陶瓷銅電路基板和使用了陶瓷銅電路基板的半導(dǎo)體裝置制造方法
【專利摘要】實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板(1)具備陶瓷基板(2)、和經(jīng)由包含活性金屬元素的接合層而接合到陶瓷基板(2)的兩面的第1以及第2銅板。在第1以及第2銅板的端部的截面中，比在從銅板與陶瓷基板的接合端朝向銅板的上表面內(nèi)側(cè)方向而與界面形成45°的方向上描繪出的直線(AB)還向銅板的外側(cè)方向露出的截面的面積(C)相對與以直線(AB)為斜邊的直角三角形相當(dāng)?shù)慕孛娴拿娣e(D)的比例(C/D)是0.2以上且0.6以下的范圍。在第1以及第2銅板的上表面端部分別設(shè)置有R部，并且R部的從第1以及第2銅板的上方觀察到的長度(F)為100μm以下。
【專利說明】陶瓷銅電路基板和使用了陶瓷銅電路基板的半導(dǎo)體裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種陶瓷銅電路基板和使用了陶瓷銅電路基板的半導(dǎo)體
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，在功率模塊用電路基板中使用了將廉價(jià)的氧化鋁基板、高熱導(dǎo)性的氮化鋁基板、高強(qiáng)度的氮化硅基板等陶瓷基板、熱導(dǎo)率大的銅板等金屬板通過使用鑰(Mo)、鎢(W)的高熔點(diǎn)金屬法、利用了銅與氧的共晶反應(yīng)的DBC(Direct Bonding Copper:直接接合銅)法、使用了如鈦(Ti)那樣的活性金屬的活性金屬接合法等進(jìn)行接合得到的接合基板。將接合到陶瓷基板的金屬板例如通過蝕刻來進(jìn)行構(gòu)圖，從而構(gòu)成電路基板。在各種接合方法中，能夠提高接合強(qiáng)度，因此一般使用了活性金屬接合法。
[0003]在使用陶瓷電路基板來構(gòu)成半導(dǎo)體裝置的情況下，在銅板等金屬板上經(jīng)由焊錫層而搭載了半導(dǎo)體芯片。作為對陶瓷電路基板的要求特性之一，可舉出熱循環(huán)試驗(yàn)(ThermalCycle Test:TCT)特性。TCT是如下試驗(yàn):在低溫、室溫、高溫的環(huán)境下分別保持一定時(shí)間，調(diào)查陶瓷電路基板對于這樣的溫度變化具有哪種程度的耐久性。
[0004]為了提高陶瓷電路基板的TCT特性，提出了使焊接材料層從銅板的端部露出的構(gòu)造。在具有這種結(jié)構(gòu)的陶瓷銅電路基板中，在實(shí)施了以-40°C X30分鐘一室溫XlO分鐘—1250C X 30分鐘一室溫X 10分鐘為一個(gè)循環(huán)的TCT時(shí)，得出報(bào)告在300個(gè)循環(huán)后陶瓷基板也沒有產(chǎn)生裂紋。然而，伴隨著半導(dǎo)體芯片的高功率化，要求作為TCT特性在1000個(gè)循環(huán)級(jí)別中陶瓷基板不產(chǎn)生裂紋的陶瓷銅電路基板。
[0005]進(jìn)而，提出了作為陶瓷基板使用氮化硅基板、并且通過控制從銅板的端部露出的焊接材料的組成來提高TCT特性的陶瓷銅電路基板。在這種陶瓷銅電路基板中，通過將-50°c X30分鐘一室溫X 10分鐘一1550C X30分鐘一室溫X 10分鐘設(shè)為一個(gè)循環(huán)而實(shí)施了條件更嚴(yán)格的TCT時(shí)，得出報(bào)告在5000個(gè)循環(huán)級(jí)別中陶瓷基板不產(chǎn)生裂紋。
[0006]另外，半導(dǎo)體芯片還推進(jìn)了高功率化。與其相伴，目前Si元件的工作溫度為100~130°C左右，對此，預(yù)測會(huì)上升至160~190°C左右。進(jìn)而，預(yù)測在SiC元件中工作溫度的高溫化推進(jìn)至200~250°C。為了應(yīng)對這種半導(dǎo)體芯片的高功率化與工作溫度的高溫化，陶瓷銅電路基板被要求提高更嚴(yán)格的條件下的TCT特性。
[0007]如上述那樣，通過使用氮化硅基板作為陶瓷基板，提高TCT特性。另一方面，在氮化鋁基板、氧化鋁基板中，只能得到300~400個(gè)循環(huán)左右的耐久性。氮化硅基板能夠?qū)⑷c(diǎn)彎曲強(qiáng)度高強(qiáng)度化至600Mpa以上。能夠通過使用這種氮化硅基板來提高TCT特性，但另一方面氮化硅基板一般與氮化鋁基板、氧化鋁基板相比昂貴，因此陶瓷銅電路基板的制造成本增加。因此，要求在使用了氮化鋁基板、氧化鋁基板的情況下也能夠提高TCT特性的陶瓷銅電路基板。
