JP2004327732A

JP2004327732A - Ceramic circuit board and electrical circuit module

Info

Publication number: JP2004327732A
Application number: JP2003120760A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Terasono; 博文寺園; Shinya Terao; 慎也寺尾; Nobuyuki Ito; 信行伊藤; Kiyoshi Yakubo; 清八久保
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable ceramic circuit board and an electrical circuit module, having a simple structure and superior heat dissipation performance, where its ceramic board will not be damaged, even if subjected to heat cycle between high and low temperatures. <P>SOLUTION: Ceramic boards 33 are bonded to both the surfaces of a metal circuit plate 31, a concave part 37 is formed in the ceramic board 33a so that the metal circuit plate 31 is exposed, and an electrical device 35 is mounted on the metal circuit plate 31 exposed to the concave part 37. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子、特に高出力のパワーＦＥＴなどを搭載し、放熱性に優れたセラミック回路基板およびそれを用いた電気回路モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、高出力のパワーＦＥＴなどを収容する半導体素子用パッケージのセラミック回路基板は、図２に示すように、作動時に発熱する半導体素子１の放熱性を向上させるため、半導体素子１と、熱伝導率の高い金属回路板３、セラミック基板５などから構成され、セラミック回路基板７の一方側の面には、金属回路板３が接続され、金属回路板３には、半導体素子１が接続されている。
【０００３】
半導体素子１は、たとえばＳｉ単結晶の原子の一部をＶ族またはＩＩＩ族の原子で置き換えた、いわゆる不純物半導体からなり、自由電子と正孔の二つのキャリヤ数により区別されるｎ型、ｐ型半導体の組合せにより構成される。その役割は、ＩＣなどの電子回路のベース電圧信号でパワー回路の電流のスイッチングを行い、電力の制御を行うことにある。
【０００４】
また、金属回路板３は、パワー回路上のエミッタ電極を構成し、大電流を通電するとともに、半導体素子１で発生した熱を外部に伝達し、放出する際、熱を広範囲に伝導し、熱放散性を高める働きをする。
【０００５】
また、セラミック基板５は、絶縁性を有しており、金属回路板３間の電気的絶縁を確保するために設けられるとともに、金属回路板３と同様に熱を外部に伝達する役目を有する。
【０００６】
このようなセラミック回路基板７において、金属回路板３が銅からなる場合、銅の熱伝導率が大きい為、半導体素子１の発熱により発生する熱は、金属回路板３を伝わって良好に外部に放出され、半導体素子の温度上昇を有効に防ぐことが可能となる。
【０００７】
しかしながら、銅からなる金属回路板３の熱膨張係数が、１７×１０^−６／℃であるのに対して、セラミック基板５の熱膨張係数は、一般的に２〜８×１０^−６／℃であり、両者の熱膨張係数が大きく異なるため、金属回路板３とセラミック基板５とを接合する際に、熱膨張係数差に起因して発生する熱応力によって、セラミック回路基板７に反りが発生したり、あるいはセラミック基板５に亀裂が入る等の問題が発生していた。また、同様に半導体素子１を金属回路板３に実装する際にも、半導体素子１の熱膨張係数３〜４×１０^−６／℃と金属回路板３との熱膨張係数の差により、半導体素子１に亀裂が入る等の問題が発生していた。
【０００８】
このような問題を解決するために、金属回路板３として、熱膨張係数が比較的小さく、セラミック基板５や、半導体素子１の熱膨張係数に近い銅−タングステン合金（６〜９×１０^−６／℃）を用いたものや、金属回路板３の素子搭載面を銅―タングステン合金とし、セラミック基板５の他の面に、銅からなる裏金属板を接合した構造のものが報告されている（特許文献１参照）。
【０００９】
しかしながら、金属回路板３として銅―タングステン合金を用いた場合、セラミック基板５や半導体素子１との間の熱膨張係数の差により発生する熱応力は緩和されるものの、銅―タングステン合金の熱伝導率は１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、銅の熱伝導率（約３９０Ｗ／ｍ・Ｋ）に比べ小さく、金属回路板３に銅を用いた場合に比べ放熱性が半減するという問題がある。
【００１０】
以上説明した問題を解決するため、図３に示すように、銅などの高熱伝導性の金属板３ａの両面に、半導体素子に熱膨張係数が近い銅―タングステン合金などからなる金属板３ｂを接合して、高熱伝導性と熱膨張係数の低下とを併せて達成した金属回路板３が報告されている（特許文献２参照）。
【００１１】
また、図４に示すように、セラミック基板５の一方側に金属回路板３を接合し、半導体素子１搭載面とし、セラミック基板５の他方側に裏金属板９を接合しヒートシンクベース１１と密着する構造のセラミック回路基板７が提案されている（特許文献３参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭６３−７３６５１号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開平２−１４６７４８号公報
【００１４】
【特許文献３】
特開平１５−１７６２７号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２で報告された構造では、セラミック回路基板７の反り、及びセラミック基板５に発生する亀裂の問題は抑制されるものの、銅のみの金属基体に比べて放熱性は低下するうえ、タングステンおよびモリブテンなどの低熱膨張金属やそれらの合金は極めて高価であるとともに、金属回路板３の層数が多くなることによりコスト高を招く原因となる。
【００１６】
また、特許文献３で報告された構造のセラミック回路基板７では、セラミック基板５の両面に金属板３、９が接合されており、セラミック基板５の表裏での発生応力のバランスが良く、接合時の反りが防止できるものの、更に放熱性を向上するため、裏金属板９を厚くすると、中間層であるセラミック基板５に発生する熱応力は過大なものとなり、熱サイクルによりクラックや反りなどが発生しやすくなるという問題があった。
【００１７】
