CN110313064A - 陶瓷金属电路基板及使用了该陶瓷金属电路基板的半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种陶瓷金属电路基板，其特征在于，其是在陶瓷基板的至少一个面上接合有多个金属电路板的陶瓷金属电路基板，其中，面积为100mm2以上的金属电路板中的至少1个在表面的1～70％的范围内具有深度为0.02mm以上的凹部，上述凹部形成于上述金属电路板的距离端部为3mm以上内侧。另外，设置有凹部的面积优选为一个金属电路板表面的3～70％。

Description

陶瓷金属电路基板及使用了该陶瓷金属电路基板的半导体 装置
技术领域
后述的实施方式涉及陶瓷金属电路基板及使用了该陶瓷金属电路基板的半导体装置。
背景技术
半导体元件有以IGBT等为代表的功率元件。功率元件逐年被高性能化。另外，伴随着半导体元件的高性能化，工作补偿温度(结温)正在被高温化。另外，安装半导体元件的陶瓷金属电路基板也为了应对工作补偿温度的上升，开发了耐热循环特性(TCT特性)优异的陶瓷金属电路基板。例如在国际公开WO2013/094213号公报(专利文献1)中，通过将铜电路板的侧面形状最优化，从而使TCT特性提高。在专利文献1中，由此即使搭载工作温度达到170℃以上的半导体元件，也使可靠性提高。
另外，在陶瓷金属电路基板上安装有半导体元件的半导体装置大多被树脂模塑。通过进行树脂模塑，能够进行生产率的提高、及导通不良防止或劣化防止。例如，在日本特开2002-83917号公报(专利文献2)中，在引线框的表面设置凹部而得到与模塑树脂的锚固效应。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2013/094213号公报
专利文献2：日本特开2002-83917号公报
专利文献3：日本特开平8-250823号公报
专利文献4：日本特开2012-119519号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献2中，在引线框上设置有微细的凹部。通过微细的凹部，提高与树脂模塑的密合性。例如在专利文献2的图6中在引线框上安装有半导体元件。专利文献2的半导体装置没有使用陶瓷基板。就不使用陶瓷基板的半导体装置而言，在半导体元件的工作温度变高时耐久性不充分。另外，伴随着半导体元件的工作温度的上升而引起的金属电路板的热膨胀变大，在微细的凹部与模塑树脂的密合性变得不充分。
另一方面，专利文献3公开了一种陶瓷电路基板，其具备陶瓷基板和与陶瓷基板的至少表面接合的金属板，其中，在金属板的和与陶瓷基板的接合面相的反面侧的外周缘部内侧形成多个孔。在专利文献3中，在金属板的外周缘部内侧设置多个孔是为了缓和对金属板的外周端部的应力。
专利文献4公开了通过在铜电路的距离半导体搭载区域端部为0.3mm～2.0mm的范围内设置相对于铜电路和钎料的合计厚度D为20～60％的厚度d的薄壁部分，从而抑制因热冲击而在软钎料层、陶瓷基板中产生的裂纹的产生。另外，在专利文献4中记载了，若在距离半导体搭载区域端部超过2.0mm的范围内设置薄壁部分，则在热冲击试验中产生裂纹。
本发明是用于应对这样的课题的发明，用于提供与模塑树脂的密合性优异的陶瓷金属电路基板及半导体装置。
用于解决课题的手段
实施方式的陶瓷金属电路基板的特征在于，其是在陶瓷基板的至少一个面上接合有多个金属电路板的陶瓷金属电路基板，其中，面积为100mm2以上的金属电路板中的至少1个在表面的1～70％的范围内具有深度为0.02mm以上的凹部。
附图说明
图1是表示实施方式的陶瓷金属电路基板的一个例子的上表面图。
图2是表示具有凹部的金属电路板的一个例子的上表面图。
图3a是表示凹部的一个例子的上表面图。