[0008]在陶瓷銅電路基板上搭載半導(dǎo)體芯片的情況下，一般使用接合裝配裝置。在這種裝置中，對銅板的表面進(jìn)行圖像識(shí)別來檢測位置，在針對檢測出位置的銅板定位了半導(dǎo)體芯片之后，將半導(dǎo)體芯片搭載到銅板上。通過使用CCD照相機(jī)等檢測器來檢測銅板的端部的位置從而實(shí)施銅板的位置檢測。為了提高TCT特性而對從銅板的端部露出的焊接材料的組成進(jìn)行了控制的情況下，銅板的端部成為緩和的傾斜面。在這種緩和的傾斜面中，產(chǎn)生檢測器對銅板端部的檢測精度下降這樣的問題。而且，在銅板端部形成了緩和的傾斜面的情況下，相對于銅板的面積，能夠搭載半導(dǎo)體芯片的面積變小。因此，半導(dǎo)體裝置的設(shè)計(jì)上的限制變大。
[0009]專利文獻(xiàn)1:日本特開平11-340598號(hào)公報(bào)
[0010]專利文獻(xiàn)2:國際公開第2011/034075號(hào)
[0011]專利文獻(xiàn)3:日本專利第4346151號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明要解決的課題在于，提供一種能夠在提高TCT特性的基礎(chǔ)上提高銅板的位置檢測精度和基于此的半導(dǎo)體芯片的定位精度的陶瓷銅電路基板和使用了該陶瓷銅電路基板的半導(dǎo)體裝置。
[0013]實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板具備:陶瓷基板，具有第I面和第2面；第I銅板，經(jīng)由包含從T1、Zr、Hf、Al以及Nb中選擇的至少一種活性金屬元素和從Ag、Cu、Sn、In以及C中選擇的至少一種元素的第I接合層，接合到所述陶瓷基板的第I面；以及第2銅板，經(jīng)由包含從T1、Zr、Hf、Al以及Nb中選擇的至少一種活性金屬元素和從Ag、Cu、Sn、In以及C中選擇的至少一種元素的第2接合層，接合到所述陶瓷基板的第2面。在第I以及第2銅板的端部的截面中，將銅板與陶瓷基板的接合端設(shè)為點(diǎn)A，將在從點(diǎn)A朝向銅板的上表面的內(nèi)側(cè)而與銅板和陶瓷基板的界面形成45°的方向上描繪出的直線與銅板上表面相交的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)B，將比連接點(diǎn)A和點(diǎn)B的直線AB還向銅板的外側(cè)方向露出的截面的面積設(shè)為面積C，并將與以直線AB為斜邊的直角三角形相當(dāng)?shù)慕孛娴拿娣e設(shè)為面積D時(shí)，第I以及第2銅板的端部具有面積C相對面積D的比例(C/D)為0.2以上且0.6以下的范圍的形狀。而且，在與面積C的角部相當(dāng)?shù)牡贗以及第2銅板的上表面的端部分別設(shè)置有R部，并且R部的從第I以及第2銅板的上方觀察到的長度F為100 μ m以下。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是表示實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板的截面圖。
[0015]圖2是表示實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板中的銅板的端部的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0016]圖3是用于說明實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板中的銅板的端部的形狀的圖。
[0017]圖4是從第I銅板側(cè)觀察實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板的俯視圖。
[0018]圖5是從第2銅板側(cè)觀察實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板的后視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面，參照【專利附圖】