また、金属板３、９とセラミック基板５接合面の熱膨張は拘束されるのに対し、半導体素子１を搭載する金属回路板３表面近傍での熱膨張は完全には拘束されないため、半導体素子１や接合部の半田層に加わる熱応力を低減することはできず、半導体素子１に亀裂が入る等の問題点があった。
【００１８】
以上説明したように、高出力のパワーＦＥＴなどを収容する半導体素子用パッケージのセラミック回路基板においては、放熱性と、信頼性に加え、生産性、コストなどを改善すべく、様々な取り組みが行われているものの、未だ、全てを十分に満足することはできていない。
【００１９】
本発明は、特に半導体素子と金属回路板の接合部や、金属回路板とセラミック基板の接合部、及びセラミック基板に、熱応力や反りによるクラックが発生することを効果的に防止でき、安価で、長期間にわたって優れた耐久性と信頼性が得られるセラミック回路基板を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板は、金属回路板の両面にセラミック基板を接合してなり、一方のセラミック基板に前記金属回路板が露出するような凹部を形成するとともに、該凹部に露出した前記金属回路板に電気素子が搭載されることを特徴とする。
【００２１】
従来は、熱膨張係数差の大きい金属回路と電気素子とを接続していたため、電気素子が熱膨張差により破損するなどの問題が起こっていたが、本発明のセラミック回路基板では、熱膨張係数の大きい金属回路板の両面に金属回路板よりも熱膨張係数が小さく、剛性の高いセラミック基板を接合することで、温度変化に伴う金属回路板の熱膨張、熱収縮を両面から完全に拘束することができ、金属回路板と電気素子の温度変化に伴う寸法変化の差を小さくすることができるため、金属回路板と電気素子の接合信頼性を向上させることができる。
【００２２】
また、金属回路板の両面にセラミック基板を接合することで、金属回路板の両面の熱応力が均衡し、セラミック回路基板の反りを防止できるとともに、セラミック基板へのクラックの発生を防止できる。
【００２３】
また、本発明のセラミック回路基板は、一方のセラミック基板の厚さが、０．１ｍｍ以上であって、且つ他方のセラミック基板の０．３〜３倍であることを特徴とする。
【００２４】
このようにセラミック基板の厚さを０．１ｍｍ以上とすることにより、セラミック基板の強度を十分確保することが出来、金属回路板の熱膨張に起因する熱応力が発生してもセラミック基板にクラックや割れを生じることなく金属回路板の熱膨張を十分に拘束することが出来る。
【００２５】
また、一方のセラミック基板の厚さを他方のセラミック基板の厚さの０．３〜３倍とすることにより、金属回路板の両面に配置されたセラミック基板に発生する熱応力のバランスを均一なものとすることが出来、セラミック回路板の反りを抑制できるとともに、セラミック基板へのクラックを発生を抑制できる。
【００２６】
また、本発明のセラミック回路基板は、金属回路板の厚さが、０．１ｍｍ以上であって、且つセラミック基板の厚さの５倍以下であることを特徴とする。
【００２７】
このように金属回路板の厚さを０．１ｍｍ以上とすることで、セラミック回路基板の放熱性を十分に高くでき、また、セラミック基板の厚さの５倍以下とすることにより、金属回路板の熱膨張による過大な応力の発生を防止できる。
【００２８】
また、本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板が、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニアから選ばれる少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする。
【００２９】
このような高強度で低熱膨張のセラミックスを用いることで、金属回路板を十分に拘束することができるとともに、セラミック基板の破壊を防止することができる。
【００３０】
また、本発明のセラミック回路基板は、一方のセラミック基板と他方のセラミック基板とが同質であることを特徴とする。このように、金属回路板を介して設けられた両面のセラミック基板を同質の材質から形成することにより、金属回路板を両面から均一に拘束することが可能となり、セラミック回路基板の信頼性が向上する。
【００３１】
また、本発明のセラミック回路基板は、金属回路板が銅、アルミニウム、タングステン、モリブテンおよびそれらの合金の少なくとも１種から成ることを特徴とする。
【００３２】
このように金属回路板を、低抵抗、高熱伝導性の銅、アルミニウム、タングステン、モリブテンおよびそれらの合金の少なくとも１種から成る金属とすることで、金属回路板の発熱を抑制できるとともに、高い熱放散性を実現できる。
【００３３】
また、本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板が直接接合法、活性金属接合法およびアルミニウム系ロウ材接合法のいずれかによって金属回路板に接合されていることを特徴とする。
【００３４】
金属回路板とセラミック基板の接合方法を、上記の比較的高温での接合方法とすることにより、半導体素子の発熱により高温になったとしても、接合部が熱により軟化することがなく、金属回路板とセラミック基板との接合強度は十分に維持されるため、半導体素子の発熱と冷却に伴う温度サイクルに対しても高い接合信頼性を実現できる。また、接合層を極力薄くすることができるため、界面での熱抵抗を低く抑えることが可能となり、放熱性を向上させることができる。
【００３５】
また、本発明の電気回路モジュールは以上説明したセラミック回路基板を具備するとともに、セラミック回路基板の電気素子を搭載した面の反対側のセラミック基板にヒートシンクベースを配設したことを特徴とする。
【００３６】
本発明の電気回路モジュールは、以上説明したセラミック回路基板を具備することにより、簡単な構造で優れた熱放散性を有し、高温と低温との間で温度サイクルが加えられてもセラミック基板が破壊することのない信頼性の高い発熱性の電気素子用放熱構造体を得ることができるとともに、セラミック回路基板にヒートシンクベースを配設することで、さらに、放熱性を向上させることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミック回路基板は、図１に示すように金属回路板３１と、金属回路板３１の両面に接合されたセラミック基板３３、及び電気素子、例えば、半導体素子３５で構成され、金属回路板３１の一方側に設けられたセラミック基板３３ａには、金属回路板３１が露出するように貫通した凹部３７が設けられ、凹部３７に露出した金属回路３１には半導体素子３５が接続されている。
【００３８】
また、金属回路板３１の他方側に設けられたセラミック基板３３ｂには、ヒートシンクベース４１が配設されている。
【００３９】
このような構造のセラミック回路基板３９において、半導体素子３５は、例えば、発熱性素子やＩＧＢＴ、パワー系素子などのように電流を制御する機能を有しており、半導体素子３５には電流を制御するための信号を半導体素子３５に伝達するための配線（図示せず）が接続されている。
【００４０】
また、半導体素子３５には電流を流すための配線（図示せず）が接続され、半導体素子３５を介して、前記電流を流すための配線から金属回路板３５に電流が流れる。電流の流れが逆になる場合があるのは言うまでもない。
【００４１】