图3b是表示凹部的另一个例子的上表面图。
图4a是表示凹部的一个例子的截面图。
图4b是表示凹部的另一个例子的截面图。
图4c是表示凹部的又一个例子的截面图。
图4d是表示凹部的又一个例子的截面图。
图4e是表示凹部的又一个例子的截面图。
图4f是表示凹部的又一个例子的截面图。
图5是表示具有凹部的金属电路板的另一个例子的上表面图。
图6是表示具有凹部的金属电路板的又一个例子的上表面图。
图7是表示实施方式的半导体装置的一个例子的截面图。
图8是表示实施方式的半导体装置的另一个例子的截面图。
图9是表示具有凹部的金属电路板的另一个例子的上表面图。
图10是表示实施方式的陶瓷金属电路基板的另一个例子的上表面图。
具体实施方式
实施方式的陶瓷金属电路基板的特征在于，其是在陶瓷基板的至少一个面上接合有多个金属电路板的陶瓷金属电路基板，其中，面积为100mm2以上的金属电路板中的至少1个在表面的1～70％的范围内具有深度为0.02mm以上的凹部，上述凹部还形成于上述金属电路板的距离端部为3mm以上内侧。凹部可以仅形成于金属电路板的主表面中的距离端部为3mm以上内侧，也可以形成于金属电路板的主表面中的距离端部为3mm以上内侧和距离端部低于3mm的部分这两者上。
图1中示出实施方式的陶瓷金属电路基板的一个例子。图1是从上方观察具有凹部的金属电路板的上表面图。另外，图中，1为陶瓷金属电路基板，2为陶瓷基板，3为设置有凹部的金属电路板，3-1为设置有凹部的第1金属电路板，3-2为设置有凹部的第2金属电路板，4为金属电路板(未设置凹部的金属电路板)，5为凹部。
首先，在陶瓷基板的至少一个面上接合有多个金属电路板。金属电路板可以仅设置于陶瓷基板的单面，也可以设置于两面。另外，在仅在单面设置有金属电路板的情况下，其相反侧也可以接合作为散热板的背金属板。另外，金属电路板优选由铜、铜合金、铝、铝合金中的任1种形成。
多个金属电路板中，至少1个为面积为100mm2以上的金属板。图2中示出具有凹部的金属电路板的一个例子。图2为具有凹部的金属电路板3的上表面图。图中，3为具有凹部的金属电路板，5为凹部，d为凹部的最小直径，p为凹部彼此的最短距离，L1为金属电路板的长边的长度，L2为金属电路板的短边的长度。
金属电路板的面积由(长边的长度L1)×(短边的长度L2)求出。在金属板为长方形以外的情况下，设定为求出其表面的面积。可列举出长方形以外的L字、H字、S字、圆形等各种形状。
另外，面积为100mm2以上的金属板中，至少1个设置有凹部。设置有凹部的金属电路板在其表面的1～70％的范围内设置有凹部。另外凹部的深度成为0.02mm以上。另外，凹部设定为还形成于金属电路板的距离端部为3mm以上内侧。即，不仅在面积为100mm2以上的金属电路板的端部，而且在内侧也设置有凹部。通过在金属电路板的面积为100mm2以上的大的电路板上设置这样的凹部，与模塑树脂的锚固效应提高。因此，即使半导体元件的工作温度变高，也能够降低模塑树脂剥离这样的不良情况。另外，凹部的形成面积设定为在1块金属电路板的表面进行计算。另外，凹部只要至少一部分设置于距离端部为3mm以上内侧即可。若换而言之，则可以凹部的全部为金属板的距离端部为3mm以上内侧，也可以其一部分设置于距离端部低于3mm的范围内。搭载半导体元件或端子的金属电路板的主表面的面积通常有100mm2以上，但伴随着工作温度的高温化，半导体元件或端子的周缘所受到的热影响增加。因此，半导体元件或端子的周缘附近的模塑树脂存在容易剥离的倾向。通过使凹部的至少一部分形成于距离端部为3mm以上内侧，由于可抑制半导体元件及端子的周缘附近的模塑树脂的剥离，所以在金属电路板整体中能够抑制模塑树脂的剥离。
