JP2001168250A

JP2001168250A - 半導体用絶縁基板およびそれを用いた半導体装置並びに該基板の製造方法

Info

Publication number: JP2001168250A
Application number: JP35212399A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ishii; 隆石井; Hirohiko Nakada; 博彦仲田; Kenjiro Higaki; 賢次郎桧垣
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、セラミックス基材上にアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金の板状回路層が形成され
た基板について、従来のものに比べより大きな放熱能力
を持ち、温度サイクル試験等の信頼性試験において格段
に優れた性能を有する半導体装置用絶縁基板の提供を目
的とする。【解決手段】セラミックスからなる絶縁基材の一方ま
たは両方の主面上に、Ａｌおよび／又は、Ａｌとの合金
化によりその融点を下げる合金成分とを含む接続層と、
Ａｌとその合金成分とを含み、接続層よりもＡｌ量の多
い回路層とが、順次形成されており、回路層の側面全周
の端が、接続層の側面全周の端よりも５０μｍ以上内側
になるように配置されているとともに、回路層中には接
続層の合金成分が拡散しており、その合金成分の量が、
表面に向かって減少している半導体用絶縁基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基材
にＡｌを主体とする導体回路層を実装した半導体用部材
およびそれを用いた半導体装置並びに該基板の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、アルミニウムにより形成された導
体回路層（以下単に回路層と言う）をセラミックス基材
に接続する方法としては、たとえば特開平９−２３４８
２６に示されるようなアルミニウム溶融体にセラミック
ス基材を直接接触させ、順次接触部をアルミニウム凝固
温度以下にして接続する方法や、特許第２６５８４３５
に示されるようなＡｌＮ基板の表面に酸化膜やガラス膜
を形成してＡｌ−Ｓｉ系ろう材又はＡｌ−Ｇｅ系ろう材
を用いて接続する方法、実公平８−１０２０２に示され
るようなＡｌＮ基板の表面を粗面化してＡｌ−Ｓｉ系ろ
う材又はＡｌ−Ｇｅ系ろう材を用いて接続する方法、特
開平９−１８８５７３に示されるようなアルミニウム板
を融点付近まで加熱した後、セラミックス基材と圧力を
かけて接合する方法等が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】アルミニウムを融点付
近まで溶かしてセラミックス基板に接続する方法では、
アルミニウムとセラミックス基材の接続時の熱膨張係数
の差が大きく、接続後の残留応力が非常に大きい。この
ため、熱サイクル試験を施した時にかかる熱応力も大き
くなり、少ない回数での割れやクラックが発生しやすく
なる。そのため、セラミックス基材にアルミニウムを接
続する時の温度は、半導体素子をダイボンディングする
温度より高い温度で、出来るだけ低温の方が望ましい。
また、アルミニウムが溶融しているため、導体回路層と
して機能させるための事後の仕上げ工程も必要となる。

【０００４】この課題を解決する方法として、純アルミ
ニウムより低融点で半導体素子をダイボンディングする
温度より高融点のＡｌ−Ｓｉろう材又はＡｌ−Ｇｅろう
材を用いて純アルミニウム板を接続する方法が提案され
ている。この場合、例えば実公平８−１０２０２に記載
されているようにＡｌＮ基材の表面を粗面化するだけで
は十分な接続強度が確保されない。そこで十分な接続強
度を確保するためには、例えば特許第２６５８４３５に
記載のようにＡｌＮ基材の表面に酸化膜（主にＡｌ₂Ｏ₃
からなる）やガラス膜を形成する必要がある。この酸化
膜やガラス膜は他の構成材料であるアルミニウムや窒化
アルミニウムに比べて熱伝導率が低いため、この膜によ
り基板の放熱能力が低下する問題がある。

