JPH09194254A - 半導体装置用基板 - Google Patents
半導体装置用基板Info
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- JPH09194254A JPH09194254A JP8005466A JP546696A JPH09194254A JP H09194254 A JPH09194254 A JP H09194254A JP 8005466 A JP8005466 A JP 8005466A JP 546696 A JP546696 A JP 546696A JP H09194254 A JPH09194254 A JP H09194254A
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- silicon carbide
- alumina
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10W90/00—Package configurations
- H10W90/701—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts
- H10W90/751—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires
- H10W90/754—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires between a chip and a stacked insulating package substrate, interposer or RDL
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】高強度、高熱伝導率化したパワー半導体モジュ
ール用絶縁基板を提供する。 【解決手段】アルミナに５〜３０質量％の炭化ケイ素を
添加し、更にアルミナと炭化ケイ素の全量に対して０〜
１０％のイットリア等の焼結助剤を加えてセラミックス
基板を作製する。機械的強度が、１０〜５６％増大す
る。またこのとき、熱伝導率も１５〜１８０％向上す
る。従って、セラミックス基板を薄型化することによっ
て、大幅に通電耐量が増し、例えば３０質量％の炭化ケ
イ素を添加した実施例では４倍になった。
ール用絶縁基板を提供する。 【解決手段】アルミナに５〜３０質量％の炭化ケイ素を
添加し、更にアルミナと炭化ケイ素の全量に対して０〜
１０％のイットリア等の焼結助剤を加えてセラミックス
基板を作製する。機械的強度が、１０〜５６％増大す
る。またこのとき、熱伝導率も１５〜１８０％向上す
る。従って、セラミックス基板を薄型化することによっ
て、大幅に通電耐量が増し、例えば３０質量％の炭化ケ
イ素を添加した実施例では４倍になった。
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、パワートランジス
タモジュールなどにおいて半導体チップを半田付け等に
より搭載する半導体装置用の絶縁基板に関し、特にセラ
ミックス基板に箔状の銅板を直接接合したＣＢＣ基板(C
eramic Bonding Copper Substrate)に関する。
タモジュールなどにおいて半導体チップを半田付け等に
より搭載する半導体装置用の絶縁基板に関し、特にセラ
ミックス基板に箔状の銅板を直接接合したＣＢＣ基板(C
eramic Bonding Copper Substrate)に関する。
【従来の技術】まず、セラミックス基板に銅板を直接接
合したＣＢＣ基板を用いたパワートランジスタモジュー
ルの例の断面を図３に示す。図３において、パワートラ
ンジスタモジュールは、放熱金属ベース１上に半田等で
固着されたＣＢＣ基板２と、この上にマウントされたＩ
ＧＢＴ等の半導体チップ３と、屈曲先端部がＣＢＣ基板
２の表面銅板２ｃの回路パターンに半田接続された外部
導出端子４と、複数の外部導出端子４を相互固定する端
子ブロック７と、半導体チップ３と外部導出端子４の屈
曲先端部が固着した回路パターンとを接続するボンディ
ングワイヤ５と、放熱金属ベース１と樹脂ケース６を接
着剤等で固着し、その内部空間に充填されたゲル状樹脂
９と、樹脂ケース６を閉蓋する封止樹脂８とを有してい
る。ここで、ＣＢＣ基板２は、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）
あるいは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック
