CN107851617B - 陶瓷金属电路基板以及使用了该陶瓷金属电路基板的半导体装置 - Google Patents

陶瓷金属电路基板以及使用了该陶瓷金属电路基板的半导体装置 Download PDF

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Abstract

一种陶瓷金属电路基板，其特征在于，具备陶瓷基板、以及分别介由接合层与该陶瓷基板的两面接合的金属板，其中，在设置于所述陶瓷基板的一面的金属板的表面设置金属被膜，同时在设置于另一面的金属板的表面具有未设置金属被膜的部位。而且，接合层优选形成有从金属板的侧面露出的露出部。根据上述构成，可以提供一种与所接合的部件配合后的使用方便性优良、耐热循环特性优异的陶瓷电路基板。

Description

陶瓷金属电路基板以及使用了该陶瓷金属电路基板的半导体 装置
技术领域
实施方式基本涉及陶瓷金属电路基板以及使用了该陶瓷金属电路基板的半导体装置。
背景技术
陶瓷金属电路板通过在陶瓷基板上接合金属板而形成。作为陶瓷基板，可以使用氧化铝基板、氮化铝基板、氮化硅基板等。而且，作为金属板，可以使用铜板或铝板。
对于陶瓷基板与金属板的接合，一直在广泛使用利用含有Ti、Zr、Hf、Si等活性金属的焊料的接合方法。作为利用选自Ti、Zr、Hf中的至少1种活性金属的焊料，可以例示出以Ag和Cu作为主成分的焊料。而且，作为以Si作为活性金属使用的焊料例，可以例示出以Al作为主成分的焊料。
对于这样的陶瓷金属电路基板，其在金属板上安装半导体元件而作为半导体装置使用。作为以往的陶瓷金属电路板，可以例示出国际公开第98/54761号小册子(专利文献1)。专利文献1的陶瓷金属电路基板以覆盖金属板的方式设置有Ni镀层。其记载有：通过形成这样的结构来调整热膨胀系数而提高耐热循环特性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第98/54761号小册子
发明内容
发明要解决的问题
半导体元件在金属板上的安装中使用焊锡。近年来，鉴于铅的毒性，使用无铅焊锡成为主流。如日本工业标准(JIS-Z-3282)中所示的那样，无铅焊锡可以使用SnAg系、SnCu系、SnZn系等。无铅焊锡与Ni镀层的浸润性良好，但没有见到其以上的改善。因此，在进一步提高与半导体元件的接合的可靠性方面有限度。
另一方面，接合于与搭载半导体元件的面相反侧的面的金属板(背金属板)与散热器或散热片等散热构件接合在一起。对于散热构件，以铜或铝等金属(包含合金)作为构成材料而被主要使用。背金属板与散热构件的接合中使用润滑脂。
但是，如果在金属板的表面不施以Ni镀覆而涂布润滑脂，则具有背金属板与润滑脂的密合性变差的问题。
本発明为了解决这样的问题，提供一种在表金属板和背金属板中即使在连接的部件等不同的情况下也改善了各自的接合性的陶瓷金属电路基板。
用于解决问题的手段
实施方式的陶瓷金属电路基板的特征在于，其具备陶瓷基板、以及分别介由接合层与该陶瓷基板的两面接合的金属板，其中，在设置于所述陶瓷基板的一面的金属板的表面设置金属被膜，同时在设置于另一面的金属板的表面具有未设置金属被膜的部位。而且优选接合层形成有从金属板的侧面露出的露出部。而且，优选以覆盖金属板的侧面和露出部的方式设置有金属被膜。
发明效果
实施方式的陶瓷金属电路基板在金属板的一个表面设置金属被膜，在金属板的另一个表面制作未设置金属被膜的部位。因此，可以根据所接合的部件分开使用表金属板和背金属板。
而且，通过在背金属板设置金属被膜，可以改善与润滑脂的浸润性。因此，在介由润滑脂层将背金属板和散热构件一体化时，可以提高散热性。
而且，通过将金属板的侧面以金属被膜覆盖，能够防止接合层与反应性气体进行反应。而且，通过将接合层的露出部以金属被膜覆盖，能够进一步提高耐热循环(TCT)特性。
因此，能够提供可靠性高的陶瓷金属电路基板以及使用了该陶瓷金属电路基板的半导体装置。
附图说明
图1是表示实施方式的陶瓷金属电路基板的一构成例的剖面图。
图2是表示实施方式的陶瓷金属电路基板的另一构成例的剖面图。
图3是表示在实施方式的陶瓷金属电路基板的表金属板接合了金属端子的构成例的剖面图。
图4是表示配置了2个实施方式的陶瓷金属电路基板的表金属板的构成例的剖面图。