【０００５】本発明は、かかる従来の事情に鑑み、セラ
ミックス基材上にアルミニウムまたはアルミニウム合金
の板状回路層が形成されたこの種の基板について、以上
述べた従来のものに比べより大きな放熱能力を持ち、温
度サイクル試験等の信頼性試験に於いて格段に優れた性
能を有する半導体装置用絶縁基板の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は下記の構成よりなる。（１）セラミックスからなる絶縁基材の一方または両方
の主面上に、Ａｌおよび／又は、Ａｌとの合金化により
その融点を下げる合金成分とを含む接続層と、Ａｌとそ
の合金成分とを含み、接続層よりもＡｌ量の多い回路層
とが、順次形成されており、回路層の側面全周の端が、
接続層の側面全周の端よりも５０μｍ以上内側になるよ
うに配置されているとともに、回路層中には接続層の合
金成分が拡散しており、その合金成分の量が、表面に向
かって減少している半導体用絶縁基板。

【０００７】（２）前記回路層の側面全周に、Ａｌとそ
の合金成分を含むメニスカスが形成されている前記
（１）記載の半導体装置用絶縁基板。

【０００８】（３）前記絶縁基材の一方の主面上に、前
記接続層と回路層が接続され、他方の主面上に、前記接
続層を介して冷却構造体が接続されている前記（１）又
は（２）記載の半導体装置用絶縁基板。

【０００９】（４）前記絶縁基材が、窒化アルミニウ
ム、窒化珪素、炭化珪素を主成分としたセラミックスで
ある前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の半導体
装置用絶縁基板。

【００１０】（５）前記（１）ないし（４）のいずれか
に記載の絶縁基板を用いた半導体装置。

【００１１】（６）セラミックスからなる絶縁基材と、
絶縁基材上に形成される接続層と回路層の原料であるＡ
ｌ、Ａｌとの合金化によりその融点を下げる合金成分を
含む金属素材群とを準備する工程と、絶縁基材の片方ま
たは両方の主面上に、金属素材群の内の少なくとも１種
を含み、接続層を形成する工程と、接続層を構成する金
属素材よりもＡｌ量が多く、主面外寸が接続層のそれよ
りも全周にわたって５０μｍ以上小さい回路層の素材を
準備する工程と、この回路層の素材を接続層上に配置
し、非酸化性雰囲気中、接続層を構成する金属の融点以
上、回路層の素材の融点以下の温度下で加熱して回路層
を形成する工程とを含む半導体用絶縁基板の製造方法。

【００１２】（７）前記接続層を形成する工程は、前記
金属素材群の内の少なくとも１種を含む第一の接続層
と、第一の接続層よりも合金成分の多い第二の接続層と
を形成する工程である前記（６）記載の半導体装置用絶
縁基板の製造方法。

【００１３】本発明の絶縁基板は、半導体チップを搭載
する主面側のみか、又はその反対側の主面との両面とも
Ａｌ又はＡｌ合金からなる回路層が形成されている。こ
の回路層と基材との接続強度と回路層自体の電気伝導性
を高いレベルにするため、回路層と基材との間には、接
続層を介在させる。これらの二層は後述のように真空加
熱によって接続されるため、少なくとも接続層中に存在
する合金成分はある程度の厚み範囲内で回路層中にも拡
散する。したがって本発明の両層間の境目は不明瞭とな
る。しかしながら通常は上の層となる回路は接続層より
もＡｌ含有量の多い金属素材によって形成するため、回
路層中にはその表面方向に合金成分の濃淡が生じる。つ
まり回路層中では、表面方向に合金成分が減少してい
る。すなわち回路層において、その接続層との境目の方
がその表面よりも合金成分が多く成っている。

【００１４】例えば、同層の表面では当初の供給素材と
同じ純Ａｌに近い合金成分がより少ない層があり、アル
ミニウム部分から例えばＭｇやＳｉ等の合金成分が徐々
に下に向かって増加していたり、又は急激にある部分か
ら多くなったりする。

【００１５】又本発明の回路基板の基材の接続層との境
目の酸素量は少ない。その境目から０．１ｍｍの範囲内
での量は、５重量％以下、さらには３重量％以下とする
のが望ましい。

【００１６】又本発明の接続層の外周端は、その全周に
わたって基材の外周端より内側にある。又回路層の外周
端は、その全周にわたって接続層の外周端より内側にあ
る。内側へのそれぞれのズレは、基材と接続層間で基材
の主面方向の外寸に対し１００μｍ以上、接続層と回路
層間で基材の主面方向の外寸に対し１００μｍ以上とす
るのが望ましい。このようにすることにより熱サイクル
に対する信頼性は、顕著に向上する。