このようなセラミック回路基板３９において、セラミック基板３３の厚みは、０．１ｍｍ以上、特に０．５ｍｍ以上であることが好ましい。このセラミック基板３３の厚さを０．１ｍｍ以上、特に０．５ｍｍ以上とすることで、セラミック基板３３に十分な強度と剛性を付与できるため、金属回路板３１の熱サイクルに伴う膨張と収縮を十分に拘束することが可能となり、セラミック回路基板３９の反りやセラミック基板３３の割れを防止することができる。
【００４２】
また、金属回路板３１の両面に配置されたセラミック基板３３に発生する熱応力のバランスを考慮して、一方のセラミック基板３３ａの厚みが、他方のセラミック基板３３ｂの０．３〜３倍であることが好ましく、さらに、０．５〜１．５倍の範囲がより好ましい。
【００４３】
また、本発明のセラミック回路基板３９において、金属回路板３１の厚さを０．１ｍｍ以上とし、セラミック基板３３の厚さの５倍以下とすることが好ましい。
【００４４】
例えば、セラミック基板３３の厚みが０．５ｍｍの場合、金属回路板３１の厚みを０．１ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲にすることが好ましい。この金属回路板３１の厚みを０．１ｍｍ以上とすることで、セラミック回路基板３９の放熱性を高くすることができるとともに、金属回路板３１の電気的抵抗を下げることができるため、電流を流した際の金属回路板３１の発熱も抑制することができる。また、金属回路板３１の厚みをセラミック基板３３の５倍以下とすることで、金属回路板３１とセラミック基板３３との熱膨張係数の差によるセラミック回路基板３９の反りを抑制できるとともに、セラミック基板３３の割れを抑制できる。
【００４５】
また、セラミック基板３３は、特に限定されるものではないが、高強度で、低熱膨張係数を有する窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニアのいずれかを主成分とするものが好ましく、特に、高強度で、且つ熱伝導率が比較的高い窒化珪素焼結体で形成したセラミック基板３３が好ましい。
【００４６】
また、金属回路板３１の両面に配置されるセラミック基板３３の種類は、均一に金属回路板３１を拘束するという点から同一であることが望ましいが、必ずしも同一のものでなくとも良い。かかる応力制御ないし、反り防止の効果の点からは、表裏のセラミック基板３３ａ、３３ｂの熱膨張係数の差は２．０×１０^−６ｍｍ／℃以内とすることが望ましく、さらに、１．０×１０^−６ｍｍ／℃以内とすることが望ましい。
【００４７】
また、金属回路板３１は、銅、アルミニウム、タングステン、モリブテンおよびそれらの合金の少なくとも１種を主成分とすることが望ましい。特に熱伝導性、原料コスト、および導電性の点から、銅、アルミニウムを主成分とすることが望ましい。
【００４８】
さらに、セラミック基板３３と金属回路板３１は、直接接合法、活性金属接合法およびアルミニウム系ロウ材接合法のいずれかによって接合されることが好ましい。直接接合法を用いる場合で、金属回路板３１が銅製である場合は、酸素を含むＣｕ−Ｏとの共晶化合物によりセラミック基板３３に接合される（銅直接接合法：ＤＢＣ法）。さらに、金属回路板３１がアルミニウム回路板である場合は、けい素を含むＡｌ−Ｓｉ共晶化合物によりセラミック基板３３に接合される（アルミニウム直接接合法：ＤＢＡ法）。
【００４９】
また、活性金属法は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどの活性金属を含有するロウ材を介して金属回路板３１をセラミック基板３３に接合する方法であり、Ａｌロウ材接合法は、Ａｌを含有するロウ材を介して金属回路板３１をセラミック基板３３に接合する方法である。
【００５０】
本発明に係る半導体モジュールは、上記のように調整したセラミック回路基板３９の半導体素子３５が搭載される面の反対側の面にヒートシンクベース４１を配設して構成される。
【００５１】
上記構成に係るセラミック回路基板３９およびそれを用いた半導体モジュールとヒートシンクベース４１の接合方法としては、高分子を主成分とした接着剤、グリースのみならず、半田、ロウ材等を使用してもよい。また、本発明のヒートシンクベース４１は、いわゆるヒートシンク（放熱板）のみを示すものではなく、実装ボードなどのセラミック回路基板３９が接合または実装されるものは全て含むものとする。
【００５２】
次に、本発明のセラミック回路基板およびそれを用いた半導体モジュールについて実施例を用いて具体的に説明する。
【００５３】
【実施例】
１２ｍｍ角の貫通した凹部３７を具備する表１に示す材質、厚みのセラミック基板３３ａ、３３ｂの片面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなる活性ろうのペーストを塗布した。なお、セラミック基板３３ａ、３３ｂともに外形寸法は３３ｍｍ角とした。
【００５４】
次に、表１に示す材質からなる３３ｍｍ角の金属回路板３１の厚みを表１に示す範囲で変化させ、この金属回路板３１の一方側の面に、セラミック基板３３ａの活性ろうを塗布した面を当接させ、金属回路板３１の他方側の面に、セラミック基板３３ｂの活性ろうを塗布した面を当接させ、この積層体を真空中、８００℃、１０分の条件で接合した。
【００５５】
次に、セラミック基板３３ａの凹部３７から露出した金属回路板３１にＳｎ−Ｐｂ共晶半田ペーストを塗布し、半導体素子３５を当接させた。
【００５６】
次に、３００℃、３０分の条件でリフローし、半導体素子３５を前記積層体のセラミック基板３３ａの凹部３７から露出した金属回路板３１に接合した。
【００５７】
以上のような工程で作製したセラミック回路基板３９の半導体素子３５に電流制御用配線を接続させ、電流用配線を半導体素子３５と金属回路板３１に接続させた。
【００５８】
これらの作製工程のうち、金属回路板３１とセラミック基板３３の接合後にセラミック基板３３の割れの有無、半導体素子３５の搭載後にセラミック基板３３と半導体素子３５の割れの有無を確認し、それぞれの工程での不良率を表１に示した。
【００５９】
また、半導体素子３５の搭載後に、セラミック回路基板３９の反りと熱抵抗を測定し、表１に示した。
【００６０】
なお、セラミック回路基板３９の反りは、セラミック回路基板３９の半導体素子３５を搭載しない側のセラミック基板３３ｂの二つの対角を結ぶ線上を表面粗さ計を用いてＲｍａｘ値を測定し、その平均値を反りの値とした。表１で、反り測定値が０より小さいものはセラミック回路基板３９の半導体素子３５を搭載しない側のセラミック基板３３ｂの中央部がへこんでいることを示し、反り測定値が０より大きいものはセラミック回路基板３９の半導体素子３５を搭載しない側のセラミック基板３３ｂの中央部が盛り上がっていることを示している。
【００６１】
なお、熱抵抗の測定は、半導体素子３５に電流を流し、発熱させ、半導体素子３５の温度に敏感なパラメータの温度依存データから、動作時の半導体素子３５の温度を算出して熱抵抗を計算するＴＳＰ法（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅｔｈｏｄ）を用いて行った。その結果を表１に示した。
【００６２】
比較のために、金属回路板３１の片面のみにセラミック基板３３ａを接合した回路基板（試料Ｎｏ．２１）、金属回路板３１の片面のみにセラミック基板３３ｂを接合した回路基板（試料Ｎｏ．２２）を作製し、それぞれ上記と同様に、回路基板組み立て時および半導体素子搭載時の不良品個数、反り、熱抵抗を求め、その結果も併せて表１に示した。
【００６３】
【表１】