图5是表示实施方式的半导体装置的一构成例的剖面图。
图6是表示实施方式的半导体装置的另一构成例的剖面图。
图7是表示实施方式的半导体装置的又另外的构成例的剖面图。
具体实施方式
实施方式的陶瓷金属电路基板的特征在于，其具备陶瓷基板、以及分别介由接合层与该陶瓷基板的两面接合的金属板，其中，在设置于所述陶瓷基板的一面的金属板的表面设置金属被膜，同时在设置于另一面的金属板的表面具有未设置金属被膜的部位。
图1中示出实施方式的陶瓷金属电路基板的一构成例。图中，符号1是陶瓷金属电路基板，2是陶瓷基板，3是金属板(表金属板)，4是金属板(背金属板)，5是接合层(表侧接合层)，6是接合层(背侧接合层)，7是金属被膜(背面侧金属被膜)。而且，接合层5,6形成有从金属板3,4的侧面露出的露出部5a,6a。
陶瓷基板2优选为氮化硅基板、氮化铝基板、氧化铝基板中的任意1种。而且，基板的厚度优选在0.10～1.00mm的范围。基板厚度如果薄为低于0.10mm，则有可能强度或绝缘性降低。另一方面，基板厚度如果厚而超过1.00mm，则热阻变高，散热性降低。
氮化硅基板是以氮化硅(Si3N4)作为主成分。氮化硅基板优选热传导系数为50W/m·K以上、3点弯曲强度为600MPa。而且，通过提高3点弯曲强度，可以使基板厚度薄型化为0.40mm以下、进而0.30mm以下。而且，由于强度高，所以即使薄型化也可以提高耐热循环特性(TCT特性)。而且，通过基板的薄型化，可以降低作为陶瓷金属电路基板的热阻。而且，只要是强度高的陶瓷基板，也可以为螺旋固定结构等应力直接作用于陶瓷基板上的安装结构。
而且，氮化铝基板是以氮化铝(AlN)作为主成分的基板。氮化铝基板优选具有热传导系数为170W/m·K以上的高热传导性。而且，氮化铝基板一般热传导系数高，而3点弯曲强度低，为550MPa以下。而且，平均3点弯曲强度为200～400MPa。所以，基板厚度优选较厚，为0.50mm以上。
而且，氧化铝基板是以氧化铝(Al2O3)作为主成分的基板。氧化铝基板是热传导系数为10～30W/m·K、3点弯曲强度为300～450MPa。氧化铝基板与氮化硅基板或氮化铝基板相比廉价。而且，由于强度不太高，所以基板厚度优选为0.50mm以上。
金属板优选由选自铜、铜合金、铝、铝合金中的一种形成。铜、铝是热传导系数以及导电性高的材料。金属板的厚度优选为0.20mm以上。通过使金属板变厚，可以提高散热性。另外，金属板的厚度的上限没有特别限定，但如果考虑规定的电路图案形状的加工容易性，则优选厚度为5.00mm以下。
而且，陶瓷基板与金属板介由接合层接合在一起。接合层优选含有选自Ag(银)、Cu(铜)、Al(铝)中的至少1种。作为接合层，优选使用活性金属焊料来形成。作为活性金属，可以列举出选自Ti(钛)、Zr(锆)、Hf(铪)、Si(硅)中的1种或2种以上。
而且，作为活性金属而使用Ti、Zr、Hf时，优选设定为含有Ag以及Cu的活性金属焊料。此时，活性金属焊料优选由40～80质量％的Ag、15～50质量％的Cu、0.1～6质量％的活性金属形成。而且，根据需要，也可以添加5～35质量％的选自Sn(锡)以及In(铟)中的至少1种。
而且，作为活性金属而使用Si时，优选含有Al的活性金属焊料。此时，活性金属焊料优选由90～99.9质量％的Al、0.1～10质量％的Si形成的焊料。而且，根据需要，也可以添加0.01～3质量％的选自Mg(镁)、Ca(钙)、Sr(锶)、Ba(钡)中的至少1种。
作为这些活性金属焊料，优选Ag-Cu-Ti系。Ti与氮化物陶瓷反应而形成TiN(氮化钛)相。由此，可以获得陶瓷基板与金属板的牢固的接合。
对于这样的陶瓷金属电路基板，其特征在于，在设置于陶瓷基板的一个表面的金属板的表面设置金属被膜，在设置于另一面的金属板的表面具有未设置金属被膜的部位。
在图1所示的陶瓷金属电路基板中，在表金属板3的表面未设置金属被膜。与此相对，在背金属板4的表面设置有金属被膜7。金属被膜7优选为镍(Ni)、金(Au)或以它们作为主成分的合金。作为Ni合金，可以列举出Ni-P(磷)合金、Ni-B(硼)合金。Ni或Au与润滑脂的浸润性良好。因此，将金属被膜7介由润滑脂而与散热构件一体化时，可以抑制在润滑脂层中形成使散热性降低的气泡。