【００１７】さらに本発明の基板の回路層の外周端に
は、下方に向かって裾を広げた形でのメニスカスが形成
されているのが望ましい。このメニスカスの厚み方向に
対する傾斜度合は、接続条件にもよるが、通常は裾の部
分でのその接線方向と基材主面方向との角度が８０゜以
下であるのが望ましい。望ましくは６０゜以下である。

【００１８】このようなメニスカスが形成されるのは、
回路層の下に形成される接続層の表面の酸化皮膜が極め
て薄いため、加熱接続時のＡｌ又はＡｌ合金の融液が容
易に濡れる。又上述のように基材を接続層、接続層と回
路層との間の外径寸法に差を持たせ、これらの層形成部
分の端が階段上又は連続的に裾を引いた形状となってい
ることもこれを促す要因の一つである。

【００１９】このようにＡｌ又はＡｌ合金融液の流れた
形態の端部が回路層外周に形成されることによって、こ
れと接続層、回路層間の裾を引いた外寸配置との相剰効
果により、本発明の基板の熱サイクル負荷への信頼性は
より一層高くなっている。（熱応力の緩和）又半導体Ｉ
Ｃからの放熱についても、外周形態によってよりスムー
ズに行われることも確認された。（下に向かって広がっ
ていること）

【００２０】中でもその厚み方向で１／２以上の接続
層、回路層を形成する材質はＡｌの純度が高い程望まし
い。特に回路層表面部分は、Ａｌが９９．９％以上であ
るのが望ましい。これは、回路層上に接続される半導体
チップから生じる熱の分散を高め、同チップの昇温によ
る出力の低下や誤動作を回避するとともに高い電気伝導
性を確保するためである。

【００２１】接続層のＡｌ量についても、同じ理由によ
つて望ましくは８０〜９９重量％さらに望ましくは９０
重量％以上とする。

【００２２】なおこれらの層中に含ませる合金成分とし
ては、ＭｇやＳｉ、Ｃｕ等がある。これらの役割は接続
層にあっては、主に基材の表面との間ならびに回路層と
の間の接続強度のレベルアップ、回路層にあっては主に
接続層との間の接続強度のレベルアップと、上記のメニ
スカスの適切な形状形成にある。例えば合金成分のマグ
ネシウムは、真空接合時のアルミニウム板材の表面の強
固な酸化膜を分解する効果があり、重量比で１％〜２０
％程度含まれるのが望ましい。なおこのマグネシウム
は、４００℃前後でアルミニウム板材の表面酸化膜と反
応して炉内へ放出され、試料中にはほとんど残らない。

【００２３】ただしＭｇの量が２０重量％を越えると、
接続時間の加熱によっても接続層中に少量残ったり、接
続層がより硬くなるため熱応力緩和効果が下がり易くな
る。

【００２４】また本発明の基板には、両主面とも以上述
べた回路層を接続した構造としてもよいが、放熱容量の
大きな半導体装置に実装される場合には、Ｓｉチップの
搭載される反対側の面に接続層を介して回路層に代えて
冷却構造体を接続することができる。

【００２５】この冷却構造体は、例えば放熱面積を稼ぐ
ために回路層と同じ素材をフィン状に加工して取り付け
たり、又例えばコンパクトなサイズであれば水冷式の高
熱伝導性金属からなる水の循環回路でもよいし、熱交換
の効率のよいヒートパイプを取りつけてもよい。