ス基板（絶縁芯板）２ａに対し、その表裏両面に箔状の
薄い銅板２ｂ、２ｃを、銅と微量の酸素の反応で生成す
るＣｕ−Ｏ共晶液相を接合剤として用いて接合する方法
により直接接合したものである。主面側（表面側）の銅
板２ｃに回路パターン（厚膜回路パターン）が形成され
ており、そこに半導体チップ３がダイボンディングされ
ている。
合したＣＢＣ基板を用いたパワートランジスタモジュー
ルの例の断面を図３に示す。図３において、パワートラ
ンジスタモジュールは、放熱金属ベース１上に半田等で
固着されたＣＢＣ基板２と、この上にマウントされたＩ
ＧＢＴ等の半導体チップ３と、屈曲先端部がＣＢＣ基板
２の表面銅板２ｃの回路パターンに半田接続された外部
導出端子４と、複数の外部導出端子４を相互固定する端
子ブロック７と、半導体チップ３と外部導出端子４の屈
曲先端部が固着した回路パターンとを接続するボンディ
ングワイヤ５と、放熱金属ベース１と樹脂ケース６を接
着剤等で固着し、その内部空間に充填されたゲル状樹脂
９と、樹脂ケース６を閉蓋する封止樹脂８とを有してい
る。ここで、ＣＢＣ基板２は、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）
あるいは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック
ス基板（絶縁芯板）２ａに対し、その表裏両面に箔状の
薄い銅板２ｂ、２ｃを、銅と微量の酸素の反応で生成す
るＣｕ−Ｏ共晶液相を接合剤として用いて接合する方法
により直接接合したものである。主面側（表面側）の銅
板２ｃに回路パターン（厚膜回路パターン）が形成され
ており、そこに半導体チップ３がダイボンディングされ
ている。
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なＣＢＣ基板をパワートランジスタモジュールなどのパ
ワー半導体チップを搭載する厚膜回路基板として用いた
場合、次のような問題点がある。すなわち、パワートラ
ンジスタなどの半導体チップでは、通電動作に伴い多量
の熱を発生し、その熱がＣＢＣ基板２を介して放熱金属
ベース１に伝導した後に、放熱金属ベース１より外部に
放熱されるようになっているため、ＣＢＣ基板２の熱伝
導性の良否が半導体装置自体の電流容量を左右する重要
な要因となっている。しかしながら、ＣＢＣ基板２はセ
ラミックス基板２ａを絶縁基材（芯材）として、これに
銅板２ｂ、２ｃを張り合わせた積層構造であるために、
熱伝導性が比較的低い。ここで、セラミックス基板２ａ
の材質として用いているアルミナと窒化アルニウムの熱
伝導率は次の通りである。 アルミナ： ２１Ｗ／（Ｋ・ｍ） 窒化アルミニウム： １８０Ｗ／（Ｋ・ｍ） 窒化アルミニウムのほうがアルミナに比べて熱伝導性が
はるかに優れているものの、窒化アルミニウムはアルミ
ナに比べて材料コストが高いという欠点がある。かかる
状況において、本発明者は、材料費の安いアルミナを用
いて作製されたセラミックス基板に対し、放熱性を高め
るために基板の板厚を極力薄くして伝熱抵抗を小さく抑
えることを試みた。しかしながら、アルミナ原料のセラ
ミックス基板の板厚を例えば０．３ｍｍ程度まで薄くす
ると、基板の実強度（衝撃に対する抵抗性）が低下し、
これが基で半導体チップ（シリコン）３と銅板２ｃとの
接合固着時に、各材料の熱膨張係数差に起因する熱応力
によって、薄板化したセラミックス基板２ａにクラック
や割れ等の不良を引き起こすことが明らかになった。な
お、上記各材料の熱膨張係数を列記すると次の通りであ
る。 シリコン（半導体チップ）： ４．０×１０-6／Ｋ アルミナ： ７．５×１０-6／Ｋ 銅： １８．０×１０-6／Ｋ 本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであって、原
料費の安価なアルミナ粉体を主材としたセラミックス基
板に関し、その材料組成を改良することにより、素材の
熱伝導率と機械的強度を高め、これにより基板自身の薄
板化と併せて放熱性の改善が図れるようにした半導体装
置用基板を提供することを目的とする。
なＣＢＣ基板をパワートランジスタモジュールなどのパ
ワー半導体チップを搭載する厚膜回路基板として用いた
場合、次のような問題点がある。すなわち、パワートラ
ンジスタなどの半導体チップでは、通電動作に伴い多量
の熱を発生し、その熱がＣＢＣ基板２を介して放熱金属
ベース１に伝導した後に、放熱金属ベース１より外部に
放熱されるようになっているため、ＣＢＣ基板２の熱伝