【００６４】
表１の結果から分かるように、本発明の範囲外である金属回路板３１と半導体素子３５搭載側のみにセラミック基板３３ａを設けた試料Ｎｏ．２１のセラミック回路基板は、熱応力が大きいため反りが非常に大きくなり、回路基板組み立て時の不良率、半導体素子３５搭載時の不良率が非常に高くなった。
【００６５】
また、本発明の範囲外である金属回路板３１と、半導体素子３５搭載側と反対側のみにセラミック基板３３ｂを設けた試料Ｎｏ．２２のセラミック回路基板は、熱応力が大きいため反りが非常に大きくなり、回路基板組み立て時の不良が多く、特に半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａが無いため、金属回路板３１の熱膨張が拘束されずに、半導体素子３５搭載時の不良率が極端に高くなった。
【００６６】
なお、試料Ｎｏ．２１、２２では良品が得られず、熱抵抗は測定できなかった。
【００６７】
これに対して、金属回路板３１の両面にセラミック基板３３を設け、半導体素子３５搭載面側のセラミック基板３３ａに金属回路板３１が露出するような凹部３７を形成して、半導体素子３５の搭載を可能にするとともに、金属回路板３１の熱膨張及び熱収縮を両面から拘束する構造とした本発明のセラミック回路基板３９（試料Ｎｏ．１〜２０）は、熱応力による反り、及び熱抵抗が共に小さく、反りが５０μｍ以下で且つ熱抵抗が０．５℃／Ｗ以下という優れた特性を有している。このため、セラミック回路基板３９組み立て時および半導体素子３５搭載時の不良品が殆ど発生せず、放熱性にも優れていることがわかる。
【００６８】
また、金属回路板３１の厚みを０．５ｍｍとし、半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａと反対側のセラミック基板３３ｂの厚みを同じにして、０．０５〜２ｍｍの範囲で変化させた試料Ｎｏ．１〜５では、セラミック基板３３の厚みが０．１ｍｍ以上の試料で組み立て時、半導体素子３５搭載時の不良率が０％ととなり、高い歩留まりを達成できた。また、反りも４０μｍ以下となった。
【００６９】
また、金属回路板３１の厚みを１ｍｍとし、半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａと、反対側のセラミック基板３３ｂの厚みを変化させた試料Ｎｏ．６〜９では、片側のセラミック基板の厚みと他方のセラミック基板の厚みの比が０．３〜３倍の範囲を超える試料Ｎｏ．７、９では若干の不良が発生したのに対して、片側のセラミック基板の厚みと他方のセラミック基板の厚みの比が０．３〜３倍の範囲内の試料Ｎｏ．６、８では、組み立て時、半導体素子３５搭載時の不良率が０％になり、高い歩留まりを達成できた。
【００７０】
また、半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａと反対側のセラミック基板３３ｂの厚みを０．５ｍｍとし、金属回路板３１の厚みを０．０８〜３ｍｍの範囲で変化させた試料Ｎｏ．１０〜１３においては、金属回路板３１の厚みが０．１ｍｍ未満の試料Ｎｏ．１０は、不良は発生していないものの、他の試料に比べ、熱抵抗が０．４９℃／Ｗと若干高くなっている。また、金属回路板３１とセラミック基板３３との厚みの比が５を超える試料Ｎｏ．１３では、熱応力が大きくなるために、若干ではあるが組み立て時、半導体素子３５搭載時に不良が発生している。
【００７１】
なお、以上説明した試料Ｎｏ．１〜１３は、Ｓｉ_３Ｎ_４製のセラミック基板３３とＣｕ製の金属回路板３１を組み合わせた例である。
【００７２】
セラミック基板３３として、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２を用い、金属回路板３１として、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏを用いた試料Ｎｏ．１７〜２０においても、低い不良率が達成された。
【００７３】
また、両面のセラミック基板３３を異なる材質とした試料Ｎｏ．１７では、同じ材質を用いた場合に比べ、若干、不良率が増加する傾向にあるが、それぞれの厚さを適宜、調整することで、不良率は減少させられるものと推測される。
【００７４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のセラミック回路基板は、金属回路板の両面をセラミック基板とし、素子搭載面側のセラミック基板に金属回路板が露出するような凹部を形成して、半導体素子の搭載を可能にするとともに、金属回路板の熱膨張を両面から拘束することから、セラミック基板と金属回路板を接合する際に、金属回路板の表裏での熱応力の発生を抑制しながらバランスを保ち、反りの発生を抑える。従って、組み立て時に反りを生じることなく、さらにセラミック基板の亀裂の発生を防ぐことが出来る。
【００７５】
また、セラミック回路基板に電気素子を半田などで実装する際にも、中央の銅層が両面のセラミック層によって拘束されているので、反りの発生や、繰返しの熱サイクルによる電気素子や接合部に亀裂が入ることなく使用することが出来る。
【００７６】
更に、電気素子が搭載される金属回路板に銅やアルミなどの高熱伝導の金属を用いていることから、電気素子で発生する熱を効率よく外部に放出することができ、しかも簡単な構造であることからセラミック回路基板を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック回路基板を示す断面図である。
【図２】従来のセラミック回路基板を示す断面図である。
【図３】従来のセラミック回路基板の他の形態を示す断面図である。
【図４】従来のセラミック回路基板とヒートシンクベースとを接続した形態を示す断面図である。
【符号の説明】
３１・・・金属回路板
３３・・・セラミック基板
３５・・・電気素子
３７・・・凹部
３９・・・セラミック回路基板
４１・・・ヒートシンクベース[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic circuit board mounted with a semiconductor element, particularly a high-output power FET and the like, and excellent in heat dissipation, and an electric circuit module using the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as shown in FIG. 2, a ceramic circuit board of a semiconductor element package accommodating a high-output power FET and the like is provided with a semiconductor element 1 and a heat conductive element in order to improve heat dissipation of the semiconductor element 1 which generates heat during operation. The ceramic circuit board 7 is composed of a metal circuit board 3 having a high efficiency, a ceramic substrate 5, and the like. The metal circuit board 3 is connected to one surface of the ceramic circuit board 7, and the semiconductor element 1 is connected to the metal circuit board 3. I have.
[0003]
The semiconductor element 1 is made of, for example, a so-called impurity semiconductor in which a part of atoms of a Si single crystal is replaced with atoms of a group V or group III, and is an n-type or p-type discriminated by two carrier numbers of free electrons and holes. It is composed of a combination of mold semiconductors. Its role is to control the power by switching the current of the power circuit with the base voltage signal of an electronic circuit such as an IC.
[0004]
The metal circuit board 3 constitutes an emitter electrode on the power circuit. The metal circuit board 3 conducts a large current and transmits heat generated in the semiconductor element 1 to the outside and discharges the heat over a wide range. It works to increase radiation.