【００２６】次に、本発明の半導体装置用部材の製造方
法を説明する。本発明のセラミックスから成る絶縁基材
は、その熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上であるのが望まし
い。したがって窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪
素、アルミナもしくはベリリアを主成分としたセラミッ
クスを用いるのが望ましい。それらの基材を用意し、ま
ずその主面の一方又は両方に回路層を形成するが、本発
明では基材の主面にまずＡｌを主成分とする層を形成す
る。この層は、本発明の回路基板では接続層の一部とな
るが、その通常の形成方法としては、真空蒸着法が代表
的な方法である。まず、母材であるセラミックスを蒸着
用真空チャンバー内に入れ、蒸着前にチャンバー内を真
空排気する。このときの真空の雰囲気圧力は１．３×１
０^-3Ｐａ以下が好ましく、これ以上の圧力であると蒸着
中に母材から付着ガスが放出され、形成されるＡｌの結
晶粒径が０．１μｍ未満にまで小さくなる傾向にある。
この厚みは、回路層を接続後の接続層に空洞等の欠陥を
作らないためには、０．５〜２０μｍとするのが望まし
い。十分なアンカー効果を生み出すためにはその結晶粒
径を０．１〜１０μｍの範囲に制御する必要があり、真
空度は大きな要因となる。これは基材表面と蒸着された
結晶粒子との物理的な絡み合いを適切にし、蒸着層の基
材への接続強度を高めるためである。また、母材は蒸着
中特に加熱しなくても良いが、加熱しない場合でも蒸着
中に基材の温度が１００℃〜２００℃程度になるのが普
通である。なお真空蒸着法以外に、イオンスパッタリン
グ法を用いてもよい。また、有機溶媒中に分散させたＡ
ｌ粉末もしくはＡｌ，Ｍｇ混合粉末を、セラミックス基
材にスクリーン印刷法により印刷するか又は浸漬により
塗布した後、真空もしくは不活性又は還元雰囲気中で焼
結することによっても得ることもできる。なおスクリー
ン印刷法や浸漬塗布による場合にも、被塗布材中のＡｌ
を主成分とする金属粒子の平均粒径は、上記と同じ理由
で０．１〜１０μｍの範囲とするのが望ましい。

【００２７】上記接続層を形成する基材の表面は、その
表面粗さをＪＩＳ規定のＲmaxで０．１〜２０μｍの範
囲にコントロールするのが好ましい。表面粗さがＲmax
で０．１μｍより小さいと、十分なアンカー効果を得難
くなる。また、Ｒmaxが２０μｍより粗いと吸着ガスが
多くなり、薄膜層形成時に余分なガスが放出され１．３
×１０^-3Ｐａ以下の圧力が得られない場合があり、その
結果十分なアンカー効果が得られず接続強度が低下し易
い。

【００２８】本発明の回路基板の接続層は、以上の様な
基材上の第一の接続層を形成した後、直接その上に回路
層を形成してもよい。この場合第一の接続層が純度の高
いＡｌであれば、この層による熱抵抗が最も小さくな
り、その点では望ましい。しかしながら回路層と基材と
の間の接続後の強度を考えると、それらの間に第二の接
続層として予めＡｌとの合金化により、同層自体の融点
を下げる合金成分を含んだ層を介挿するのが望ましい。
これによって例えば第一の接続層と回路層が純度の高い
Ａｌの場合、回路層接続時の温度が下げられるため、両
層への合金成分の拡散が抑えられ、それによる両層の熱
伝導性の低下が避けられる。なお、この場合の第二の接
続層の厚みは以下に述べる回路層形成（焼成）前の段階
で２０〜１００μｍとするのが望ましい。厚みが２０μ
ｍ未満では接合に十分な液相が得られ難く接続層中に欠
陥が生じ易くなる。また、純アルミニウム板材の端部全
周にわたってメニスカスが形成され難いともある。厚み
が１００μｍ以上になると、余分な液層が発生し、アル
ミニウム板材の再加工が必要となる場合がある。

【００２９】次に、少なくとも薄膜形成パターンよりも
小さい主面外寸形状を持ったＡｌ又はＡｌ合金からなる
金属素材、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材を置き、
その上に少なくともろう材パターンと同じかそれよりも
小さい形状を持った純アルミニウム又はアルミニウム合
金の回路層形成用の金属素材、例えば９９．９％以上の
純度のアルミニウム素材を載せて、回路形成用の素材の
融点よりも低く、ろう材の融点よりも高い温度でかつ好
ましくは１０^-5Ｔｏｒｒ以下の真空度で焼成し接合す
る。この場合のろう材は溶融して接続層の一部となる。