而且，优选在背面侧金属板设置具有比金属板的线膨胀系数小的线膨胀系数的金属被膜。通过设置线膨胀系数小的金属被膜，可以使背面侧金属板稍微成为凸状。如果比较线热膨胀系数，铜(Cu)为16.8ppm/K，铝(Al)为23ppm/K，镍(Ni)为12.8ppm/K，金(Au)为14.3ppm/K。
例如，如果在背面侧铜板的表面设置Ni膜，则与没有Ni膜的表面侧铜板相比，Ni的线膨胀系数越小，背面侧铜板表面越容易成为凸状。如果成为这样的结构，则如后述的图7所示的那样，在采用应力直接作用于陶瓷基板上的安装结构时，可以一边使润滑脂均匀地扩展到外侧一边进行安装。由此，可以抑制润滑脂层中的气泡的形成。从这一点出发，也优选在铜板或铝板上设置以Ni或Au作为主成分的金属被膜。其是利用了金属被膜与润滑脂的浸润性良好、金属板与金属被膜的线膨胀系数的差异的协同效应。
而且，Ni或Au由于耐蚀性高，所以可以防止金属板生锈。金属板的锈是以氧化物为主体。这些锈成为热阻体，所以优选不发生生锈。
而且，金属被膜的平均厚度优选为10μm以下。即使将金属被膜过度地变厚，也不能得到其以上的效果。而且，如图4所示，将多个金属板接合时，担心相邻的金属板之间导通。因此，金属被膜的平均厚度优选为10μm以下，进一步优选为5μm以下。
另外，对于金属被膜的膜厚的测定，测定任意3个部位的厚度、将其平均值作为平均膜厚。另外，如后述那样，在金属板的侧面设置金属被膜时，求出侧面方向的厚度。这里的金属被膜形成方法不特别限定于镀覆法、溅射法等。
而且，设置有金属被膜的金属板优选具有再结晶组织。如上述的那样，作为金属板的构成材料，可以使用铜(铜合金)或铝(铝合金)。陶瓷基板与金属板的接合温度是高温，为600～900℃。铜的再结晶温度为约220℃，铝的再结晶温度为约200℃。因此，与陶瓷基板接合后的铜板或铝板具有再结晶组织。
再结晶组织有1次再结晶和2次再结晶。1次再结晶表示在对金属板进行加热时，生成没有变形的新结晶而使金属板软化的现象。而且，2次再结晶表示在经过了1次再结晶之后进一步产生大的晶粒的现象。金属板如果再结晶，则在金属板表面析出晶体。晶体如果析出，则在晶粒以及晶界中形成凹凸。特别是2次再结晶晶粒成为大的晶粒，所以晶界的凹凸也变大。如果预先在具有再结晶组织的金属板的表面设置金属被膜，则可以消除由再结晶组织产生的凹凸。
如上所述使用接合温度高的接合方法时，铜板或铝板发生至2次再结晶。2次再结晶晶粒的平均粒径为200～1000μm。如果成为这种程度的大晶粒，则金属板表面的最大高度粗糙度Rz为2μm以上，进而达到4μm以上。通过在金属板表面设置金属被膜，可以使最大高度粗糙度Rz达到1.5μm以下，进而达到0.8μm以下。通过减小最大高度粗糙度Rz，可以提高与散热构件的密合性。
背面侧金属板4如图5～7所示的那样安装到散热片14等散热构件上。如果在背面侧金属板4的表面具有凹凸，则由于与散热构件14之间形成小的间隙，所以密合性下降。通过在背面金属板表面设置金属被膜7，可以将背面侧金属板4的表面形成为平坦面。因此，可以提高与散热构件14的密合性。而且，密合性的提高还与接触热阻的降低相关。
另外，作为金属板3,4的平均晶粒直径的测定方法，通过光学显微镜来拍摄金属板表面。此时以20倍以上的倍率来测定。测定长度5mm相当，以线性截距法求出平均晶粒直径。以该操作在任意3个部位(长度5mm×3个部位＝15mm相当)的平均值作为金属板的平均晶粒直径。另外，金属板3,4为铜板(包括铜合金板)或者铝板(包括铝合金板)时，平均晶粒直径为200μm以上时，设定为可以判断为已经2次再结晶。
而且，与热阻降低相关的密合性的提高也与半导体装置的动力循环特性的提高有关。
而且，在表金属板3的表面形成未设置金属被膜的部位。该未设置金属被膜的部位可以如后述那样作为安装半导体元件或金属端子的部位使用。也就是说，可以在安装半导体元件11或金属端子9的部位不设置金属被膜，所以不在安装中使用的部位可以设置金属被膜，也可以不设置金属被膜。
而且，在表金属板3和背金属板4设置金属被膜7的部位不同，所以从外观上可以区别表面和背面，所以陶瓷金属电路基板的操作性提高。
而且，接合层5,6优选形成有从金属板3,4的侧面露出的露出部5a,6a。接合层的露出部5a,6a是从金属板5,6的侧面露出的部分。通过存在露出部5a,6a可以缓和陶瓷基板2与金属板3,4的接合端部的应力。因此，可以提高耐热循环特性。