[0005]
The ceramic substrate 5 has an insulating property, is provided to ensure electrical insulation between the metal circuit boards 3, and has a role of transmitting heat to the outside similarly to the metal circuit board 3.
[0006]
In such a ceramic circuit board 7, when the metal circuit board 3 is made of copper, the heat generated by the heat generated by the semiconductor element 1 is transmitted to the metal circuit board 3 to the outside because the heat conductivity of the copper is large. It is released, and it is possible to effectively prevent the temperature of the semiconductor element from rising.
[0007]
However, while the coefficient of thermal expansion of the metal circuit board 3 made of copper is 17 × 10 ⁻⁶ / ° C., the coefficient of thermal expansion of the ceramic substrate 5 is generally 2 to 8 × 10 ⁻⁶ / ° C. Since the thermal expansion coefficients of the ceramic circuit board and the metal circuit board 3 are greatly different from each other, warpage occurs in the ceramic circuit board 7 due to thermal stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient when the metal circuit board 3 and the ceramic substrate 5 are joined. Or the ceramic substrate 5 is cracked. Similarly, when the semiconductor element 1 is mounted on the metal circuit board 3, the semiconductor element 1 has a thermal expansion coefficient of 3 to 4 × 10 ⁻⁶ / ° C. and a difference in thermal expansion coefficient between the metal circuit board 3 and the semiconductor element 1. There were problems such as cracks in the element 1.
[0008]
In order to solve such a problem, as the metal circuit board 3, a copper-tungsten alloy (6 to 9 × 10 ⁻⁶ ) having a relatively small coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of the ceramic substrate 5 or the semiconductor element 1 is used. / ° C) or a structure in which the element mounting surface of the metal circuit board 3 is made of a copper-tungsten alloy and a back metal plate made of copper is joined to the other surface of the ceramic substrate 5. (See Patent Document 1).
[0009]
However, when a copper-tungsten alloy is used as the metal circuit board 3, the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate 5 and the semiconductor element 1 is reduced, but the heat conduction of the copper-tungsten alloy is reduced. The rate is 180 to 200 W / m · K, which is smaller than the thermal conductivity of copper (about 390 W / m · K), and there is a problem that heat dissipation is reduced by half compared to the case where copper is used for the metal circuit board 3. .
[0010]
In order to solve the above-described problem, as shown in FIG. 3, a metal plate 3b made of a copper-tungsten alloy having a thermal expansion coefficient close to that of a semiconductor element is bonded to both surfaces of a metal plate 3a having high thermal conductivity such as copper. Thus, a metal circuit board 3 that achieves both high thermal conductivity and a reduced thermal expansion coefficient has been reported (see Patent Document 2).
[0011]
As shown in FIG. 4, the metal circuit board 3 is bonded to one side of the ceramic substrate 5 to form a surface on which the semiconductor element 1 is mounted, and the back metal plate 9 is bonded to the other side of the ceramic substrate 5 so as to adhere to the heat sink base 11. There has been proposed a ceramic circuit board 7 having such a structure (see Patent Document 3).
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-63-73651
[Patent Document 2]
JP-A-2-146748
[Patent Document 3]
JP-A-15-17627
[Problems to be solved by the invention]
However, in the structure reported in Patent Document 2, although the problem of the warpage of the ceramic circuit board 7 and the cracks generated in the ceramic board 5 is suppressed, the heat dissipation is reduced as compared with a metal base made of only copper. Low thermal expansion metals such as tungsten and molybdenum and their alloys are extremely expensive, and increase the number of layers of the metal circuit board 3, resulting in high costs.
[0016]
Further, in the ceramic circuit board 7 having the structure reported in Patent Document 3, the