【００３０】薄膜形成パターンよりもろう材や純アルミ
ニウム板材を小さくするのは、接合時の液層によって、
前述のように純アルミニウム板材の端部全周に容易にメ
ニスカスを形成するためである。このメニスカス構造に
よって、純アルミニウム板材端部の加熱接続後の残留熱
応力を大幅に減少させることが出来る。また半導体装置
に組み込まれた後の実動時の熱サイクルによる衝撃にも
極めて強くなる。

【００３１】尚、上記接続加熱の際に、必要により、例
えば炭素質、アルミナ質、窒化アルミニウム質等の耐火
物を素材とする冶具を用いて双方の仮固定を行うととも
に、更に必要であれば、両者を積層したセット上に適当
な荷重をかけてもよい。

【００３２】上記接続において、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍ
ｇろう材を用いて接続する代わりにに、工程削減のた
め、純アルミニウムと例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のよう
なＡｌろう材を圧延したクラッド材（ブレージングシー
ト）を用いてもよい。また、回路形成用となるＡｌ又は
Ａｌ合金薄板材と反対側のＡｌ又はＡｌ合金材は、板状
であってもよいが、既に述べたようにより放熱効率を向
上させるために放熱フィン加工を施してあってもよい。
なおこの部分については、前述のようにコンパクトな冷
却構造体が配置されれば、いかなるものでも構わない。

【００３３】

【実施例】実施例１主成分粉末として、平均粒径１．２μｍのＡｌＮ粉末と
平均粒径０．６μｍのＹ₂Ｏ₃粉及び平均粒径０．３μｍ
のＣａＯ粉末を、それぞれ９７重量％、１．５重量％、
及び１．５重量％となるよう秤取し、エタノール溶媒中
ボールミルにて２４時間均一混合し、焼結助剤がＹ₂Ｏ₃
−ＣａＯからなる混合粉末を得た。更に、これらの混合
粉末１００重量部に対しバインダーとしてＰＶＢを１０
重量部加え、スラリー化した。このスラリーの一部を噴
霧乾燥し、粉末成形プレスにて幅６３ｍｍ×厚さ：０．
７９ｍｍ×長さ：９４ｍｍの大きさに成形した。これら
の成形体を、窒素雰囲気中にて１７００℃で５時間、焼
結した。この焼結体の相対密度（理論密度を１００％と
したとき水中法で測定したときの実測密度の比率）は９
９％であり、表面には実用上問題となるような空孔等の
欠陥は無かった。またレーザーフラッシュ法で測定した
熱伝導率は１５０ないし１６０Ｗ／ｍＫであった。

【００３４】以上の手順を経て得られたＡｌＮ焼結体
を、長さ７５ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの
基材に仕上げ加工した。また別途Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＣを主
成分とするセラミックス素材から、同じ形状の基材を切
り出した。なおＳｉＣを主成分とする基材については、
その全表面を電気的に絶縁するために、予め窒化層を形
成した。これらの基材の熱伝導率は、それぞれ順にＷ／
ｍ・Ｋ単位で１００および２００であった。

【００３５】これらの基材上に、表１に記載の素材の組
合せおよび形成条件にて、まずＡｌを主成分とする接続
層を形成した。以降各試料とも３０個ずつ作製した。

【００３６】表中基材欄のＲmax は、基材の主面のＪＩ
Ｓに基づく表面粗さである。接続層１（第一の接続層）
および接続層２（第二の接続層）の形成欄の材質の内、
９９．９Ａｌは、Ａｌを９９．９重量％含む純Ａｌ材か
らなる箔、Ｍ５は、Ｍｇを５重量％含み残部Ａｌからな
る箔、Ｍ５Ｓ１０は、Ｍｇを５重量％、Ｓｉを１０重量
％含み、残部Ａｌからなる箔である。Ｍ５＋Ｍ５Ｓ１０
は、Ｍ５の箔とＭ５Ｓ１０の箔とを圧着一体化したろう
材（ブレージングシート）である。同様にＭ０．５，Ｍ
１，Ｓ１０等のＭおよびＳは、合金成分がＭｇおよびＳ
ｉであり、その後の数値はそれらの含有量（重量％）を
示す。ΔＬは、接続層の主面が基材のそれよりどれだけ
小さいか、その寸法差を示す。例えば試料１では、基材
主面の長さ方向の寸法が、７５ｍｍであるから、その接
続層１と２の同じ方向は、それより５００μｍ（０．５
ｍｍ）短い７４．５ｍｍである。接続層の形成温度は、
蒸発源の温度ではなく、蒸着される基材表面の温度であ
る。形成の圧力は、形成チャンバー内の真空雰囲気圧力
である。形成膜厚は、基材表面に析出堆積した層の厚み
であり、結晶粒径は、その層内のＡｌを主成分とする結
晶の平均粒径である（試料毎に各３個の試片の表面を走
査型電子顕微鏡で観察）。