導性の良否が半導体装置自体の電流容量を左右する重要
な要因となっている。しかしながら、ＣＢＣ基板２はセ
ラミックス基板２ａを絶縁基材（芯材）として、これに
銅板２ｂ、２ｃを張り合わせた積層構造であるために、
熱伝導性が比較的低い。ここで、セラミックス基板２ａ
の材質として用いているアルミナと窒化アルニウムの熱
伝導率は次の通りである。 アルミナ： ２１Ｗ／（Ｋ・ｍ） 窒化アルミニウム： １８０Ｗ／（Ｋ・ｍ） 窒化アルミニウムのほうがアルミナに比べて熱伝導性が
はるかに優れているものの、窒化アルミニウムはアルミ
ナに比べて材料コストが高いという欠点がある。かかる
状況において、本発明者は、材料費の安いアルミナを用
いて作製されたセラミックス基板に対し、放熱性を高め
るために基板の板厚を極力薄くして伝熱抵抗を小さく抑
えることを試みた。しかしながら、アルミナ原料のセラ
ミックス基板の板厚を例えば０．３ｍｍ程度まで薄くす
ると、基板の実強度（衝撃に対する抵抗性）が低下し、
これが基で半導体チップ（シリコン）３と銅板２ｃとの
接合固着時に、各材料の熱膨張係数差に起因する熱応力
によって、薄板化したセラミックス基板２ａにクラック
や割れ等の不良を引き起こすことが明らかになった。な
お、上記各材料の熱膨張係数を列記すると次の通りであ
る。 シリコン（半導体チップ）： ４．０×１０-6／Ｋ アルミナ： ７．５×１０-6／Ｋ 銅： １８．０×１０-6／Ｋ 本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであって、原
料費の安価なアルミナ粉体を主材としたセラミックス基
板に関し、その材料組成を改良することにより、素材の
熱伝導率と機械的強度を高め、これにより基板自身の薄
板化と併せて放熱性の改善が図れるようにした半導体装
置用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】上記課題を解決するため
に、本発明に係る半導体装置用のセラミックス基板は、
アルミナを主成分として、これに炭化ケイ素を添加して
作製したセラミックス焼結体よりなることを特徴とす
る。そのような半導体装置用基板は、アルミナ単体のセ
ラミックス基板に比べて熱伝導率が向上し、機械的強
度、特に曲げ強度が大幅に高まる。ここで、アルミナの
質量比は７０％以上９５％以下の範囲、炭化ケイ素の質
量比は５％以上３０％以下の範囲にあることが望まし
い。そのような範囲とすることにより、熱伝導率、機械
的強度だけでなく、体積固有抵抗率が大きく保たれる。
更に、イットリア、カルシア、マグネシア、セリア、酸
化マンガンおよびシリカのうちの少なくとも一種類を
０．５〜１０％含有するものとする。この範囲のこれら
の添加剤により、アルミナに分散している炭化ケイ素の
焼結が促進するため、セラミックス基板の焼成温度を低
めに抑えることができ、かつ、強度の優れたアルミナ基
板が得られる。表裏面に箔状の銅板を接合してなる、特
に、回路構成した箔状の銅板を直接接合してなる半導体
装置用基板がよい。そのようにすれば、基板自身を薄型
化することで、半導体装置の基板として放熱性に優れた
ＣＢＣ基板となる。
に、本発明に係る半導体装置用のセラミックス基板は、
アルミナを主成分として、これに炭化ケイ素を添加して
作製したセラミックス焼結体よりなることを特徴とす
る。そのような半導体装置用基板は、アルミナ単体のセ
ラミックス基板に比べて熱伝導率が向上し、機械的強
度、特に曲げ強度が大幅に高まる。ここで、アルミナの
質量比は７０％以上９５％以下の範囲、炭化ケイ素の質
量比は５％以上３０％以下の範囲にあることが望まし
い。そのような範囲とすることにより、熱伝導率、機械
的強度だけでなく、体積固有抵抗率が大きく保たれる。
更に、イットリア、カルシア、マグネシア、セリア、酸
化マンガンおよびシリカのうちの少なくとも一種類を
０．５〜１０％含有するものとする。この範囲のこれら
の添加剤により、アルミナに分散している炭化ケイ素の
焼結が促進するため、セラミックス基板の焼成温度を低
めに抑えることができ、かつ、強度の優れたアルミナ基
板が得られる。表裏面に箔状の銅板を接合してなる、特
に、回路構成した箔状の銅板を直接接合してなる半導体
装置用基板がよい。そのようにすれば、基板自身を薄型
化することで、半導体装置の基板として放熱性に優れた
ＣＢＣ基板となる。
【発明の実施の形態】以下図面を参照しながら本発明の
実施例について説明する。なお以下に示す混合比は、質
量％で表したが、重量％でも同じである。最初に、セラ
ミックス基板の製造方法を説明する。まず、アルミナ
