チップ搭載後に行われるため、低温で接合できるはんだにより行われる。このはんだとしては、例えば（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）系の材料が用いられる。

ここで、この半導体モジュール１０においては、前記の通り、セラミックス基板２１が細長い矩形形状となっている。金属放熱板２３は、セラミックス基板２１と同様の細長い矩形形状であるが、図１における長辺において、片側でセラミックス基板２１よりもｄだけ短くなっている。すなわち、図１の断面図において、セラミックス基板２１はその長辺において金属放熱板２３よりも片側でｄだけ突き出した構造となっている。

一般に、セラミックス基板に金属回路板、金属放熱板、放熱ベース（銅）が接合された構造においては、セラミックス基板（窒化珪素）と金属回路板及び金属放熱板、放熱ベース（銅）との熱膨張係数の差により、特にセラミックス基板内に大きな応力が発生し、これによってセラミックス基板が割れることがある。特に、セラミックス基板が細長い形状の場合にはその長辺の方向に沿っての熱膨張の影響が大きく出るために、その短辺に平行な断面で割れやすくなる。

この半導体モジュール１０においては、セラミックス基板２１がこのように細長い形状の場合に、その長辺において、セラミックス基板２１を金属放熱板２３よりも突き出した形状としている。これにより、セラミックス基板２１が細長い形状の場合であっても、冷熱サイクルに対する耐久性を向上させている。以下にこのメカニズムにつき説明する。

図２は、図１の構造において、ａ／ｂ＝０．２とした場合にセラミックス基板２１の突き出し量ｄを０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍと変えたときの、セラミックス基板２１において発生する最大応力を応力シミュレーションによって計算した結果である。ここで、セラミックス基板２１としては０．３２ｍｍ厚の窒化珪素、金属回路板２２は１ｍｍ厚の銅板、金属放熱板２３は１ｍｍ厚の銅板、放熱ベース３０は４ｍｍ厚の銅板とし、金属回路板２２と金属放熱板２３の形状は単純化のために同一とした。また、図１における左右方向には完全に対称な構造と仮定した。この時、銅（金属放熱板２３）パターンの端部付近に発生する応力の絶対値を主応力としてここで表示している。なお、このグラフにおける現行の構造とは、金属放熱板２３がなく、セラミックス基板２１が直接放熱ベース３０に接合された構造である。また、図２における主応力評価位置は、図１における破線矢印の方向に測定している。

この結果より、突き出し量ｄを大きくするに従ってどの箇所の主応力も低減することがわかる。従って、回路基板２０の構成を図１の通りにして、セラミックス基板２１を突き出た構成にすることにより、発生する主応力を低減させ、冷熱サイクルに際しての耐久性を高めることができる。

また、突き出し量ｄを変えた場合の、セラミックス基板２１内に発生する最大応力のａ／ｂ比依存性を計算した結果を図３に示す。ここで、ａ／ｂ比を変えた場合には、面積は一定としている。また、最大応力は、セラミックス基板２１の中央部で発生するため、この箇所での応力の絶対値を縦軸にとっている。この結果からも、突き出し量ｄを大きくとることによって、発生する最大応力を減少させることができることが確認できる。

また、金属回路板２２と金属放熱板２３の厚さは、同一とした方が、製造工程が単純になり、有利である。また、これらの厚さについては、厚さがが０．５ｍｍより薄い場合は、セラミックス基板２１との熱膨張係数の差による影響（応力の発生）は小さくなるものの、放熱性を確保することが困難である。一方、１．５ｍｍを越えるとセラミックス板と銅接合面の応力が大となり、信頼性が確保できない。

このように、この半導体モジュール１０においては、細長いセラミックス基板２１が用いられる場合に、図１に示されるように、セラミックス基板２１をその長辺において突き出た構造とすることによって冷熱サイクルに対するその耐久性を高めることができる。

以上の結果より、突き出し量ｄを大きくすることによって発生する応力を低減することができるが、この主応力の絶対値がセラミックス基板２１の３点曲げ強度を超える場合、セラミックス基板２１にクラックが発生する。この３点曲げ強度δは、図２の結果が得られた構造においては、δ＝（３ＰＬ_ｓ）／（２ｗｔ^２）（ここで、Ｐは破壊荷重，Ｌ_ｓは支持間距離，ｗは試験片の幅，ｔは試験片の厚さ）から算出され、７５０ＭＰａであった。ここでは、実際の回路基板におけるばらつき等を考慮して、この応力の臨界値を６５０ＭＰａとする。この場合、主応力の絶対値をこの臨界値（６５０ＭＰａ）以下とするためには、ｄの値は１ｍｍ以上となる。すなわち、突き出し量ｄを１ｍｍ以上とすることによって、特にこの回路基板及び半導体モジュールの冷熱サイクルに対する耐久性を高めることができる。一方、ｄが大きくなると、冷熱サイクルに対する耐久性が高くなる反面、取り扱い時に割れやすくなることは明らかである。従って、ｄの上限は２ｍｍ程度とすることが好ましい。