metal plates

3 and 9 are bonded to both sides of the ceramic substrate 5 so that the stress generated on the front and back of the ceramic substrate 5 is well-balanced. However, if the back metal plate 9 is made thicker to further improve heat dissipation, the thermal stress generated in the ceramic substrate 5 as an intermediate layer becomes excessive, and cracks and warpage are generated by a heat cycle. There was a problem that it became easier.
[0017]
In addition, while the thermal expansion of the joining surfaces of the

metal plates

3 and 9 and the ceramic substrate 5 is restricted, the thermal expansion near the surface of the metal circuit board 3 on which the semiconductor element 1 is mounted is not completely restricted. The thermal stress applied to the solder layer 1 and the solder layer at the joint cannot be reduced, and there is a problem that the semiconductor element 1 is cracked.
[0018]
As described above, various efforts have been made to improve productivity, cost, etc., in addition to heat dissipation and reliability, in a ceramic circuit board for a semiconductor element package containing a high-output power FET and the like. Although it has been done, it has not yet been fully satisfied.
[0019]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can effectively prevent cracks due to thermal stress or warpage from occurring, particularly at the junction between a semiconductor element and a metal circuit board, the junction between a metal circuit board and a ceramic substrate, and the ceramic substrate, and at low cost. It is another object of the present invention to provide a ceramic circuit board having excellent durability and reliability over a long period of time.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The ceramic circuit board of the present invention is formed by joining ceramic substrates to both sides of a metal circuit board, forming a recess on one of the ceramic substrates so that the metal circuit board is exposed, and forming the metal circuit on the recess. An electric element is mounted on the plate.
[0021]
Conventionally, a metal circuit having a large difference in thermal expansion coefficient was connected to an electric element, so that a problem such as breakage of the electric element due to a difference in thermal expansion occurred. The thermal expansion coefficient and thermal contraction of the metal circuit board due to the temperature change are completely restrained from both sides by bonding a ceramic substrate with a smaller coefficient of thermal expansion and higher rigidity to both sides of the metal circuit board with a large size. Since the difference in dimensional change due to a temperature change between the metal circuit board and the electric element can be reduced, the joining reliability between the metal circuit board and the electric element can be improved.
[0022]
In addition, by joining the ceramic substrates to both sides of the metal circuit board, thermal stress on both sides of the metal circuit board is balanced, so that warpage of the ceramic circuit board can be prevented and cracks in the ceramic substrate can be prevented.
[0023]
Further, the ceramic circuit board of the present invention is characterized in that the thickness of one ceramic substrate is 0.1 mm or more and 0.3 to 3 times the thickness of the other ceramic substrate.
[0024]
By setting the thickness of the ceramic substrate to 0.1 mm or more in this manner, the strength of the ceramic substrate can be sufficiently secured, and even if thermal stress due to thermal expansion of the metal circuit board occurs, the ceramic substrate is cracked. The thermal expansion of the metal circuit board can be sufficiently restrained without causing cracks.
[0025]
Further, by making the thickness of one ceramic substrate 0.3 to 3 times the thickness of the other ceramic substrate, the balance of thermal stress generated on the ceramic substrates disposed on both surfaces of the metal circuit board can be made uniform. In addition to suppressing warpage of the ceramic circuit board, cracks in the ceramic substrate can be suppressed.
[0026]
Further, the ceramic circuit board of the present invention is characterized in that the thickness of the metal circuit board is 0.1 mm or more and 5 times or less the thickness of the ceramic substrate.
[0027]
By setting the thickness of the metal circuit board to 0.1 mm or more, the heat radiation of the ceramic circuit board can be sufficiently increased, and by setting the thickness of the metal circuit board to 5 times or less the thickness of the metal circuit board. The generation of excessive stress due to thermal expansion of the material can be prevented.
[0028]
Further, the ceramic circuit board of the present invention is characterized in that the ceramic substrate contains at least one selected from silicon nitride, aluminum nitride, alumina and zirconia as a main component.
[0029]
By using such high-strength and low-thermal-expansion ceramics, the metal circuit board can be sufficiently restrained and the ceramic substrate can be prevented from being broken.
[0030]
Further, the ceramic circuit board of the present invention is characterized in that one ceramic substrate and the other ceramic substrate are of the same quality. In this way, by forming the ceramic substrates on both sides provided through the metal circuit board from the same material, the metal circuit board can be uniformly restrained from both sides, and the reliability of the ceramic circuit board is improved. I do.
[0031]
Further, the ceramic circuit board of the present invention is characterized in that the metal circuit board is made of at least one of copper, aluminum, tungsten, molybdenum and an alloy thereof.
[0032]
By using a metal made of at least one of copper, aluminum, tungsten, molybdenum, and an alloy thereof having low resistance and high thermal conductivity as described above, heat generation of the metal circuit board can be suppressed and high heat can be suppressed. Dissipation can be realized.
[0033]
Further, the ceramic circuit board of the present invention is characterized in that the ceramic substrate is bonded to the metal circuit board by any one of a direct bonding method, an active metal bonding method, and an aluminum-based brazing material bonding method.
[0034]
By setting the joining method of the metal circuit board and the ceramic substrate to the above-mentioned joining method at a relatively high temperature, even if the temperature of the semiconductor element becomes high due to heat generation of the semiconductor element, the joining portion is not softened by heat, and Since the bonding strength between the plate and the ceramic substrate is sufficiently maintained, high bonding reliability can be realized even in a temperature cycle accompanying heat generation and cooling of the semiconductor element. In addition, since the bonding layer can be made as thin as possible, the thermal resistance at the interface can be suppressed low, and the heat dissipation can be improved.
[0035]
Further, an electric circuit module according to the present invention includes the above-described ceramic circuit board, and a heat sink base is provided on the ceramic substrate on the side opposite to the surface on which the electric element of the ceramic circuit board is mounted.
[0036]
The electric circuit module of the present invention includes the above-described ceramic circuit board, has excellent heat dissipation with a simple structure, and can be used even when a temperature cycle is applied between a high temperature and a low temperature. A highly reliable heat-generating heat dissipation structure for an electric element that is not broken can be obtained, and the heat dissipation can be further improved by disposing a heat sink base on the ceramic circuit board.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As shown in FIG. 1, the ceramic circuit board of the present invention includes a metal circuit board 31, a ceramic board 33 bonded to both sides of the metal circuit board 31, and an electric element, for example, a semiconductor element 35. The ceramic substrate 33a provided on one side of the base 31 is provided with a recess 37 penetrating the metal circuit board 31 so as to be exposed, and the semiconductor element 35 is connected to the metal circuit 31 exposed in the recess 37.
[0038]
Further, a heat sink base 41 is provided on the ceramic substrate 33b provided on the other side of the metal circuit board 31.
[0039]
In the ceramic circuit board 39 having such a structure, the semiconductor element 35 has a function of controlling a current, such as a heat-generating element, an IGBT, or a power element, and the semiconductor element 35 controls the current. (Not shown) for transmitting a signal to the semiconductor element 35 for performing the operation.
[0040]
Further, a wiring (not shown) for flowing a current is connected to the semiconductor element 35, and the current flows from the wiring for flowing the current to the metal circuit board 35 via the semiconductor element 35. It goes without saying that the current flow may be reversed.
[0041]
In such a ceramic circuit board 39, the thickness of the ceramic substrate 33 is preferably 0.1 mm or more, particularly preferably 0.5 mm or more. By setting the thickness of the ceramic substrate 33 to 0.1 mm or more, particularly 0.5 mm or more, sufficient strength and rigidity can be imparted to the ceramic substrate 33. The ceramic circuit board 39 can be sufficiently restrained, and the ceramic circuit board 39 can be prevented from warping and the ceramic substrate 33 can be prevented from cracking.
[0042]
Further, in consideration of the balance of thermal stress generated in the ceramic substrates 33 arranged on both sides of the metal circuit board 31, the thickness of one ceramic substrate 33a is 0.3 to 3 times the thickness of the other ceramic substrate 33b. Is more preferable, and the range of 0.5 to 1.5 times is more preferable.
[0043]
Further, in the ceramic circuit board 39 of the present invention, it is preferable that the thickness of the metal circuit board 31 be 0.1 mm or more and 5 times or less the thickness of the ceramic substrate 33.
[0044]
For example, when the thickness of the ceramic substrate 33 is 0.5 mm, it is preferable that the thickness of the metal circuit board 31 be in the range of 0.1 mm to 2.5 mm. By setting the thickness of the metal circuit board 31 to 0.1 mm or more, the heat dissipation of the ceramic circuit board 39 can be increased, and the electrical resistance of the metal circuit board 31 can be reduced. In this case, heat generation of the metal circuit board 31 can also be suppressed. Further, by setting the thickness of the metal circuit board 31 to five times or less the thickness of the ceramic substrate 33, the warpage of the ceramic circuit board 39 due to the difference in thermal expansion coefficient between the metal circuit board 31 and the ceramic substrate 33 can be suppressed, and the ceramic substrate 33 can be suppressed.
[0045]
Further, the ceramic substrate 33 is not particularly limited, but preferably has a high strength and has as its main component any of silicon nitride, aluminum nitride, alumina, and zirconia having a low coefficient of thermal expansion. Preferably, the ceramic substrate 33 is formed of a silicon nitride sintered body having a relatively high thermal conductivity.
[0046]
Further, the types of the ceramic substrates 33 disposed on both surfaces of the metal circuit board 31 are desirably the same from the viewpoint of uniformly restraining the metal circuit board 31, but are not necessarily the same. From the viewpoint of the effect of controlling the stress and preventing the warpage, the difference between the coefficients of thermal expansion of the front and back