【００３７】試料２３は、第一・第二の接続層を表に付
記した条件にて、試料１と同じ材質のアルミニウムペー
ストを積層印刷塗布し、焼き付けたものである。試料２
４のＳｉＮ，ＳｉＣはそれぞれの基材が、前記のＳｉ₃
Ｎ₄およびＳｉＣセラミックスであることを示す。試料
２６は、試料１と同じＡｌＮ基材の主面を予め苛性ソー
ダに浸漬して、厚み１０μｍアルミナの層を形成したも
のである。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】試料２７は、接続層１を付与せず、基材上
に直接接続層２を付与したもの、試料２８は、接続層１
にＭｇを５重量％、残部Ａｌの組成の合金を、試料２９
は、Ｓｉを１０重量％、残部Ａｌの組成の合金をそれぞ
れ試料４と同じ条件で真空蒸着し、その後試料９と同じ
接続層を付与したものである。

【００４１】次いで試料１から２９の各種接続層を形成
した試片の第二の接続層の主面上に、導体回路層（回路
層）を形成した。まず第二の接続層の主面に比べ長手・
幅両方向とも５００μｍ（０．５ｍｍ）短く、純度が９
９．９％、厚み４００μｍ（０．４ｍｍ）の純Ａｌの箔
を用意した。これを各試料の第二の接続層の上に載せ、
１．４×１０^-3Ｐａの真空中、試料１〜６については６
５０℃、試料７以降ついては６００℃にて３０分加熱し
て、回路層を形成した。予め回路層の金属泊の主面外周
サイズと接続層のそれとの寸法差は、長手方向・幅方向
ともそれらの両端でそれぞれ２５０μｍ（０．２５ｍ
ｍ）ずつほぼ均等に配分されるように配置し（つまり長
手方向・幅方向とも外周全長で接続層のそれに対し５０
０μｍ小さいサイズ）、上部から位置決め冶具を兼ねた
グラファイトのブロックにて、５０ｇ／ｃｍ²の荷重を
かけ、回路層の位置ずれを防止した。その結果当初配置
位置に対し、長手方向・幅方向ともずれは無かった。ま
た回路層の厚みは、当初と変わらなかった。

【００４２】接続後の各試料は、回路層から接続層の外
周に至るメニスカスの裾の部分の接続層主面に対する角
度を測った。各試料とも５個の平均を採った。その結果
試料２６，２７は、ほぼ９０゜、試料１１では７０゜で
あり、それ以外の試料では５０〜６０゜であった。次い
で回路層および接続層の露呈面全面に、無電解めっき法
により厚み２μｍニッケル（Ｎｉ）めっき層を形成し
た。

【００４３】このアセンブリーにて各試料の回路層主面
と基材との接続状況を超音波探傷した（全数）。その際
試料の回路層側からその全面にわたって探触子を走査
し、基材との界面からのエコーの強さの分布を画像処理
し、標準試片のそれと比較することによって、健全な接
続面積の割合を確認した（表２の接続面積率の値、各試
料とも３０個の平均）。なお試料１と６の接続層１の上
に試料７と同じ接続層２を積層し、上記と同じ回路層を
接続したところ、これらの試料の接続面積率は９５％程
度であった。

【００４４】さらに各試料から３個ずつ抜き取り、アセ
ンブリーの基材から回路層に至る断面を研磨し、１００
０倍の走査型電子顕微鏡によって、同部分の欠陥の有無
を確認した。また、合金成分及び酸素の分布状態を質量
分析法による元素分析およびＴＥＭ像の観察によって確
認した。以上の結果は下記のとおりであった。