【附圖說明】實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板和使用了該陶瓷銅電路基板的半導(dǎo)體裝置。圖1是表示實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板的結(jié)構(gòu)的截面圖。在圖1中，I是陶瓷銅電路基板，2是陶瓷基板，3是銅電路板(第I銅板)，4是背側(cè)銅板(第2銅板)。圖1示出了作為銅電路板3而將兩個(gè)銅板接合到陶瓷基板2的例子，但是實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板的結(jié)構(gòu)不限于此。銅電路板3的個(gè)數(shù)能夠適當(dāng)增減。圖1示出了將一個(gè)銅板作為背側(cè)銅板5而接合到陶瓷基板2的例子，但是實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板的結(jié)構(gòu)不限于此。第2銅板不限于在安裝、散熱等中使用的背側(cè)銅板4，也可以是銅電路板。
[0020]在實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板I中，陶瓷基板2的第I面2a經(jīng)由第I接合層5而被接合有銅電路板(第I銅板)3。陶瓷基板2的第2面2b經(jīng)由第2接合層6而被接合有背側(cè)銅板(第2銅板)4。第I以及第2接合層5、6包含有從鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鋁(Al)以及鈮(Nb)中選擇的至少一種活性金屬元素、和從銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、銦(In)以及碳(C)中選擇的至少一種元素。實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板I是通過在陶瓷基板2的兩面2a、2b利用活性金屬接合法來接合銅板3、4而構(gòu)成的。
[0021]活性金屬接合法是如下方法:使用包含從T1、Zr、Hf、Al以及Nb中選擇的至少一種活性金屬元素、和從Ag、Cu、Sn、In以及C中選擇的至少一種元素的活性金屬焊接材料，將陶瓷基板2與銅板3、4進(jìn)行接合?；钚越饘俸附硬牧蟽?yōu)選為如下:在將活性金屬元素、Ag、Cu、Sn、In以及C的總計(jì)設(shè)為100質(zhì)量％時(shí)，含有I?6質(zhì)量％的活性金屬元素、50?80質(zhì)量％的Ag、15?30質(zhì)量％的Cu、15質(zhì)量％以下(包括零)的Sn、15質(zhì)量％以下(包括零)的In、以及2質(zhì)量％以下(包括零)的碳。通過使用具有這種組成的活性金屬焊接材料，能夠控制接合層5、6的成分。
[0022]活性金屬焊接材料進(jìn)一步優(yōu)選為含有活性金屬元素、Ag、Cu、以及從Sn、In及C中選擇的至少一種。從Sn、In及C中選擇的至少一種元素的含有量優(yōu)選設(shè)為I?15質(zhì)量％的范圍。活性金屬元素是通過與陶瓷基板2進(jìn)行反應(yīng)來形成反應(yīng)相從而提高陶瓷基板2與銅板3、4的接合強(qiáng)度的成分。在作為活性金屬元素而使用了 Ti的情況下，如果陶瓷基板2為氧化鋁基板，則形成Ti氧化物相。在作為陶瓷基板2而使用了氮化硅基板、氮化鋁基板的情況下，形成Ti氮化物相。活性金屬元素中的T1、Zr容易與陶瓷基板2形成反應(yīng)相，因此是優(yōu)選使用的。特別是優(yōu)選使用Ti。
[0023]Ag與Cu是生成共晶的組合。通過形成Ag與Cu的共晶來強(qiáng)化接合層5、6。而且，通過含有從Sn、In以及C中選擇的至少一種，能夠控制接合層5、6的熱膨脹系數(shù)、柔軟性。在實(shí)施了陶瓷銅電路基板I的TCT時(shí)，陶瓷基板2中產(chǎn)生的裂紋是由陶瓷基板2與銅板3、4的熱膨脹差所致的應(yīng)力而引起的。為了緩和熱膨脹差，優(yōu)選將接合層5、6的熱膨脹系數(shù)調(diào)整為陶瓷基板2與銅板3、4之間的值。Sn、In以及C是不阻礙Ag-Cu共晶的生成而對熱膨脹系數(shù)的調(diào)整有效的成分。而且，通過含有從Sn、In以及C中選擇的至少一種，能夠提高接合層5、6的柔軟性。通過提高接合層5、6的柔軟性，能夠吸收在TCT時(shí)銅板3、4熱膨脹時(shí)的變形應(yīng)力。