（Ａｌ2 Ｏ3 ）〔例えば住友化学製Ａｌ−Ｍ４３〕に平
均粒径０．４〜０．５μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）〔例
えば昭和電工製〕と焼結助剤としてイットリア（Ｙ2 Ｏ
3 ）〔例えば信越化学製９９．９％のもの〕などを添加
して粉砕混合し、さらにバインダーとしてポリビニルブ
チラール（以下ＰＶＢ）を８％、溶剤としてトルエン、
キシレン混合液を５０％、可塑剤としてフタル酸ジオク
チル（ＤＯＰ）を２％添加して約２０時間混練した後、
ドクターブレード法によりシート状に成形してグリーン
シートを得る。次に、そのグリーンシートをプレス加工
により所定の形状に形抜きした後、酸化雰囲気中で７０
０℃に昇温加熱し、成形体中のバインダーを除去した。
更に、その成形体を、常圧の窒素あるいは窒素を含むア
ルゴンの不活性雰囲気中で、温度１５５０℃〜１７５０
で焼成し、板厚約０．３ｍｍのセラミックス基板の焼結
体を得る。 〔実験１〕上記のようにアルミナに炭化ケイ素を添加し
て作製したセラミックス基板の機械的特性を評価するた
めに、炭化ケイ素の添加量を０から５０％の範囲で、前
記の方法で試験片（板厚０．３ｍｍ、幅２６ｍｍ、長さ
５０ｍｍ）を作製し、この試験片について曲げ強度試験
を行った。尚、それぞれの組成で焼結助剤としてイット
リアをアルミナと炭化ケイ素の全量に対し５％添加し
た。図１に、この強度試験結果を示す。横軸は炭化ケイ
素添加量〔＝炭化ケイ素／（アルミナ＋炭化ケイ
素）〕、縦軸は曲げ強度である。図からわかるように炭
化ケイ素の添加量が増すほど、機械的強度はアルミナ単
体（炭化ケイ素添加量＝０％）のセラミックス基板（強
度約３２０ＭＰａ）より増大し、最大では、約５１０Ｍ
Ｐａにも向上することが認められた。最大強度組成は約
４０％である。炭化ケイ素添加量の５〜３０％に対して
は、機械的強度の増大分は約１０〜５６％である。ま
た、炭化ケイ素添加量を３０％としたセラミックス基板
の試験片とアルミナ単体で作成した同寸法の試験片につ
いて、支点間距離４０ｍｍでの曲げ試験時のの最大たわ
み量を調べたところ、アルミナ単体の試験片でのたわみ
量が０．３５ｍｍであるのに対し、炭化ケイ素添加の試
験片では、０．５ｍｍであった。従って、炭化ケイ素を
添加することによって、強度が向上するだけでなく、弾
性も備えた強靱なセラミックス基板になることがわか
る。炭化ケイ素添加量が４０％を越す範囲では、強度が
急激に低下している。これは炭化ケイ素添加量が４０％
を越すと、焼結性が低下し緻密な焼結体とならないため
である。炭化ケイ素添加量が４０％以上では、嵩密度の
測定においても密度の低下が認められ、焼結不足が確認
されている。一方、これらの試験片について熱伝導率を
調べた結果を、図２に示す。横軸は同じく炭化ケイ素添
加量、縦軸は熱伝導率である。図から、炭化ケイ素の添
加量の増加とともに、熱伝導率が向上することが認めら
れる。最高熱伝導率は、炭化ケイ素４０％において、熱
伝導率が、７３Ｗ／（Ｋ・ｍ）であった。炭化ケイ素添
加量の５〜３０％に対しては、熱伝導率の増大分は約１
５〜１８０％である。また炭化ケイ素が４０％以上で
は、熱伝導率が急激に低下している。これは上述の強度
と同じく、炭化ケイ素が４０％以上になると、焼結性が
低下し緻密な焼結体とならないためである。従って、セ
ラミックス基板の材料組成として、アルミナに炭化ケイ
素を添加することにより、アルミナだけのセラミックス
基板より機械的強度が向上するだけでなく、伝熱性にお
いても高熱伝導率を得ることができることがわかった。
更に、アルミナに炭化ケイ素を０〜５０％添加して機械
的特性を評価するために作製したセラミックス基板の試
験片（板厚０．３ｍｍ）を用いて、その体積固有抵抗率
を測定した。その結果、体積固有抵抗率は炭化ケイ素添
加量が増すにつれて、低下するが、３０％以下の添加量
では１０14Ω・ｍ以上であり、実用的に問題のない値で
あった。これらの機械的強度、熱伝導率および絶縁性の
結果から、炭化ケイ素を添加したアルミナのセラミック
ス基板としては、炭化ケイ素の添加量が、５〜３０％で
あることが総合的に望ましいことがわかった。なお、前
記の材料組成で添加した５％のイットリアは、アルミ
ナ、炭化ケイ素の焼結助剤として添加したものであった
が、実験の結果、添加量の範囲としては、０．５〜１０
％の範囲に定めるのが良いことがわかった。すなわち、
イットリアの添加量が０．５％未満であると、焼結が進
行し難くなり、基板の焼結に１７５０℃以上の加熱温度
が必要となって、基板の製造が困難となる。また、添加