ceramic substrates

33a and 33b is desirably 2.0 × 10 ⁻⁶ mm / ° C. or less. It is desirable to be within × 10 ⁻⁶ mm / ° C.
[0047]
The metal circuit board 31 preferably includes at least one of copper, aluminum, tungsten, molybdenum, and an alloy thereof. Particularly, from the viewpoints of thermal conductivity, raw material cost, and conductivity, it is desirable to use copper and aluminum as main components.
[0048]
Further, it is preferable that the ceramic substrate 33 and the metal circuit board 31 are joined by any one of a direct joining method, an active metal joining method, and an aluminum-based brazing material joining method. When the direct bonding method is used and the metal circuit board 31 is made of copper, it is bonded to the ceramic substrate 33 by a eutectic compound with Cu—O containing oxygen (copper direct bonding method: DBC method). Further, when the metal circuit board 31 is an aluminum circuit board, the metal circuit board 31 is bonded to the ceramic substrate 33 by an Al-Si eutectic compound containing silicon (aluminum direct bonding method: DBA method).
[0049]
The active metal method is a method of joining the metal circuit board 31 to the ceramic substrate 33 via a brazing material containing an active metal such as Ti, Zr, and Hf, and the Al brazing material joining method contains Al. In this method, the metal circuit board 31 is joined to the ceramic substrate 33 via a brazing material.
[0050]
The semiconductor module according to the present invention is configured by disposing a heat sink base 41 on the surface of the ceramic circuit board 39 adjusted as described above, which is opposite to the surface on which the semiconductor element 35 is mounted.
[0051]
As a method for joining the ceramic circuit board 39 according to the above configuration and the semiconductor module using the same to the heat sink base 41, not only an adhesive and a grease containing a polymer as a main component but also a solder, a brazing material or the like may be used. Good. Further, the heat sink base 41 of the present invention does not show only a so-called heat sink (heat radiating plate), but includes all those to which the ceramic circuit board 39 such as a mounting board is joined or mounted.
[0052]
Next, the ceramic circuit board of the present invention and a semiconductor module using the same will be specifically described with reference to examples.
[0053]
【Example】
An active solder paste made of Ag-Cu-Ti was applied to one surface of

ceramic substrates

33a and 33b having the material and the thickness shown in Table 1 having a 12 mm square penetrating concave portion 37. The outer dimensions of both the

ceramic substrates

33a and 33b were 33 mm square.
[0054]
Next, the thickness of the 33 mm square metal circuit board 31 made of the material shown in Table 1 was changed in the range shown in Table 1, and the active solder of the ceramic substrate 33a was applied to one surface of the metal circuit board 31. The surfaces of the ceramic circuit board 33b, on which the active solder was applied, were brought into contact with the other surface of the metal circuit board 31, and the laminate was joined in vacuum at 800 ° C. for 10 minutes.
[0055]
Next, a Sn-Pb eutectic solder paste was applied to the metal circuit board 31 exposed from the concave portion 37 of the ceramic substrate 33a, and the semiconductor element 35 was brought into contact.
[0056]
Next, reflow was performed at 300 ° C. for 30 minutes, and the semiconductor element 35 was bonded to the metal circuit board 31 exposed from the concave portion 37 of the ceramic substrate 33a of the laminate.
[0057]
The current control wiring was connected to the semiconductor element 35 of the ceramic circuit board 39 manufactured in the above steps, and the current wiring was connected to the semiconductor element 35 and the metal circuit board 31.
[0058]
Among these manufacturing steps, the presence or absence of cracks in the ceramic substrate 33 after bonding the metal circuit board 31 and the ceramic substrate 33 and the presence or absence of cracks in the ceramic substrate 33 and the semiconductor element 35 after mounting the semiconductor element 35 were confirmed. Table 1 shows the percentage of defective products.
[0059]
Further, after mounting the semiconductor element 35, the warpage and the thermal resistance of the ceramic circuit board 39 were measured, and the results are shown in Table 1.
[0060]
The warpage of the ceramic circuit board 39 is determined by measuring the Rmax value on a line connecting two diagonals of the ceramic board 33b of the ceramic circuit board 39 on which the semiconductor element 35 is not mounted using a surface roughness meter, and averaging the Rmax values. The value was taken as the value of the warpage. In Table 1, those having a measured warp value smaller than 0 indicate that the center portion of the ceramic substrate 33b of the ceramic circuit board 39 on which the semiconductor element 35 is not mounted is dented, and those having a measured warp value larger than 0 indicate ceramic. This shows that the center of the ceramic substrate 33b of the circuit board 39 on which the semiconductor element 35 is not mounted is raised.
[0061]
In the measurement of the thermal resistance, a current is caused to flow through the semiconductor element 35 to generate heat, and the temperature of the semiconductor element 35 during operation is calculated from the temperature-dependent data of parameters sensitive to the temperature of the semiconductor element 35 to calculate the thermal resistance. The TSP method (Temperature sensitive parameter method) was used. The results are shown in Table 1.
[0062]
For comparison, a circuit board (sample No. 21) in which the ceramic substrate 33a is bonded to only one side of the metal circuit board 31 and a circuit board (sample No. 22) in which the ceramic substrate 33b is bonded only to one side of the metal circuit board 31 In the same manner as described above, the number of defective products, warpage, and thermal resistance were determined at the time of assembling the circuit board and mounting the semiconductor element, and the results are also shown in Table 1.
[0063]
[Table 1]