【００４５】（１）接続層１を形成しなかった試料２７
では、各接続界面に微細なピンホールがみられたが、基
材に酸化層を形成した試料２６も含め、それ以外の試料
には、クラックやピンホール等の欠陥は、確認されなか
った。

【００４６】（２）試料２６では接続層１と基材との界
面付近に多量の酸素が確認されたが、本発明の試料で
は、ほとんど確認されなかった。

【００４７】（３）接続層が二層形成された試料では、
回路層が加熱接続されると、接続層１に接続層２の合金
成分であるＳｉが拡散していた。なお接続層のＭｇ成分
は、接続時に揮散し、ほとんど確認されなかった。また
この成分は、接続層２から回路層にも拡散していたが、
回路層の表面に向かって漸減しており、それらが拡散し
た厚みは最大で回路層の厚みの１／２未満であった。

【００４８】その後回路層の主面にＰｂ−Ｓｎ系共晶半
田にて、長さ・幅とも１ｍｍで、厚みが０．３ｍｍのシ
リコン（Ｓｉ）半導体チップをダイボンディングし半導
体装置を作製した。この状態で各試料とも１０台ずつ用
意して、冷熱サイクル試験を行った。それらの結果を表
２の該当欄に示す。なお冷熱サイクル試験は、−５５℃
で３０分保持後１２５℃で３０分保持する温度サイクル
を１サイクルとし、試料に損傷が生じるまでこれを繰り
返す手順にて３５００回まで行った。なお表２の冷熱サ
イクル欄に記載の損傷の生じたサイクル数は、各試料と
も１０台の内の最短回数のものの回数値とした。なお
「＞３５００」と記載のものは、３５００回まで問題の
なかったものである。接続面積率と冷熱サイクルの結果
ならびにその結果からの判明点について表２にまとめ
た。

【００４９】

【表３】

【００５０】実施例２実施例１の試料４，９および２４と同じ基材を用い、そ
の上下両主面とも実施例１と同様の構成の接続層を形成
した（それぞれの接続層１と２の形成方法は、実施例１
に示した手順と同じ）。

【００５１】又別途実施例１と同じサイズの回路層形成
用のＡｌ金属箔と、同じ材質のフィンとベース板を冷却
構造体として準備した。これらを接続層を形成した一方
の主面側には、実施例１と同様にして回路層とＳｉ半導
体チップを接続し、他方の主面側には冷却構造体を接続
した。このようなフィン又はベース板付きの半導体装置
をそれぞれの基材試料毎に１０台ずつ作製した。その断
面構造を図１（イ）（ロ）に模式的に示す。（イ）はフ
ィン付の例で、（ロ）はベース板付の例である。

【００５２】図１で１はセラミックス絶縁基材、２は接
続層、３は回路層、４はＳｉ半導体チップ、５は冷却構
造体である。

【００５３】なお、同図（イ）、（ロ）において、２つ
の接続層の断面の外側形状とし、基材主面と同層との間
で形成されるメニスカスの角度を８０°以下に制御する
ため、図に記載されたように接続層の中間に純アルミニ
ウム（Ａｌ）の層を残すようにした。具体的には純Ａｌ
のシートの両側に、融点が純Ａｌよりも低いＡｌ−Ｓｉ
−Ｍｇ系合金（試料４の接続層２に同じ）からなるシー
トを圧延接着したブレージングシートロウ材を使い、こ
れを基材と冷却構造体の間に挟んで、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ
系ロウ材の融点と純Ａｌとの融点の間の温度に加熱し
て、これらを接続した。その結果図に示すように、基材
と冷却構造体の間の接続層によって形成されるメニスカ
スの基材面とのなす角度は、６０°以下となった。なお
この角度を８０°以下に制御するためには、図２に示す
ように予め冷却構造体の面に堀状の溝６を設けてもよい
ことも確認された。この場合には、溝６の外縁は、基板
を上面から見た時に上部の回路層の外縁よりも内側に入
るようにする。またこの溝は、溶融したロウ材が冷却構
造体の面上に広がらないようにして、上記同様基材との
メニスカス角度を制御する働きをする。したがって、形
成する溝の内容量は、適正に制御する必要がある。