[0024]實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板I在對銅板3、4的端部進(jìn)行截面觀察時(shí)具有以下所示的端部形狀。即，在銅板3、4的端部的截面中，在將銅板與陶瓷基板的接合端設(shè)為點(diǎn)A，將在從點(diǎn)A朝向銅板的上表面的內(nèi)側(cè)而與銅板和陶瓷基板的界面形成45°的方向上描繪的直線與銅板上表面相交的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)B，將比連接點(diǎn)A和點(diǎn)B的直線AB還向銅板的外側(cè)方向露出的截面的面積設(shè)為面積C，將與以直線AB為斜邊的直角三角形相當(dāng)?shù)慕孛娴拿娣e設(shè)為面積D時(shí)，第I以及第2銅板3、4具有面積C相對面積D的比例(C/D)為0.2以上0.6以下的范圍的端部形狀。而且，在與面積C的角部相當(dāng)?shù)牡贗以及第2銅板3、4的上表面的端部分別設(shè)置有R部，并且R部的從第I以及第2銅板3、4的上方觀察到的長度F為100 μ m以下。
[0025]圖2以及圖3表示實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板I中的銅板3、4的端部形狀。參照圖2以及圖3，說明點(diǎn)A、點(diǎn)B、直線AB、面積C、面積D、長度E、以及長度F。首先，觀察任意的銅板的端部的截面。將該觀察截面設(shè)為銅板的厚度方向的截面。圖2以及圖3主要示出銅電路板(第I銅板)3的端部。背側(cè)銅板(第2銅板)4的端部也具有與銅電路板(第I銅板)3相同的形狀。下面所示的端部形狀表示銅電路板(第I銅板)3以及背側(cè)銅板(第2銅板)4的端部的形狀。
[0026]如圖3所示，點(diǎn)A是銅板3與陶瓷基板2的接合端。此外，在圖3中省略了接合層5的圖示。在從點(diǎn)A朝向銅板3的上表面的內(nèi)側(cè)而與銅板3和陶瓷基板2的界面形成45°的方向上劃出直線，將該直線與銅板3的上表面相交的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)B。將比連接點(diǎn)A和點(diǎn)B的直線AB還朝向銅板2的外側(cè)方向而露出的截面的面積設(shè)為面積C，將與以直線AB為斜邊的直角三角形相當(dāng)?shù)慕孛娴拿娣e設(shè)為面積D。實(shí)施方式中的銅板3(4)具有面積C相對面積D的比例(C/D)為0.2?0.6的范圍的端部形狀。
[0027]當(dāng)面積比例C/D為0.2?0.6的范圍時(shí)，在銅板3(4)的端部形成適當(dāng)?shù)膬A斜面。通過在銅板3(4)的端部形成適當(dāng)?shù)膬A斜面，從而在陶瓷銅電路基板I的TCT時(shí)，緩和在銅板3(4)的端部產(chǎn)生的應(yīng)力(由熱膨脹差引起的應(yīng)力)。因而，能夠提高陶瓷銅電路基板I的TCT特性。當(dāng)面積比例(C/D)小于0.2時(shí)，銅板3 (4)的半導(dǎo)體芯片的搭載面積變小。當(dāng)面積比例(C/D)超過0.6時(shí)，得不到由熱膨脹差引起的應(yīng)力的緩和效果。面積比例(C/D)更優(yōu)選為0.3?0.5的范圍。采用相對于界面為45°的直線作為面積D的基準(zhǔn)的理由是因?yàn)橐蕴沾摄~電路基板的45°散熱仿真為前提。
[0028]如圖2所示，在銅板3(4)的上表面的端部分別設(shè)置有R部。銅板3(4)的上表面的端部相當(dāng)于面積C的角部。R部具有從銅板3 (4)的上方看到的R部的長度F為100 μ m以下的形狀。長度F為IOOym以下這意味著R部具有曲率半徑R小的形狀。當(dāng)長度F為IOOym以下時(shí)，能夠提高應(yīng)用了圖像識(shí)別的銅板3(4)的位置檢測精度。當(dāng)長度F超過ΙΟΟμπι時(shí)R形狀變緩，在應(yīng)用圖像識(shí)別來檢測銅板3 (4)的端部時(shí)的精度中產(chǎn)生偏差。接合裝配裝置等中的定位是通過使用CCD照相機(jī)等檢測器對銅板3(4)進(jìn)行圖像識(shí)別而實(shí)施的。當(dāng)無法對銅板3(4)的端部正確地進(jìn)行圖像識(shí)別時(shí)，銅板3(4)的定位精度下降，由此，半導(dǎo)體芯片的搭載場所的定位精度變差。