量を１０％超過にすると、セラミックス基板の収縮率，
強度に大きなばらつきが生じるようになる。なお、イッ
トリア以外に、カルシア、マグネシア、セリア、酸化マ
ンガンおよびシリカのうち、一種類または複数種類添加
しても同様の焼結としての効果が得られることが確認さ
れている。 〔実施例１〕炭化ケイ素添加量を３０％とした素材か
ら、先に述べた方法でセラミックス基板（板厚０．３ｍ
ｍ）を作製し、その炭化ケイ素添加のセラミックス基板
の表裏両面に板厚０．３ｍｍのタフピッチ電解銅を重ね
合わせ、温度１０５０〜１０７０℃の窒素雰囲気中で１
０分間加熱し、セラミックス基板と銅板を直接接合して
ＣＢＣ基板を作製した。得られたＣＢＣ基板を用いて図
３に断面を示したようなトランジスタモジュールを組立
てた。また比較例として、別途、板厚０．６３ｍｍ、
０．３ｍｍのアルミナ単体のアルミナ基板で作製したＣ
ＢＣ基板を用いて同様なトランジスタモジュールを組立
て、これらに対して機械的な変形耐性試験および断続通
電試験を行った。まず、変形耐性試験では放熱金属ベー
スに外力を加えて強制的な変形を与え、基板の絶縁不良
に至るまでの変形量を調べた。この結果、アルミナに炭
化ケイ素を添加したセラミックス基板（板厚０．３ｍ
ｍ）と板厚０．６３ｍｍのアルミナ単体のアルミナ基板
とでは殆ど同等な耐性を示したが、板厚０．３ｍｍのア
ルミナ基板は、約半分の変形量で絶縁不良となることが
わかった。つまり、アルミナに炭化ケイ素を適量添加す
ることにより、実用的にはセラミックス基板の板厚を約
１／２まで薄くすることが可能であることが実証され
た。また、断続通電試験では、炭化ケイ素添加のセラミ
ックス基板（板厚０．３ｍｍ）は、板厚０．６３ｍｍの
アルミナ基板と比べて、同一のコレクタ損失を与えたと
きの半導体チップを接合した銅板（２ｃ）部分での温度
上昇ΔＴｊが約４０％低減し、断続通電耐量が４倍に向
上することが認められた。このことからわかるように、
アルミナに炭化ケイ素を添加したセラミックス基板は、
アルミナ単体の基板と比べて機械的特性に優れており、
基板自身の熱伝導性の向上と薄板化とにより、放熱性の
高い半導体装置用基板として使用可能なことがわかっ
た。なお、上記の実施例では、セラミックス基板の板厚
を０．３ｍｍとしたが、シート成形法によれば、板厚
０．０５〜１ｍｍの基板を形成することができる。また
原料粉にポリビニルアルコールＰＶＡ等の結合材を添加
し、湿式混合後、スプレードライヤーで乾燥造粒すれ
ば、その造粒粉を用いてプレス成形することにより、板
厚１ｍｍ以上の基板を形成することも可能である。
実施例について説明する。なお以下に示す混合比は、質
量％で表したが、重量％でも同じである。最初に、セラ
ミックス基板の製造方法を説明する。まず、アルミナ
（Ａｌ2 Ｏ3 ）〔例えば住友化学製Ａｌ−Ｍ４３〕に平
均粒径０．４〜０．５μｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）〔例
えば昭和電工製〕と焼結助剤としてイットリア（Ｙ2 Ｏ
3 ）〔例えば信越化学製９９．９％のもの〕などを添加
して粉砕混合し、さらにバインダーとしてポリビニルブ
チラール（以下ＰＶＢ）を８％、溶剤としてトルエン、
キシレン混合液を５０％、可塑剤としてフタル酸ジオク
チル（ＤＯＰ）を２％添加して約２０時間混練した後、
ドクターブレード法によりシート状に成形してグリーン
シートを得る。次に、そのグリーンシートをプレス加工
により所定の形状に形抜きした後、酸化雰囲気中で７０
０℃に昇温加熱し、成形体中のバインダーを除去した。
更に、その成形体を、常圧の窒素あるいは窒素を含むア
ルゴンの不活性雰囲気中で、温度１５５０℃〜１７５０
で焼成し、板厚約０．３ｍｍのセラミックス基板の焼結
体を得る。 〔実験１〕上記のようにアルミナに炭化ケイ素を添加し
て作製したセラミックス基板の機械的特性を評価するた
めに、炭化ケイ素の添加量を０から５０％の範囲で、前
記の方法で試験片（板厚０．３ｍｍ、幅２６ｍｍ、長さ
５０ｍｍ）を作製し、この試験片について曲げ強度試験
を行った。尚、それぞれの組成で焼結助剤としてイット
リアをアルミナと炭化ケイ素の全量に対し５％添加し
た。図１に、この強度試験結果を示す。横軸は炭化ケイ
素添加量〔＝炭化ケイ素／（アルミナ＋炭化ケイ
素）〕、縦軸は曲げ強度である。図からわかるように炭
化ケイ素の添加量が増すほど、機械的強度はアルミナ単
体（炭化ケイ素添加量＝０％）のセラミックス基板（強
度約３２０ＭＰａ）より増大し、最大では、約５１０Ｍ
Ｐａにも向上することが認められた。最大強度組成は約