【００５４】冷却構造体の絶縁基板との接続面の外寸
は、長さが８０ｍｍ、幅が６０ｍｍであり、高さの外寸
はいずれの冷却構造体も２３ｍｍとした。

【００５５】フィン形状のものは、図１のｔが３ｍｍ、
Ｔが２０ｍｍ、フィンの部分の配置ピッチｌ，ｌ′は、
いずれも２．５ｍｍとした。

【００５６】その後図示しないが、このアセンブリーを
ハウジングし冷却構造体側に水冷ジャケットを取付けた
パワーモジュールを作製して、１２時間実動させ、その
際のＳｉ半導体チップの表面温度を同チップに熱電対を
接触させて比較した。なお室温は２５℃である。その結
果表３の結果を得た。（１０台での平均）

【００５７】

【表４】

【００５８】なお以上のアセンブリーを実施例１と同じ
ヒートサイクル試験をかけたところ、いずれも３５００
回のサイクル負荷後の損傷は確認されなかった。

【００５９】以上の様に本発明の接続層構成によってＳ
ｉ半導体チップの実装と同時に絶縁基板の他方の面にＡ
ｌを主成分とする冷却構造体を高い信頼性で装着するこ
とができることが分かった。

【００６０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の接続構造
によって過酷なパワーモジュールの実動条件下において
も、従来になく高い寿命信頼性のセラミックス絶縁基板
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体装置の模式図で、（イ）はフィン付の例
で、（ロ）はベース板付の例である。

【図２】図１のものに溝を設けた例である。

【符号の説明】

１セラミックス絶縁基板２接続層３回路層４Ｓｉ半導体チップ５冷却構造体６溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桧垣賢次郎兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BC06 BD03 BD14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックスからなる絶縁基材の一方ま
たは両方の主面上に、Ａｌおよび／又は、Ａｌとの合金化によりその融点を下
げる合金成分とを含む接続層と、Ａｌとその合金成分と
を含み、接続層よりもＡｌ量の多い回路層とが、順次形
成されており、回路層の側面全周の端が、接続層の側面全周の端よりも
５０μｍ以上内側になるように配置されているととも
に、回路層中には接続層の合金成分が拡散しており、その合
金成分の量が、表面に向かって減少している半導体用絶
縁基板。
【請求項２】前記回路層の側面全周に、Ａｌとその合
金成分を含むメニスカスが形成されている請求項１に記
載の半導体装置用絶縁基板。
【請求項３】前記絶縁基材の一方の主面上に、前記接
続層と回路層が接続され、他方の主面上に、前記接続層
を介して冷却構造体が接続されている請求項１または２
に記載の半導体装置用絶縁基板。
【請求項４】前記絶縁基材が、窒化アルミニウム、窒
化珪素、炭化珪素を主成分としたセラミックスである請
求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置用絶縁基
板。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の絶
縁基板を用いた半導体装置。
【請求項６】セラミックスからなる絶縁基材と、絶縁
基材上に形成される接続層と回路層の原料であるＡｌ、
Ａｌとの合金化によりその融点を下げる合金成分を含む
金属素材群とを準備する工程と、絶縁基材の片方または両方の主面上に、金属素材群の内
の少なくとも１種を含み、接続層を形成する工程と、接続層を構成する金属素材よりもＡｌ量が多く、主面外
寸が接続層のそれよりも全周にわたって５０μｍ以上小
さい回路層の素材を準備する工程と、この回路層の素材を接続層上に配置し、非酸化性雰囲気
中、接続層を構成する金属の融点以上、回路層の素材の
融点以下の温度下で加熱して回路層を形成する工程とを
含む半導体用絶縁基板の製造方法。
【請求項７】前記接続層を形成する工程は、前記金属素材群の内の少なくとも１種を含む第一の接続
層と、第一の接続層よりも合金成分の多い第二の接続層
とを形成する工程である請求項６記載の半導体装置用絶
縁基板の製造方法。