[0029]當(dāng)在陶瓷銅電路基板I中搭載半導(dǎo)體芯片而制作半導(dǎo)體裝置時(shí)如果半導(dǎo)體芯片的搭載位置產(chǎn)生偏差，則有可能無法正確地進(jìn)行針對半導(dǎo)體芯片的電連接。而且，根據(jù)情況，半導(dǎo)體裝置自身成為不合格。半導(dǎo)體芯片的搭載工序通過接合裝配裝置等而實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。因此，如果通過機(jī)械無法正確地識(shí)別半導(dǎo)體芯片的搭載位置，則成為不合格品。通過將如上所述的R部設(shè)置于銅板3 (4)的上表面端部，能夠使用圖像識(shí)別來高精度地檢測銅板3的端部。長度F優(yōu)選是50μπι以下。但是，如果長度F過短，則容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此長度F優(yōu)選是10 μ m以上，更優(yōu)選是20 μ m以上。
[0030]圖4是從銅電路板3側(cè)觀察陶瓷銅電路基板I的俯視圖，圖5是從背側(cè)銅板4側(cè)觀察陶瓷銅電路基板I的后視圖。在圖4所示的銅電路板3的一部分中搭載了半導(dǎo)體芯片(未圖示)。通過圖像識(shí)別來檢測銅電路板3的端部，并根據(jù)離它的距離來識(shí)別半導(dǎo)體芯片的搭載位置。因此，銅電路板3的端部必須是容易圖像識(shí)別的形狀。關(guān)于本實(shí)施方式中的銅電路板3,端部作為容易圖像識(shí)別的形狀而具有長度F為100 μ m以下的R形狀。此外,在圖4中省略了半導(dǎo)體芯片的圖示。本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置通過在銅電路板3的一部分中搭載半導(dǎo)體芯片來構(gòu)成。
[0031]在第I以及第2接合層5、6中，接合層的每IOmm2的形成面積中的活性金屬元素的含有量優(yōu)選是0.5mg以上0.Sm以下的范圍。如上所述，活性金屬元素與陶瓷基板2進(jìn)行反應(yīng)而形成反應(yīng)相。如果接合層5、6的每IOmm2的形成面積中的活性金屬元素的含有量小于0.5mg (毫克)，則活性金屬元素的量不足，接合強(qiáng)度下降。另一方面，即使活性金屬元素的含有量超過0.8mg，也得不到其以上的效果，而且還會(huì)成為使陶瓷銅電路基板I的制造成本增加的主要原因。接合層5、6的每IOmm2的形成面積中的活性金屬元素的含有量例如能夠根據(jù)活性金屬焊接材料中的活性金屬元素的含有量和活性金屬焊接材料的涂敷層的厚度來進(jìn)行調(diào)整。
[0032]而且，接合層5、6優(yōu)選為從銅板3、4的端部露出。接合層5、6從銅板3、4的端部露出的長度E優(yōu)選為IOym以上150 μ m以下的范圍。如圖2所示，接合層5、6的露出長度E是從點(diǎn)A向外側(cè)露出的接合層5、6的寬度。根據(jù)露出長度E為10 μ m以上的接合層5、6，能夠緩和在銅板3、4的端部產(chǎn)生的應(yīng)力。但是，如果露出長度E超過150 μ m，則得不到其以上的效果，而且在與相鄰的銅板之間無法確保絕緣性，有可能成為銅板間的短路的原因。露出長度E更優(yōu)選為10?100 μ m的范圍。但是，根據(jù)情況，也可以不使接合層5、6從銅板
3、4的端部露出。
[0033]陶瓷基板2優(yōu)選為由氮化硅燒結(jié)體構(gòu)成的氮化硅基板、由氮化鋁燒結(jié)體構(gòu)成的氮化鋁基板、或者由氧化鋁燒結(jié)體構(gòu)成的氧化鋁基板。氮化硅基板作為原材料具有三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為600MPa以上那樣的高強(qiáng)度。氮化鋁基板具有熱導(dǎo)率為170W/m.K以上那樣的高熱導(dǎo)性。氧化鋁基板是廉價(jià)的。根據(jù)這些基板的優(yōu)越性，根據(jù)目的來選定陶瓷基板2。如專利第4346151號(hào)公報(bào)所記載那樣，開發(fā)了三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為700MPa以上、且熱導(dǎo)率為80W/m.K以上的氣化娃基板。如果是聞強(qiáng)度且聞熱導(dǎo)性的氣化娃基板，則能夠在提聞了散熱性的基礎(chǔ)上還提高TCT特性。