４０％である。炭化ケイ素添加量の５〜３０％に対して
は、機械的強度の増大分は約１０〜５６％である。ま
た、炭化ケイ素添加量を３０％としたセラミックス基板
の試験片とアルミナ単体で作成した同寸法の試験片につ
いて、支点間距離４０ｍｍでの曲げ試験時のの最大たわ
み量を調べたところ、アルミナ単体の試験片でのたわみ
量が０．３５ｍｍであるのに対し、炭化ケイ素添加の試
験片では、０．５ｍｍであった。従って、炭化ケイ素を
添加することによって、強度が向上するだけでなく、弾
性も備えた強靱なセラミックス基板になることがわか
る。炭化ケイ素添加量が４０％を越す範囲では、強度が
急激に低下している。これは炭化ケイ素添加量が４０％
を越すと、焼結性が低下し緻密な焼結体とならないため
である。炭化ケイ素添加量が４０％以上では、嵩密度の
測定においても密度の低下が認められ、焼結不足が確認
されている。一方、これらの試験片について熱伝導率を
調べた結果を、図２に示す。横軸は同じく炭化ケイ素添
加量、縦軸は熱伝導率である。図から、炭化ケイ素の添
加量の増加とともに、熱伝導率が向上することが認めら
れる。最高熱伝導率は、炭化ケイ素４０％において、熱
伝導率が、７３Ｗ／（Ｋ・ｍ）であった。炭化ケイ素添
加量の５〜３０％に対しては、熱伝導率の増大分は約１
５〜１８０％である。また炭化ケイ素が４０％以上で
は、熱伝導率が急激に低下している。これは上述の強度
と同じく、炭化ケイ素が４０％以上になると、焼結性が
低下し緻密な焼結体とならないためである。従って、セ
ラミックス基板の材料組成として、アルミナに炭化ケイ
素を添加することにより、アルミナだけのセラミックス
基板より機械的強度が向上するだけでなく、伝熱性にお
いても高熱伝導率を得ることができることがわかった。
更に、アルミナに炭化ケイ素を０〜５０％添加して機械
的特性を評価するために作製したセラミックス基板の試
験片（板厚０．３ｍｍ）を用いて、その体積固有抵抗率
を測定した。その結果、体積固有抵抗率は炭化ケイ素添
加量が増すにつれて、低下するが、３０％以下の添加量
では１０14Ω・ｍ以上であり、実用的に問題のない値で
あった。これらの機械的強度、熱伝導率および絶縁性の
結果から、炭化ケイ素を添加したアルミナのセラミック
ス基板としては、炭化ケイ素の添加量が、５〜３０％で
あることが総合的に望ましいことがわかった。なお、前
記の材料組成で添加した５％のイットリアは、アルミ
ナ、炭化ケイ素の焼結助剤として添加したものであった
が、実験の結果、添加量の範囲としては、０．５〜１０
％の範囲に定めるのが良いことがわかった。すなわち、
イットリアの添加量が０．５％未満であると、焼結が進
行し難くなり、基板の焼結に１７５０℃以上の加熱温度
が必要となって、基板の製造が困難となる。また、添加
量を１０％超過にすると、セラミックス基板の収縮率，
強度に大きなばらつきが生じるようになる。なお、イッ
トリア以外に、カルシア、マグネシア、セリア、酸化マ
ンガンおよびシリカのうち、一種類または複数種類添加
しても同様の焼結としての効果が得られることが確認さ
れている。 〔実施例１〕炭化ケイ素添加量を３０％とした素材か
ら、先に述べた方法でセラミックス基板（板厚０．３ｍ
ｍ）を作製し、その炭化ケイ素添加のセラミックス基板
の表裏両面に板厚０．３ｍｍのタフピッチ電解銅を重ね
合わせ、温度１０５０〜１０７０℃の窒素雰囲気中で１
０分間加熱し、セラミックス基板と銅板を直接接合して
ＣＢＣ基板を作製した。得られたＣＢＣ基板を用いて図
３に断面を示したようなトランジスタモジュールを組立
てた。また比較例として、別途、板厚０．６３ｍｍ、
０．３ｍｍのアルミナ単体のアルミナ基板で作製したＣ
ＢＣ基板を用いて同様なトランジスタモジュールを組立
て、これらに対して機械的な変形耐性試験および断続通
電試験を行った。まず、変形耐性試験では放熱金属ベー
スに外力を加えて強制的な変形を与え、基板の絶縁不良
に至るまでの変形量を調べた。この結果、アルミナに炭
化ケイ素を添加したセラミックス基板（板厚０．３ｍ
ｍ）と板厚０．６３ｍｍのアルミナ単体のアルミナ基板
とでは殆ど同等な耐性を示したが、板厚０．３ｍｍのア
ルミナ基板は、約半分の変形量で絶縁不良となることが
わかった。つまり、アルミナに炭化ケイ素を適量添加す
ることにより、実用的にはセラミックス基板の板厚を約
１／２まで薄くすることが可能であることが実証され
た。また、断続通電試験では、炭化ケイ素添加のセラミ
ックス基板（板厚０．３ｍｍ）は、板厚０．６３ｍｍの
アルミナ基板と比べて、同一のコレクタ損失を与えたと