また、ａ／ｂ比の値は、０．２〜０．４の範囲とすることが好ましい。図３の結果から、ａ／ｂ比が０．２未満と極めて小さな（極めて細長い）場合には、突き出し量ｄを２ｍｍより大きくしても、最大応力が６００ＭＰａ以上と大きくなるため、効果が不充分である。また、ａ／ｂが０．４よりも大きく、正方形に近い形状の場合には、突き出し量ｄが０であってもそもそも最大応力が６００ＭＰａよりも大きくならず、冷熱サイクルに対する耐久性が高い。すなわち、上記の効果は小さくなる。

従って、搭載する半導体チップの構成により、細長いセラミックス基板を用いる必要がある場合には、ａ／ｂ比が０．２〜０．４の範囲であれば、セラミックス基板の長辺における突き出し量を１〜２ｍｍの範囲と設定することによって、特に冷熱サイクルに対する耐久性を高くすることができる。

なお、上記の構造においては、セラミックス基板２１が矩形形状であり、その長辺における突き出し量について規定した。短辺の方向における熱膨張の影響は長辺の方向よりも小さいため、長辺と垂直な短辺における突き出し量の影響は長辺と比べて無視できる。従って、取り扱い時の欠け等を考慮すると、短辺の突き出し量は小さくすることが好ましい。

なお、前記の例では、セラミックス基板２１として窒化珪素セラミックスを用いた例につき記載したが、窒化珪素（熱膨張係数：３×１０^−６／Ｋ）と同様に、金属放熱板や放熱ベースの構成要素である銅（熱膨張係数：１６．７×１０^−６／Ｋ）との熱膨張係数の差が大きな材料、例えばアルミナ（熱膨張係数：７×１０^−６／Ｋ）、窒化アルミニウム（熱膨張係数：５×１０^−６／Ｋ）等が用いられる場合についても同様である。また、金属放熱板や放熱ベースの材料として、銅と同様に熱伝導率及び電気伝導度が高く、熱膨張係数が大きな（２３×１０^−６／Ｋ）アルミニウムが用いられる場合でも同様である。

また、前記の例では金属放熱板が用いられ、セラミックス基板を金属放熱板から突き出した構造をとった例について記載したが、金属放熱板を省略した構造の半導体モジュールにおいても同様の構造をとることによって同様の効果を得ることができる。すなわち、セラミックス基板を直接放熱ベースにはんだ付けし、放熱ベースの形状に段差を設けることによって、セラミックス基板を放熱ベースから突き出した構造として、同様の効果を得ることもできる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態における半導体モジュールにおいては、金属放熱板を使用せず、実質的に図１と同様の構造を実現する。この半導体モジュール４０の外観斜視図を図４に、断面図を図５に示す。

この半導体モジュール４０においても、セラミックス基板５１上に金属回路板５２が接合され、その上に半導体チップ（図示せず）が接合される。この半導体モジュール４０における特徴は、金属放熱板が用いられることなく、セラミックス基板５１が直接放熱ベース６０に接合されるが、放熱ベース６０の表面には溝６１が形成されている。セラミックス基板５１、金属回路板５２、放熱ベース６０については第１の実施の形態と同様であるが、ここでは金属放熱板が用いられておらず、代わりに放熱ベース６０に溝６１が形成されている。

この溝６１は、図５に示されるように、セラミックス基板５１の周辺部に沿って形成されている。これにより、金属放熱板を用いずに、実質的に第１の実施の形態と同様の構造を実現している。これにより、同様に、冷熱サイクルに対する耐久性を高めることができる。

この半導体モジュール４０を製造するに際しては、金属放熱板が用いられないために、第１の実施の形態と比べて接合工程の数が少なくなる。その代わりに、放熱ベース６０に溝６１を形成する工程が必要になる。この溝６１は、例えばプレス加工により形成することができる。また、プレス加工以外にも、加工機による溝加工や、または湿式エッチングにより形成する方法を用いることができる。

なお、図５においては、溝６１はセラミックス基板５１の短辺に沿っても溝６１が形成されているが、長辺に沿った方向のみに溝を形成してもよい。

（実施例）
第１の実施の形態に係る半導体モジュール（実施例）と、従来の構造の半導体モジュール（比較例）を作成し、冷熱サイクル試験を行った。ここで、比較例としては、ａ／ｂ比が２種類のものを作成した。

どの試料においても、用いられたセラミックス基板は０．３ｍｍ厚の窒化珪素セラミックス、金属回路板は１ｍｍ厚の銅、金属放熱板は１ｍｍ厚の銅である。放熱ベースは４ｍｍ厚の銅である。単純化するために、半導体チップは接合しておらず、ワイヤーボンディングも施していない。金属回路板と金属放熱板の形状は同様とした。金属回路板及び金属放熱板とセラミックス基板との接合はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いて８００℃で行った。金属放熱板と放熱ベースとの接合はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いて２４０℃で行った。