[0034]陶瓷基板2的厚度優(yōu)選為0.2?Imm的范圍。銅板3、4的厚度優(yōu)選為0.1?Imm的范圍。當(dāng)陶瓷基板2的厚度小于0.2_時(shí)，有可能強(qiáng)度下降，TCT特性也下降。當(dāng)陶瓷基板2薄時(shí)不能確保絕緣性，還有可能產(chǎn)生泄漏電流。當(dāng)陶瓷基板2的厚度超過1_時(shí)成為熱敏電阻，有可能散熱性下降。當(dāng)銅板3、4的厚度小于0.1mm時(shí)，作為電路的電流密度下降。作為銅板3、4的強(qiáng)度也下降。當(dāng)銅板3、4的厚度超過Imm時(shí)，雖然電流密度提高，但是由于熱膨脹所致的變形量變大而有可能使TCT特性下降。銅板3、4的厚度更優(yōu)選為0.2?
0.6mm的范圍。
[0035]根據(jù)本實(shí)施方式，能夠大幅地提高陶瓷銅電路基板I的TCT特性。TCT是如下的耐久性試驗(yàn):將低溫區(qū)域一室溫一高溫區(qū)域一室溫設(shè)為I個(gè)循環(huán)，通過將這樣的循環(huán)重復(fù)地施加于陶瓷銅電路基板1，從而調(diào)查產(chǎn)生陶瓷基板2的裂紋、銅板3、4的剝離等問題的循環(huán)數(shù)。陶瓷銅電路基板I在將_40°C X 30分鐘一室溫(25°C ) X 10分鐘一175°C X 30分鐘一室溫(25°C ) X 10分鐘設(shè)為I個(gè)循環(huán)的TCT中，具有在1000個(gè)循環(huán)后陶瓷基板2也不產(chǎn)生裂紋這樣的特性。而且，在將_50°C X30分鐘一室溫(25°C ) X 10分鐘一250°C X30分鐘—室溫(25°C ) X 10分鐘設(shè)為I個(gè)循環(huán)的TCT中也相同。[0036]關(guān)于以往的TCT，例如最大溫度(高溫區(qū)域)為125°C，或最大溫度(高溫區(qū)域)為150°C。與此相對，實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板I是示出在將最大溫度(高溫區(qū)域)為1700C以上的TCT實(shí)施了 1000個(gè)循環(huán)時(shí)陶瓷基板也不產(chǎn)生裂紋這樣的優(yōu)良的特性的基板。具體的TCT條件如上所述。即，在如低溫區(qū)域與高溫區(qū)域的溫度差為210°C以上的TCT、進(jìn)而溫度差為300°C的TCT那樣更嚴(yán)格的條件下，實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板I也示出優(yōu)良的特性。
[0037]根據(jù)這種陶瓷銅電路基板1，能夠大幅地提高在銅電路板3上搭載半導(dǎo)體芯片而構(gòu)成的半導(dǎo)體裝置的可靠性。因此，即使由于Si元件的高功率化而使工作溫度成為170°C，也能夠維持陶瓷銅電路基板I的可靠性。同樣地，在搭載如SiC元件那樣工作溫度為200?2500C的半導(dǎo)體芯片的情況下，也能夠維持陶瓷銅電路基板I的TCT特性。換句話說，陶瓷銅電路基板I作為搭載工作溫度為170°C以上的半導(dǎo)體芯片的電路基板而有效。
[0038]接著，說明陶瓷銅電路基板I的制造方法。實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板I只要具有所述的結(jié)構(gòu)即可，該制造方法沒有被特別限定。作為用于高效地獲得實(shí)施方式的陶瓷銅電路基板I的方法，可舉出以下所示那樣的制造方法。
[0039]首先，準(zhǔn)備陶瓷基板2。調(diào)制活性金屬焊接材料膏?；钚越饘俸附硬牧现械幕钚越饘僭?、Ag、Cu、Sn、In、C的比例如上所述。將活性金屬焊接材料膏涂敷在陶瓷基板2上。活性金屬焊接材料膏的涂敷厚度優(yōu)選設(shè)為10?40 μ m的范圍。在涂敷厚度小于10 μ m時(shí)，接合強(qiáng)度有可能下降。作為接合層5、6的熱應(yīng)力緩和層的功能也下降。當(dāng)涂敷厚度超過40 μ m時(shí)不僅得不到其以上的效果，而且還成為使陶瓷銅電路基板I的制造成本增加的主要原因。