きの半導体チップを接合した銅板（２ｃ）部分での温度
上昇ΔＴｊが約４０％低減し、断続通電耐量が４倍に向
上することが認められた。このことからわかるように、
アルミナに炭化ケイ素を添加したセラミックス基板は、
アルミナ単体の基板と比べて機械的特性に優れており、
基板自身の熱伝導性の向上と薄板化とにより、放熱性の
高い半導体装置用基板として使用可能なことがわかっ
た。なお、上記の実施例では、セラミックス基板の板厚
を０．３ｍｍとしたが、シート成形法によれば、板厚
０．０５〜１ｍｍの基板を形成することができる。また
原料粉にポリビニルアルコールＰＶＡ等の結合材を添加
し、湿式混合後、スプレードライヤーで乾燥造粒すれ
ば、その造粒粉を用いてプレス成形することにより、板
厚１ｍｍ以上の基板を形成することも可能である。
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＣＢＣ基板のセラミックス基板として、アルミナに炭化
ケイ素を添加し、高温焼成したセラミックス基板を用い
ることにより、従来のアルミナ単体のアルミナ基板に比
較して機械的強度が大幅に増強でき、さらに高熱伝導率
が得られる。従って、実用上でセラミックス基板の薄型
化が可能となる。また炭化ケイ素のアルミナに対する含
有量を制御することにより絶縁特性の優れたセラミック
ス基板を形成することができる。特に、アルミナの質量
比が７０〜９５％の範囲、炭化ケイ素の質量比が５〜３
０％の範囲、イットリア、カルシア、マグネシア、セリ
ア、酸化マンガン、シリカのうち一種以上がアルミナと
炭化ケイ素の全量に対して０．５〜１０％添加されたも
のは、実用的に優れた機械的強度と高熱伝導率のセラミ
ックス基板を得ることができ、半導体装置用基板とし
て、強度、熱伝導性、絶縁性、低コストの点で優れてい
る。これにより半導体装置用の基板として放熱性の高い
ＣＢＣ基板が得られ、特にパワートランジスタモジュー
ルなどの基板に適用することで、半導体装置の小型化、
低コスト化並びに電流容量の増大化を図ることができ
る。なお、このセラミックス基板は、基板単体としての
機械的特性が優れていることから、ハイブリッドＩＣ回
路基板，あるいはＩＣパッケージなどに適用しても同様
の効果をもたらすものである。
ＣＢＣ基板のセラミックス基板として、アルミナに炭化
ケイ素を添加し、高温焼成したセラミックス基板を用い
ることにより、従来のアルミナ単体のアルミナ基板に比
較して機械的強度が大幅に増強でき、さらに高熱伝導率
が得られる。従って、実用上でセラミックス基板の薄型
化が可能となる。また炭化ケイ素のアルミナに対する含
有量を制御することにより絶縁特性の優れたセラミック
ス基板を形成することができる。特に、アルミナの質量
比が７０〜９５％の範囲、炭化ケイ素の質量比が５〜３
０％の範囲、イットリア、カルシア、マグネシア、セリ
ア、酸化マンガン、シリカのうち一種以上がアルミナと
炭化ケイ素の全量に対して０．５〜１０％添加されたも
のは、実用的に優れた機械的強度と高熱伝導率のセラミ
ックス基板を得ることができ、半導体装置用基板とし
て、強度、熱伝導性、絶縁性、低コストの点で優れてい
る。これにより半導体装置用の基板として放熱性の高い
ＣＢＣ基板が得られ、特にパワートランジスタモジュー
ルなどの基板に適用することで、半導体装置の小型化、
低コスト化並びに電流容量の増大化を図ることができ
る。なお、このセラミックス基板は、基板単体としての
機械的特性が優れていることから、ハイブリッドＩＣ回
路基板，あるいはＩＣパッケージなどに適用しても同様
の効果をもたらすものである。
【図１】炭化ケイ素添加量と基板の曲げ強度との関係を
表す図
表す図
【図２】炭化ケイ素添加量と基板の熱伝導率との関係を
表す図
表す図
【図３】ＣＢＣ基板を用いたトランジスタモジュールの
断面図
断面図
１ 放熱金属ベース ２ ＣＢＣ基板 ２ａ セラミックス基板 ２ｂ，２ｃ 銅板 ３ 半導体チップ ４ 外部導出端子 ５ ボンディングワイヤ ６ 樹脂ケース ７ 端子ブロック ８ 封止樹脂 ９ ゲル状充填材
Claims (4)
- 【請求項１】アルミナを主成分として、炭化ケイ素を添
加して作製したセラミックス焼結体よりなることを特徴
とする半導体装置用基板。 - 【請求項２】セラミックス焼結体の材料組成比が、アル
ミナ（質量）７０〜９５％、炭化ケイ素５〜３０％の範
囲内であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装
置用基板。 - 【請求項３】イットリア、カルシア、マグネシア、セリ
ア、酸化マンガンまたはシリカのうちの少なくとも一種