而且，露出部5a,6a的长度优选在0.005～0.3mm(5～300μm)的范围内。露出部的长度低于0.005mm(5μm)时，不能充分得到设置露出部的效果。而且，大到超过0.3mm(300μm)时，不仅不能得到其以上的效果，而且还受到使与相邻的金属板之间的间隙变大这一电路设计上的制约。因此，露出部5a,6a的长度优选为0.005～0.3mm，进一步优选为0.01～0.1mm的范围。而且，露出部5a,6a可以以沿着金属板3,4的侧面攀上的方式构成。
而且，优选以覆盖金属板3,4的侧面以及露出部的方式设置金属被膜。图2中示出以覆盖金属板3,4的侧面以及露出部的方式设置有金属被膜7,8的陶瓷金属电路板的一例。图中，符号1是陶瓷金属电路基板，2是陶瓷基板，3是金属板(表金属板)，4是金属板(背金属板)，5是接合层(表侧接合层)，6是接合层(背侧接合层)，7是金属被膜(背面侧金属被膜)，8是金属被膜(表侧面侧金属被膜)。图2中，背面侧金属被膜7以覆盖背金属板4的表面和侧面以及接合层6的露出部6a的方式被设置。而且，表侧面侧金属被膜8以覆盖表金属板3的侧面以及接合层5的露出部5a的方式被设置。
像这样通过以金属被膜7,8覆盖接合层5,6的露出部5a,6a，可以防止露出部5a,6a被腐蚀。实施方式的陶瓷金属电路基板通过安装半导体元件而成为半导体装置。半导体装置被组装到变换器等功率模块中。变换器用于升降机、汽车、铁道、泵、工作机械、搬送装置等机器的马达控制装置或电源控制装置。
例如，混合动力汽车中，排气中含有SO2等硫成分。如上所述那样接合层中使用Ag-Cu-Ti焊料时，Ag(银)与S(硫)反应而形成AgS等反应物。也就是说，如果与排气长时间接触，则反应物(AgS等)堆积到接合层的露出部。如果反应物堆积在金属板的图案之间或陶瓷基板的沿面或者发生剥离，则成为导通的原因而引起绝缘不良。像Ag-Cu-Ti焊料这样由于较多地含有Ag而容易产生这样的现象。
实施方式的陶瓷金属电路基板由于以金属被膜覆盖接合层的露出部，所以可以防止与硫成分的反应。由于可以在设置了接合层的露出部的状态下防止反应，所以可以在提高了耐热循环特性的情况下设定成强耐受腐蚀的结构。特别是，对于混合动力汽车，由于在10年以上的长时间连续使用，所以以金属被膜覆盖接合层的露出部的结构是有效的。换言之，作为用于排出排气的的车辆或设备的电路基板是合适的。
而且，通过以金属被膜覆盖接合层5,6的露出部，可以提高耐热循环(TCT)特性。半导体元件一直在发展高性能化。与此相伴，接合温度上升。SiC元件的接合温度达到150℃以上的高温。如果在高温环境下长时间暴露，则接合层的露出部有可能会变形。通过以金属被膜覆盖露出部5a,6a，可以抑制露出部5a,6a的变形。特别是，对于含有Ag、Cu、Al等软质金属的接合层，露出部变形的担心高。通过以金属被膜覆盖该露出部5a,6a，可以抑制露出部的变形。因此，可以提高TCT特性。
而且，由于防止露出部5a,6a的变形，所以也可以防止图案之间的导通不良。
而且，也可以在金属板表面的未设置金属被膜的部位接合金属端子。图3示出接合了金属端子9的陶瓷金属电路基板的一构成例。图中，符号1是陶瓷金属电路基板，2是陶瓷基板，3是金属板(表金属板)，4是金属板(背金属板)，5是接合层(表侧接合层)，6是接合层(背侧接合层)，7是金属被膜(背面侧金属被膜)，8是金属被膜(表侧面侧金属被膜)，9是金属端子。
金属端子9优选由选自铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金中的1种形成。而且，在表金属板3的表面连接有金属端子9。金属端子9与表金属板3的接合可以适用软钎焊法、超声波接合法、压接接合法等。
而且，表金属板也可以为多个接合在一起的结构。图4示出实施方式的将多个表金属板接合在一起的陶瓷金属电路基板的一构成例。图中，符号1是陶瓷金属电路基板，2是陶瓷基板，3-1是第1金属板(表金属板)，3-2是第2金属板(表金属板)，4是金属板(背金属板)，5是接合层(表侧接合层)，6是接合层(背侧接合层)，7是金属被膜(背面侧金属被膜)，8是金属被膜(表侧面侧金属被膜)。图4是配置了2个(3-1,3-2)表金属板的构成例。实施方式的陶瓷金属电路基板1的表金属板(3-1,3-2)的数量不限于2个，也可以设定为增加至所需的个数。