[0040]接著，在活性金屬焊接材料膏的涂敷區(qū)域上配置銅板3。此時(shí)，在陶瓷基板2的背面也涂敷活性金屬焊接材料膏，在兩面配置銅板3、4。銅板3、4優(yōu)選為無氧銅板。銅板3、4既可以預(yù)先加工為電路圖案形狀，也可以是與陶瓷基板2相同的縱橫尺寸。接著，進(jìn)行加熱而將陶瓷基板2與銅板3、4進(jìn)行接合。加熱優(yōu)選為在真空中、或氮?dú)獾榷栊詺怏w環(huán)境中進(jìn)行。加熱條件優(yōu)選為700?900°C X 10?120分鐘。在加熱溫度小于700°C、或者加熱時(shí)間小于10分鐘的情況下，活性金屬元素與陶瓷基板2的反應(yīng)相沒有充分地形成，接合強(qiáng)度有可能下降。當(dāng)加熱溫度超過900°C、或者加熱時(shí)間超過120分鐘時(shí)，對銅板3、4過度施加熱變形而成為產(chǎn)生不合格的原因。
[0041]銅板3、4例如為了形成電路圖案而根據(jù)需要被蝕刻。既可以通過將預(yù)先把端部加工為目標(biāo)形狀而得到的銅板3、4接合到陶瓷基板2從而獲得銅板3、4的端部形狀，也可以以使在接合后成為目標(biāo)形狀的方式對銅板3、4進(jìn)行蝕刻而獲得銅板3、4的端部形狀。在應(yīng)用蝕刻的情況下，銅板3、4的端部形狀能夠通過蝕刻條件的強(qiáng)弱等來進(jìn)行調(diào)整。在接合層
5、6的露出長度E的調(diào)整中，有效的是使用例如國際公開第2011/034075號(hào)小冊子所示那樣的掩蔽等。
[0042]實(shí)施例
[0043]接著，敘述具體的實(shí)施例及其評(píng)價(jià)結(jié)果。
[0044](實(shí)施例1?11、比較例I?9)
[0045]作為陶瓷基板，準(zhǔn)備了板厚為0.635mm的氮化硅基板(熱導(dǎo)率:90W/m.K，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度:730MPa)、板厚為0.635mm的氮化鋁基板(熱導(dǎo)率:180W/m.K，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度:400MPa)、板厚為0.635mm的氧化鋁基板(熱導(dǎo)率:15W/m.Κ，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度:500MPa)。陶瓷基板的形狀統(tǒng)一為縱50mm X橫30mm。
[0046]接著，將表1中示出組成的活性金屬焊接材料進(jìn)行調(diào)制并膏化，而涂敷在陶瓷基板上。活性金屬焊接材料膏的涂敷厚度如表1所示。接著，準(zhǔn)備了板厚為0.3mm的銅板(無氧銅板)。銅板的形狀統(tǒng)一為縱45mmX橫25mm。在實(shí)施例1~9中使用了板厚為0.3mm的銅板，在實(shí)施例10~11中使用了板厚為0.5mm的銅板。在印刷了的活性金屬焊接材料膏上配置了銅板。
[0047]通過在真空中以800~840°C X 20~40分鐘的條件對配置了銅板的陶瓷基板進(jìn)行加熱，由此在陶瓷基板的兩面接合了銅板。通過使用FeCl3蝕刻液來蝕刻表面?zhèn)鹊你~板，由此形成了圖4所示的兩個(gè)電路圖案。電路圖案設(shè)為如下構(gòu)造:隔著2mm的間隔，形成了兩個(gè)縱20mmX橫20mm的圖案。而且，通過改變各種蝕刻條件，將銅板的端部加工為滿足表2所示的條件的形狀。表2所示的銅板的端部形狀設(shè)置于銅電路板以及背側(cè)銅板這兩者。
[0048][表 1]
[0049]