類をアルミナと炭化ケイ素の全量に対して０．５〜１０
％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の
半導体装置用基板。 - 【請求項４】セラミックス焼結体の表裏面に箔状の銅板
を接合してなることを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれかに記載の半導体装置用基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8005466A JPH09194254A (ja) | 1996-01-17 | 1996-01-17 | 半導体装置用基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8005466A JPH09194254A (ja) | 1996-01-17 | 1996-01-17 | 半導体装置用基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09194254A true JPH09194254A (ja) | 1997-07-29 |
Family
ID=11612024
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8005466A Pending JPH09194254A (ja) | 1996-01-17 | 1996-01-17 | 半導体装置用基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09194254A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003089573A (ja) * | 2001-09-11 | 2003-03-28 | Kyocera Corp | 非磁性セラミックスとその製造方法及びこれを用いた磁気ヘッド用基板 |
| CN113185270A (zh) * | 2021-05-12 | 2021-07-30 | 四川锐宏电子科技有限公司 | 一种陶瓷基印制电路板及其制备工艺 |
| JPWO2023032748A1 (ja) * | 2021-08-30 | 2023-03-09 | ||
| CN120329012A (zh) * | 2025-06-19 | 2025-07-18 | 河北鼎瓷电子科技有限公司 | 一种氧化铝高温共烧多层陶瓷基板及其制备方法 |
| CN120736886A (zh) * | 2025-09-03 | 2025-10-03 | 河北鼎瓷电子科技有限公司 | 抗热震多层陶瓷基板及其制备方法 |
| CN120887708A (zh) * | 2025-09-30 | 2025-11-04 | 河北鼎瓷电子科技有限公司 | 高热导多层陶瓷基板及其制备方法 |
| CN120903919A (zh) * | 2025-10-11 | 2025-11-07 | 河北鼎瓷电子科技有限公司 | 绝缘氧化铝多层陶瓷基板及其制备方法 |
-
1996
- 1996-01-17 JP JP8005466A patent/JPH09194254A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003089573A (ja) * | 2001-09-11 | 2003-03-28 | Kyocera Corp | 非磁性セラミックスとその製造方法及びこれを用いた磁気ヘッド用基板 |
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| CN120887708A (zh) * | 2025-09-30 | 2025-11-04 | 河北鼎瓷电子科技有限公司 | 高热导多层陶瓷基板及其制备方法 |
| CN120887708B (zh) * | 2025-09-30 | 2025-12-23 | 河北鼎瓷电子科技股份有限公司 | 高热导多层陶瓷基板及其制备方法 |
| CN120903919A (zh) * | 2025-10-11 | 2025-11-07 | 河北鼎瓷电子科技有限公司 | 绝缘氧化铝多层陶瓷基板及其制备方法 |
| CN120903919B (zh) * | 2025-10-11 | 2025-12-23 | 河北鼎瓷电子科技股份有限公司 | 绝缘氧化铝多层陶瓷基板及其制备方法 |
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