而且，即使是设置了多个表金属板的结构，也优选为分别设置了接合层的在一起以及将该露出部覆盖的金属被膜的结构。由此，可以防止接合层的露出部的腐蚀，所以可以制作将相邻的金属板的间隔变窄为0.3～1.0mm的部位。该构成表现出电路设计的自由度的提高。
以上这样的陶瓷金属电路基板1对于安装了半导体元件的半导体装置是有效的。而且，优选在金属板表面的未设置金属被膜的部位介由焊锡层而安装半导体元件。而且，上述焊锡层优选由无铅焊锡构成。
图5示出实施方式的半导体装置的一构成例。图中，符号1是陶瓷金属电路基板，2是陶瓷基板，3是金属板(表金属板)，4是金属板(背金属板)，5是接合层(表侧接合层)，6是接合层(背侧接合层)，7是金属被膜(背面侧金属被膜)，8是金属被膜(表侧面侧金属被膜)，10是半导体装置，11是半导体元件，12是焊锡层，14是散热片。
图5中，在表金属板3上介由焊锡层12而安装有半导体元件11。焊锡层12被设置在表金属板3上的未设置金属被膜的部位。而且，焊锡层12优选由无铅焊锡构成。
而且，图6示出半导体装置的其他构成例。图中，符号1是陶瓷金属电路基板，2是陶瓷基板，3是金属板(表金属板)，4是金属板(背金属板)，5是接合层(表侧接合层)，6是接合层(背侧接合层)，7是金属被膜(背面侧金属被膜)，8是金属被膜(表侧面侧金属被膜)，9是金属端子，10是半导体装置，11是半导体元件，12是焊锡层，14是散热片，15是螺钉。
图6例示了分别介由焊锡层12将半导体元件11安装在2枚金属板3上而得到的半导体装置10。而且，与半导体元件11的导通使用金属端子9。而且，其是通过螺钉15将散热片14固定的结构。
与半导体元件11的导通不限于图6那样使用金属端子9的方法，也可以使用引线接合。
而且，图7示出半导体装置的又另外的构成例。图中，符号1是陶瓷金属电路基板，2是陶瓷基板，3是金属板(表金属板)，4是金属板(背金属板)，5是接合层(表侧接合层)，6是接合层(背侧接合层)，7是金属被膜(背面侧金属被膜)，10是半导体装置，11是半导体元件，12是焊锡层，13是润滑脂层，14是散热片，15是螺钉。
图7是将陶瓷基板2与散热片14螺旋固定(也可称为螺钉固定)的结构。图7是在陶瓷基板2设置了螺旋固定用的孔的结构。作为陶瓷基板2的螺旋固定结构，还有用紧固用具将陶瓷基板固定、并将该紧固用具螺旋固定的方法。
上述无铅焊锡例示于JIS-Z-3282(2006)中。无铅焊锡以Sn(锡)作为主成分。这里所称的主成分是指，在焊锡成分中以质量％计最多含有的成分。而且，无铅焊锡中，调整添加物而将高温系、中高温系、中温系等特性分开使用。无铅焊锡中含有5质量％以下的Ag，但由于较多地含有难以与硫成分反应的Sn，所以不会产生反应物(AgS)的生成。另外，对于实施方式的半导体装置，不限于无铅焊锡，也可以使用各种接合材。该各种接合材中也包含铅系焊锡。
而且，背金属板4介由焊锡层12或润滑脂层13而接合有散热片14。图5中示出了使用了散热片14的半导体装置，但不限于散热片，可以使用散热板(散热器)、壳体等各种的散热构件。而且，也可以使用焊锡层、粘接剂层来代替润滑脂层。而且，根据需要，设定为使用螺旋固定结构或压接结构。
而且，作为散热构件的构成材，可以列举出铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、陶瓷等。而且，根据需要，设定为将半导体装置10树脂成型。
另外在图7中，在采用介由润滑脂层13与散热片14安装的结构时，通过在背金属板4表面设置金属被膜7，可以抑制润滑脂层13中的气泡的形成。降低气泡、提高密合性使热阻降低、散热性进一步提高。该散热性的提高与进一步提高半导体装置的动力循环特性相关。
这里，动力循环特性试验是指在半导体装置的温度比较稳定的状态下反复进行开关动作的耐久性试验。是一边反复开关一边进行的再现故障模式的试验。散热性如果不充分，则半导体元件的热不能充分出逃，所以容易产生接合不良。另外，半导体元件在为功率元件时有时也称为断线通电试验。
接着，对实施方式的陶瓷金属电路基板以及半导体装置的制造方法进行说明。实施方式的陶瓷金属电路基板的制造方法没有特别限定，作为用于高效地进行制造的方法，可以列举出下面的步骤。