実施例は、これらを用いて、ａ／ｂ＝０．３セラミックス基板の突き出し量ｄ＝１ｍｍとした半導体モジュールとした。比較例１は、ａ／ｂ＝０．２１、比較例２はａ／ｂ＝０．６５とし、共にｄ＝０とした。なお、比較例においては、金属放熱板は用いず、セラミックス基板を直接放熱ベースに接合した。印加した冷熱サイクルは、１５０℃〜−５５℃の間を１周期６０ｍｉｎで１００サイクルとした。

図６（ａ）（ｂ）は冷熱サイクル後の比較例１、２の外観写真である。ａ／ｂ比が０．２１である比較例１においては多数のクラックが生じている。このクラックはセラミックス基板のクラックに起因する。一方、ａ／ｂ比が０．６５である比較例２は、クラックが生じていない。これは、セラミックス基板（回路基板）が細長い場合にクラックが特に生じやすくなっていることを示す。

図７は、冷熱サイクル後の実施例の外観写真である。ａ／ｂ比は０．２１と比較例１と同等であるにも関わらず、クラックは全く発生していない。従って、実施例においては、回路基板が細長い場合であっても、クラックを生じにくくなっていることが確認された。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールの上面図及び断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールにおける突き出し量ｄを変えた際の最大応力の分布を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールにおける突き出し量ｄを変えた際の最大応力のａ／ｂ比依存性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールの外観斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。 比較例の冷熱サイクル印加後の外観写真である。 本発明の実施例の冷熱サイクル印加後の外観写真である。 従来の半導体モジュールの一例の外観斜視図である。

符号の説明

１０、４０、８０ 半導体モジュール
２０、９０ 回路基板
２１、５１、９１ セラミックス基板
２２、５２、９２ 金属回路板
２３ 金属放熱板
２４ ボンディングワイヤ
３０、６０、１００ 放熱ベース
６１ 溝
８１ 半導体チップ
８２ はんだ層

Claims (19)

1. 略矩形のセラミックス基板の一方の面に銅を主成分とする金属回路板が、他方の面に銅を主成分とする金属放熱板が接合された構造を具備し、前記セラミックス基板の短辺／長辺比が０．２〜０．４の範囲である回路基板であって、
   前記セラミックス基板の長辺における前記セラミックス基板の前記金属放熱板からの突き出しがあり、前記セラミックス基板に発生する応力が６５０ＭＰａ以下であることを特徴とする回路基板。
2. 前記セラミックス基板の前記金属放熱板からの突き出し量は１．０〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記セラミックス基板は窒化珪素セラミックスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の回路基板。
4. 前記金属回路板及び前記金属放熱板と前記セラミックス基板との接合はろう材により行われることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回路基板。
5. 前記ろう材はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材であることを特徴とする請求項４に記載の回路基板。
6. 前記金属回路板及び前記金属放熱板の厚さは０．５〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回路基板。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回路基板が用いられた半導体モジュールであって、
   前記金属回路板には半導体チップが接合され、
   前記金属放熱板には銅を主成分とする放熱ベースが接合されることを特徴とする半導体モジュール。
8. 前記半導体チップと前記金属回路板との接合、及び前記金属放熱板と前記放熱ベースとの接合ははんだにより行われることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。
9. 前記はんだはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだであることを特徴とする請求項８に記載の半導体モジュール。
10. 略矩形のセラミックス基板の一方の面に銅を主成分とする金属回路板が接合され、他方の面に銅を主成分とする放熱ベースが接合され、前記金属回路板には半導体チップが接合された構造を具備し、前記セラミックス基板の短辺／長辺比が０．２〜０．４の範囲である半導体モジュールであって、
    前記セラミックス基板の長辺における前記セラミックス基板の前記放熱ベースからの突き出しがあり、前記セラミックス基板に発生する応力が６５０ＭＰａ以下であることを特徴とする半導体モジュール。
11. 前記セラミックス基板の前記放熱ベースからの突き出し量は１．０〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体モジュール。
12. 前記セラミックス基板は窒化珪素セラミックスからなることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体モジュール。
13. 前記金属回路板と前記セラミックス基板との接合はろう材により行われることを特徴とする請求項１０から請求項１２までのいずれか１項に記載の半導体モジュール。
14. 前記ろう材はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体モジュール。
15. 前記金属回路板の厚さは０．５〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載の半導体モジュール。
16. 前記半導体チップと前記金属回路板との接合、及び前記セラミックス基板と前記放熱ベースとの接合ははんだにより行われることを特徴とする請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載の半導体モジュール。
17. 前記はんだはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだであることを特徴とする請求項１６に記載の半導体モジュール。
18. 前記放熱ベースには、前記セラミックス基板の長辺部に沿った溝が設けられていることを特徴とする請求項１０から請求項１７までのいずれか１項に記載の半導体モジュール。
19. 略矩形のセラミックス基板の両面に銅を主成分とする金属板が接合された構造を具備し、前記セラミックス基板の短辺／長辺比が０．２〜０．４の範囲である半導体モジュールの設計方法であって、
    前記セラミックス基板の長辺において、放熱における下流側にある前記金属板からの前記セラミックス基板の突き出し量を１．０〜２．０ｍｍの範囲とすることを特徴とする半導体モジュールの設計方法。