[0064]
As can be seen from the results in Table 1, the sample No. having the ceramic circuit board 33a provided only on the side where the metal circuit board 31 and the semiconductor element 35 were mounted was outside the scope of the present invention. In the ceramic circuit board No. 21, the warpage was extremely large due to the large thermal stress, and the defect rate when assembling the circuit board and the defect rate when mounting the semiconductor element 35 were extremely high.
[0065]
The sample No. 3 in which the ceramic circuit board 33b was provided only on the metal circuit board 31 outside the scope of the present invention and on the side opposite to the side on which the semiconductor element 35 was mounted. Since the ceramic circuit board 22 has a large thermal stress, the warpage becomes extremely large, and there are many defects in assembling the circuit board. In particular, since there is no ceramic board 33a on the semiconductor element 35 mounting side, the thermal expansion of the metal circuit board 31 is small. Without being restrained, the failure rate when the semiconductor element 35 was mounted was extremely high.
[0066]
The sample No. 21 and 22, non-defective products were not obtained, and the thermal resistance could not be measured.
[0067]
On the other hand, the ceramic substrates 33 are provided on both surfaces of the metal circuit board 31, and the concave portions 37 are formed on the ceramic substrate 33 a on the mounting surface side of the semiconductor element 35 so that the metal circuit board 31 is exposed. And the ceramic circuit board 39 (sample Nos. 1 to 20) of the present invention having a structure in which the thermal expansion and thermal contraction of the metal circuit board 31 are restricted from both sides, the warpage due to the thermal stress and the thermal resistance are reduced. Both have excellent characteristics such as small warpage of 50 μm or less and thermal resistance of 0.5 ° C./W or less. Therefore, it can be seen that defective products hardly occur when the ceramic circuit board 39 is assembled and when the semiconductor element 35 is mounted, and the heat dissipation is excellent.
[0068]
In addition, the thickness of the metal circuit board 31 was 0.5 mm, and the thickness of the ceramic substrate 33a on the side where the semiconductor element 35 was mounted and the thickness of the ceramic substrate 33b on the opposite side were the same, and the sample No. was changed in the range of 0.05 to 2 mm. . In Nos. 1 to 5, when assembling with a sample in which the thickness of the ceramic substrate 33 was 0.1 mm or more, the failure rate when the semiconductor element 35 was mounted was 0%, and a high yield was achieved. Also, the warpage was 40 μm or less.
[0069]
Further, the thickness of the metal circuit board 31 was set to 1 mm, and the thicknesses of the ceramic substrate 33a on the semiconductor element 35 mounting side and the ceramic substrate 33b on the opposite side were changed. In Samples Nos. 6 to 9, the ratio of the thickness of one ceramic substrate to the thickness of the other ceramic substrate exceeded the range of 0.3 to 3 times. Samples Nos. 7 and 9 were slightly defective, whereas Sample Nos. In which the ratio of the thickness of one ceramic substrate to the thickness of the other ceramic substrate was in the range of 0.3 to 3 times. In Nos. 6 and 8, the failure rate when assembling and mounting the semiconductor element 35 was 0%, and a high yield was achieved.
[0070]
In addition, the thickness of the ceramic substrate 33b on the side opposite to the ceramic substrate 33a on which the semiconductor element 35 was mounted was 0.5 mm, and the thickness of the metal circuit board 31 was changed in the range of 0.08 to 3 mm. In Sample Nos. 10 to 13, the metal circuit board 31 had a thickness of less than 0.1 mm. In No. 10, although no defect occurred, the thermal resistance was slightly higher at 0.49 ° C./W as compared with other samples. In addition, the sample No. in which the ratio of the thickness of the metal circuit board 31 to the thickness of the ceramic substrate 33 exceeds 5 In the case of No. 13, due to an increase in the thermal stress, a slight defect occurred during the assembly and mounting of the semiconductor element 35.
[0071]
The sample No. described above was used. 1-13 is an example of combining the _Si 3 _{N 4} made of the ceramic substrate 33 and the Cu-made metal circuit plate 31.
[0072]
Sample No. ₃ using Si ₃ N ₄ , AlN, Al ₂ O ₃ , and ZrO ₂ as the ceramic substrate 33 and Cu, Al, W, and Mo as the metal circuit board 31. 17-17, a low defect rate was achieved.
[0073]
In addition, the sample No. in which the ceramic substrates 33 on both sides were made of different materials. In No. 17, the defective rate tends to slightly increase as compared with the case where the same material is used, but it is presumed that the defective rate can be reduced by appropriately adjusting the thickness of each.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, in the ceramic circuit board of the present invention, the ceramic circuit board is formed on both sides of the metal circuit board, and a concave portion is formed in the ceramic substrate on the element mounting surface side so that the metal circuit board is exposed, thereby mounting the semiconductor element. And the thermal expansion of the metal circuit board is constrained from both sides, so when joining the ceramic substrate and the metal circuit board, balance is maintained while suppressing the occurrence of thermal stress on the front and back of the metal circuit board , Suppress the occurrence of warpage. Therefore, generation of cracks in the ceramic substrate can be further prevented without warping during assembly.
[0075]
Also, when mounting the electric element on the ceramic circuit board with solder etc., since the central copper layer is constrained by the ceramic layers on both sides, warpage occurs and the electric element and the joint due to repeated thermal cycling Can be used without cracking.
[0076]
Furthermore, since the metal circuit board on which the electric elements are mounted is made of a metal with high thermal conductivity, such as copper or aluminum, the heat generated by the electric elements can be efficiently released to the outside, and with a simple structure. For this reason, a ceramic circuit board can be provided at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a ceramic circuit board of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a conventional ceramic circuit board.
FIG. 3 is a sectional view showing another embodiment of a conventional ceramic circuit board.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a form in which a conventional ceramic circuit board and a heat sink base are connected.
[Explanation of symbols]
31 ... metal circuit board 33 ... ceramic substrate 35 ... electric element 37 ... recess 39 ... ceramic circuit board 41 ... heat sink base

Claims

A ceramic substrate is joined to both surfaces of a metal circuit board, and a concave portion is formed on one of the ceramic substrates so that the metal circuit plate is exposed, and an electric element is mounted on the metal circuit plate exposed on the concave portion. A ceramic circuit board, characterized in that:

2. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the thickness of one of the ceramic substrates is 0.1 mm or more and 0.3 to 3 times the thickness of the other ceramic substrate.

3. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the thickness of the metal circuit board is 0.1 mm or more and 5 times or less the thickness of the ceramic substrate.

The ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 3, wherein the ceramic substrate contains at least one selected from silicon nitride, aluminum nitride, alumina, and zirconia as a main component.

The ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 4, wherein one ceramic substrate and the other ceramic substrate are of the same quality.

The ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal circuit board is made of at least one of copper, aluminum, tungsten, molybdenum, and an alloy thereof.

The ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 6, wherein the ceramic substrate is joined to the metal circuit board by any one of a direct joining method, an active metal joining method, and an aluminum-based brazing material joining method. .

The electric circuit module according to claim 1, wherein a heat sink base is provided on a surface on a side opposite to the surface where the electric element is mounted on the ceramic circuit board according to claim 1.