首先，准备陶瓷基板。作为陶瓷基板，优选为氮化硅基板、氮化铝基板、氧化铝基板中的任意1种。氮化硅基板、氮化铝基板、氧化铝基板优选为上面所示的基板。而且，基板的厚度优选在0.1～1.0mm的范围内。而且，设定为根据基板的强度或热传导系数来选择基板厚度。
接着，准备金属板。金属板优选选自铜、铜合金、铝、铝合金中的1种。金属板的厚度优选在0.2～5.0mm的范围。
接着，准备活性金属焊料。活性金属优选为选自Ti、Zr、Hf、Si中的1种。
在金属板为铜板或铜合金板的情况下，优选含有选自Ti、Zr、Hf中的1种活性金属、以及Ag和Cu的活性金属焊料。而且，根据需要，设定为含有Sn以及In中的1种或2种。
而且，在金属板为铝板或铝合金板的情况下，优选为含有Si和Al的活性金属焊料。而且，根据需要，设定为含有选自Mg、Ca、Sr、Ba中的1种或2种以上。
另一方面，在活性金属焊料中混合粘合剂而制备活性金属焊料糊剂。将活性金属焊料糊剂涂布在陶瓷基板上，在其上配置金属板。活性金属焊料糊剂可以为实心涂覆，也可以涂布成图案形状。而且，金属板的尺寸可以为实心板，也可以使用预先加工成图案形状的金属板。而且，接合了实心板时，通过蚀刻加工而形成图案形状。
而且，作为形成接合层的露出部的方法，可以列举出在活性金属焊料糊剂的涂布区域内预先考虑露出部后展开涂布的方法。而且，作为其他方法，可以列举出将接合后的金属板的端部蚀刻加工，将端部的接合层残留而形成露出部的方法。通过该工序，将金属板与陶瓷基板的两面接合在一起。
接着，进行设置金属被膜的工序。金属被膜优选以Ni或Au作为主成分。而且，金属被膜的平均厚度优选设定为10μm以下，进一步优选设定为5μm以下。
而且，在不想设置金属被膜的部位设置掩模材。掩模材优选使用蚀刻抗蚀剂(也称为防蚀涂层)或耐镀覆抗蚀剂。通过使用蚀刻抗蚀剂，也可以在进行了对金属板的侧面蚀刻的工序之后，实施设置金属被膜的工序。而且，优选从背面或表面中的任意一方实施设置金属被膜的工序。而且，也可以为在设置了金属被膜后通过药液或研磨等来除去金属被膜的工序。通过该工序，可以制作设置了金属被膜的陶瓷金属电路基板。
接着，实施安装半导体元件的工序。首先，在表金属板的表面的没有设置金属被膜的部位设置焊锡层。在焊锡层上载置半导体元件，通过热处理来进行接合。
焊锡层优选以无铅焊锡构成。而且，作为无铅焊锡，优选为JIS-Z-3282中示出的焊锡。JIS-Z-3282中示出的无铅焊锡中，Ag的含量为5.2质量％以下。由于Ag含量少为10质量％以下，所以Ag难以露出到焊锡层表面。因此，难以形成与硫成分的反应物。
而且，在将陶瓷金属电路基板模块化时，介由润滑脂层13将设置有背金属板被膜7的背金属板4安装到散热构件上。而且，也可以使用焊锡层、粘接剂层来代替润滑脂层。而且，根据需要，也可以使用螺旋固定结构或压接结构。由于在背金属板4设置有背金属被膜7，所以与润滑脂层、焊锡层、粘接剂层的密合性好。
而且，伴随着模块结构的复杂化，有时分开实施半导体元件的安装工序、将陶瓷电路基板与散热构件一体化的安装工序。通过预先在背金属板设置金属被膜，在半导体元件安装工序中的热处理中，可以抑制背金属板表面被氧化。同样地，在从大型陶瓷电路基板取出多个时，还有预先将半导体元件安装之后再分割的方法。
像这样，对于用于在先安装半导体元件后再实施安装到散热构件中的工序的陶瓷电路基板是有效的。
实施例
(实施例1～10以及比较例1～2)
作为陶瓷金属电路基板的构成材，准备表1中所示的各试样。氮化硅基板使用热传导系数为90W/m·K、3点弯曲强度为650MPa的基板。AlN(氮化铝)基板使用热传导系数为180W/m·K、3点弯曲强度为350MPa的基板。氧化铝基板使用热传导系数为20W/m·K、3点弯曲强度为400MPa的基板。硅铝合金(含有20wt％ZrO2的Al2O3)基板使用热传导系数为25W/m·K、3点弯曲强度为450MPa的基板。
而且，接合焊料“Ag-Cu-Ti”的组成由Ag68wt％、Cu30wt％和Ti2wt％构成。而且，“Ag-Cu-Sn-Ti”的组成由Ag58wt％、Cu25wt％、Sn14wt％和Ti3wt％构成。而且，“Al-Si”的组成由Al99wt％和Si1wt％构成。这些接合焊料由于含有Ti或Si所以是活性金属接合焊料。