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷銅電路基板，其特征在于，具備: 陶瓷基板，具有第I面和第2面； 第I銅板，經(jīng)由包含從T1、Zr、Hf、Al以及Nb中選擇的至少一種活性金屬元素和從Ag、Cu、Sn、In以及C中選擇的至少一種元素的第I接合層，接合到所述陶瓷基板的第I面；以及 第2銅板，經(jīng)由包含從T1、Zr、Hf、Al以及Nb中選擇的至少一種活性金屬元素和從Ag、Cu、Sn、In以及C中選擇的至少一種元素的第2接合層，接合到所述陶瓷基板的第2面， 在所述第I以及第2銅板的端部的截面中，將所述銅板與所述陶瓷基板的接合端設(shè)為點(diǎn)A，將在從所述點(diǎn)A朝向所述銅板的上表面的內(nèi)側(cè)而與所述銅板和所述陶瓷基板的界面形成45°的方向上描繪出的直線與所述銅板上表面相交的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)B，將比連接所述點(diǎn)A和所述點(diǎn)B的直線AB向所述銅板的外側(cè)方向露出的截面的面積設(shè)為面積C，并將與以所述直線AB為斜邊的直角三角形相當(dāng)?shù)慕孛娴拿娣e設(shè)為面積D時(shí)，所述第I以及第2銅板的端部具有所述面積C相對所述面積D的比例(C/D)為0.2以上且0.6以下的范圍的形狀， 在與所述面積C的角部相當(dāng)?shù)乃龅贗以及第2銅板的所述上表面的端部分別設(shè)置有R部，并且所述R部的從所述第I以及第2銅板的上方觀察到的長度F為100 μ m以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷銅電路基板，其特征在于， 所述第I以及第2接合層的每IOmm2的形成面積中的所述活性金屬元素的含有量是0.5mg以上且0.8mg以下的范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷銅電路基板，其特征在于， 所述第I以及第2接合層的端部分別從所述第I以及第2銅板的端部露出，所述第I以及第2接合層的端部從所述第I以及第2銅板的端部的露出長度E是10 μ m以上且150 μ m以下的范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷銅電路基板，其特征在于， 所述第I以及第2接合層含有所述活性金屬元素、Ag、Cu、以及從Sn、In及C中選擇的至少一種元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷銅電路基板，其特征在于， 所述第I以及第2接合層含有所述活性金屬元素、Ag、Cu、Sn、In以及C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷銅電路基板，其特征在于， 所述陶瓷基板是氮化硅基板、氮化鋁基板或者氧化鋁基板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷銅電路基板，其特征在于， 所述陶瓷基板的厚度是0.2mm以上且Imm以下的范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷銅電路基板，其特征在于， 所述第I以及第2銅板的厚度分別是0.1mm以上且Imm以下的范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷銅電路基板，其特征在于， 在對所述陶瓷銅電路基板實(shí)施了 1000個(gè)循環(huán)的最大溫度為170°c以上的熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，在所述陶瓷基板中不產(chǎn)生裂紋。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的陶瓷銅電路基板，其特征在于， 以-40°C X 30 分鐘一室溫(25°C ) X 10 分鐘一175°C X 30 分鐘一室溫(25°C ) X 10 分鐘為I個(gè)循環(huán)來實(shí)施所述熱循環(huán)試驗(yàn)。
11.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具備:權(quán)利要求1所述的陶瓷銅電路基板；以及 半導(dǎo)體芯片，搭載在所述陶瓷銅電路基板的所述第I銅板上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體芯片具備SiC元件。
【文檔編號(hào)】H01L23/14GK104011852SQ201280063176
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月20日
【發(fā)明者】矢野圭一, 加藤寬正, 宮下公哉, 那波隆之 申請人:株式會(huì)社東芝, 東芝高新材料公司