将各个接合焊料与粘合剂混合，制备接合焊料糊剂。在陶瓷基板上以厚度40μm涂布接合焊料糊剂。在其上配置金属板。对陶瓷基板的两面进行该工序，并进行热处理，从而制备陶瓷金属电路基板。热处理温度是，“Ag-Cu-Ti”焊料或“Ag-Cu-Sn-Ti”焊料为800～900℃，“Al-Si”焊料为600～800℃的范围内。另外，表金属板以将金属板之间的距离设定为1mm来接合。
表1
Figure BDA0001539987180000131
接着，对各陶瓷金属电路基板(试样1～6)实施镀覆处理，在规定的部位设置金属被膜。由此，制备表2所示的实施例1～10的陶瓷金属电路基板。比较例1制成试样1的状态(完全没有设置金属被膜)。而且，比较例2准备了在表背的金属板的表面设置有金属被膜的基板。而且，在金属板的侧面设置了金属被膜的结构是以覆盖接合层的露出部的方式设置的。
而且，求出设置了金属被膜的面的最大高度粗糙度Rz。Rz的测定是基于JIS-B-0601实施的。
表2
Figure BDA0001539987180000141
在上述实施例以及比较例的各陶瓷金属电路基板上安装半导体元件。半导体元件的安装使用无铅焊锡而分别安装到两个表金属板上。另外，无铅焊锡层的厚度以50μm来统一。对半导体元件实施引线接合而形成通电电路。
接着，在外壳接合后，填充封装凝胶(potting gel)而制作无底座(baseless)型的功率模块。然后，在背金属板侧介由有机硅润滑脂层(厚度100μm)将Al散热板螺旋固定。由此制作变换器(半导体装置)。
使用这样的变换器来测定热阻、TCT特性。关于热阻，使半导体元件发热(驱动)，测定热阻(K/W)。而且，TCT试验是将温度-40℃×30分钟保持→25℃×10分钟→175℃×30分钟→温度25℃×10分钟保持作为一个循环，测定1000个循环后的热阻。
而且，测定TCT试验后的表金属板之间(图案之间)的不良发生率。对于不良发生率，分别对每100个实施TCT试验，测定发生了图案之间的导通不良的比例。
而且，对于TCT试验后的露出部有无变形，在上述TCT试验之前和之后从上方拍摄SEM照片而确认有无变形。将其结果示于下述表3。
表3
Figure BDA0001539987180000151
由上述表3所示的结果可知，根据各实施例的半导体装置，TCT试验后热阻的变化也小。这是因为TCT特性良好的缘故。而且，图案之间的不良也没有发生。
接着，对各实施例以及比较例的陶瓷金属电路板，在包含SO2的气氛中放置100小时。其后，实施与上述相同的TCT试验1000个循环，测定热阻以及图案之间的不良率。将这些测定结果示于下述表4中。
表4
Figure BDA0001539987180000161
根据上述表4所示的结果可知，根据实施例2-10的陶瓷金属电路基板，在侧面设置了金属被膜的例子中，没有引起由含有SO2的气氛引起的腐蚀，所以，TCT特性以及图案之间的不良发生率为零。与此相对，侧面存在没有设置金属被膜的部位的实施例1、比较例1、比较例2中，SO2与接合层反应而形成了AgS。因此判明了，在侧面设置有金属被膜的陶瓷金属电路基板对由SO2引起的腐蚀具有强的耐久性。
(实施例1A～10A以及比较例1A～2A)
除了将陶瓷基板的长边的长度设定为增加了20mm这点以外，使用实施例1～10以及比较例1～2的陶瓷金属电路基板，如图7所示的那样，分别制作具有螺旋固定结构的半导体装置。螺旋固定结构是在陶瓷基板2上设置螺钉孔而将螺钉15插通到直接散热板(散热片14)而进行螺旋固定。对各半导体装置实施动力循环试验。动力循环试验是以温度80～150℃(ΔT＝70℃)的条件实施，测定直至发生故障的循环次数。而且，将直至发生故障的循环次数为10万次以上以○表示，将1万次以上且低于10万次以△表示，将低于1万次以×表示。将其测定结果示于下述表5中。
表5
陶瓷电路基板 动力循环试验
实施例1A 实施例1 ○
实施例2A 实施例2 ○
实施例3A 实施例3 ○
实施例4A 实施例4 ○
实施例5A 实施例5 ○
实施例6A 实施例6 ○
实施例7A 实施例7 ○
实施例8A 实施例8 ○
实施例9A 实施例9 ○
实施例10A 实施例10 ○
比较例1A 比较例1 ×
比较例2A 比较例2 △
由上述表5所示的结果可知，各实施例1A-10A的半导体装置的耐久性优异。特别确认了介由润滑脂层的接合结构是有效的。
以上，对本发明的几个实施方式进行了例示，但这些实施方式是作为例子而示出的，其意图并非限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更等。这些实施方式和其变形包含于发明的范围、主旨中，同时也包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。而且，上述的各实施方式可以相互组合而实施。
符号说明
1：陶瓷金属电路基板
2：陶瓷基板
3：金属板(表金属板)
3-1：第1金属板(表金属板)
3-2：第2金属板(表金属板)
4：金属板(背金属板)
5：接合层(表侧接合层)
5a：接合层的露出部
6：接合层(背侧接合层)
6a：接合层的露出部
7：金属被膜(背面侧金属被膜)
8：金属被膜(表侧面侧金属被膜)
9：金属端子
10：半导体装置
11：半导体元件
12：焊锡层
13：润滑脂层
14：散热片(散热构件)
15：螺钉

Claims (12)

1.一种陶瓷金属电路基板，其特征在于，具备陶瓷基板、以及分别介由接合层与该陶瓷基板的第1面和第2面接合的第1金属板和第2金属板，其中，
在所述第1金属板的与所述陶瓷基板的接合面的相反侧的面设置有金属被膜，同时在所述第2金属板的与所述陶瓷基板的接合面的相反侧的面的至少一部分未设置有金属被膜，
在所述第2金属板的未设置有所述金属被膜的部位使用无铅焊锡安装半导体元件或金属端子，
所述第1金属板和所述第2金属板分别由选自铜、铜合金、铝和铝合金中的一种形成，
通过在最大高度粗糙度Rz为2μm以上的所述第1金属板和所述第2金属板设置所述金属被膜，设置有所述金属被膜的面的最大高度粗糙度Rz为1.5μm以下，
所述金属被膜的平均膜厚为10μm以下，
所述第1金属板和所述第2金属板的平均晶粒直径为200μm～1000μm，
所述第1金属板具有再结晶组织。
2.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，在所述接合层形成有从所述第1金属板和所述第2金属板的侧面露出的露出部。
3.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，所述接合层含有选自Ag、Cu、Al之中的至少1种。
4.根据权利要求2所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，以覆盖所述第1金属板和所述第2金属板的侧面以及所述露出部的方式设置有金属被膜。
5.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，所述金属被膜是选自镍、金、或以它们作为主成分的合金中的一种。
6.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，所述陶瓷基板是选自氮化硅基板、氮化铝基板、氧化铝基板中的一种。
7.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，所述金属被膜的平均膜厚为5μm以下。
8.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，所述陶瓷基板为氮化硅基板，在所述接合层形成有从所述第1金属板和所述第2金属板的侧面露出的露出部，所述接合层含有选自Ag、Cu、Al之中的至少1种。
9.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，所述接合层含有选自Ag、Cu、Al之中的至少1种，设置有所述金属被膜的金属板具有再结晶组织。
10.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，所述第1金属板和所述第2金属板为铜板。
11.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其特征在于，所述第1金属板和所述第2金属板的厚度为0.20mm以上。
12.一种半导体装置，其特征在于，在权利要求1～11中任一项所述的陶瓷金属电路基板上安装有半导体元件。
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