若凹部的形成面积低于1％，则与模塑树脂的锚固效应不充分。另外，若凹部的形成面积超过70％那样大，则安装半导体元件的区域不足。因此，设置凹部的区域必须为面积为100mm2以上的金属电路板的3～70％的范围。另外，设置有凹部的面积优选为一个金属电路板表面的30～70％的范围内。进而，优选在搭载半导体元件或端子之后，成为在除半导体元件安装部及端子安装部以外的半导体元件非搭载区域的30～95％的范围设置有凹部的结构。因此，关于搭载半导体元件及端子之前的陶瓷金属电路基板，优选成为在金属电路板的主表面中的除半导体元件安装部用区域及端子安装部用区域以外的非搭载区域的30～95％的范围内设置有凹部的结构。
图9是表示具有凹部的金属电路板的另一个例子的上表面图。图中，3为设置有凹部的金属电路板，5为凹部，10为半导体元件安装部，11为端子安装部。
半导体元件安装部10及端子安装部11的面积可以通过对安装有半导体元件等的半导体装置进行观察而求出。将所得到的面积设定为半导体元件安装部用区域及端子安装部用区域的面积。另外，在用于安装半导体元件的软钎料层(或钎料层)溢出的情况下，溢出的软钎料层设定为包含在半导体元件安装部11中。同样地关于端子，在软钎料层溢出的情况下，也设定为包含在端子安装部11中。这是由于若将凹部用软钎料层填埋，则变得无法提高与后述的树脂模塑的密合性。
另外，由于在面积为100mm2以上的金属电路板上设置有凹部，所以能够充分确保安装半导体元件或端子的面积。另外，就过小的金属电路板或细长的金属电路板而言，无法确保安装半导体元件的面积。若换而言之，则适于设置有面积为100mm2以上的金属电路板的陶瓷金属电路基板。
另外，就安装半导体元件及端子之前的陶瓷金属电路基板而言，使用设计图来求出凹部的面积率的方法是有效的。
另外，就安装半导体元件或端子之后的陶瓷金属电路基板、及包含该金属电路基板的半导体装置而言，用光学显微镜测定上表面照片。由上表面照片求出凹部的面积率的方法是有效的。
另外，就经树脂模塑的半导体装置而言，使用了X射线的方法、将树脂除去而进行测定的方法是有效的。使用了X射线的方法可列举出X射线CT观察。使用X射线CT观察的图像可以求出凹部的面积率。另外，通过使用3D图像，凹部的深度也能够一并进行测定。
另外，除去树脂的方法可列举出激光处理、试剂处理、磨削处理。激光处理是通过激光将树脂溶解而除去的方法。也被称为激光开封。试剂处理是通过试剂将树脂溶解的方法。另外，磨削处理是将树脂削去的方法。以一定量进行磨削处理后，进行激光处理或试剂处理的方法也是有效的。在除去树脂之后，用光学显微镜进行观察来求出凹部的面积率是有效的。
另外，凹部的深度为0.02mm以上。凹部的深度低于0.02mm时与模塑树脂的锚固效应不充分。另外，凹部的深度优选成为金属电路板的厚度的10～90％的范围内。另外，凹部的一部分也可以为贯通型。即，也可以在金属电路板上设置有贯通型凹部和非贯通型凹部这两者。
另外，从上方观察将凹部形状设定为圆形时的凹部时的平均最小直径d(mm)或从上方观察将凹部形状设定为连续的槽时的凹部时的平均最小槽宽度W(mm)优选为0.5～2mm的范围内。图3a及图3b中例示出凹部的上表面图。图3a的(a)为圆形，图3b的(b)为四边形。凹部的形状并不限于这样的形状，可以适用椭圆、长方形、多边形、星型、波型等各种形状。另外，在凹部的上表面图中，将最短的对角线设定为最小直径d，最小槽宽度W也以d表现。
另外，平均最小直径d或平均最小槽宽度W的测定方法包括从上方用光学显微镜对具有凹部的金属电路板进行拍摄。在一个金属电路板内，测定各个凹部的最小直径d。通过将小数点第2位数四舍五入，设定为凹部的最小直径d。测定一个金属电路板内的全部凹部的最小直径d。将各个最小直径d中的除了最小值和最大值以外的值平均而设定为平均最小直径d。平均最小槽宽度W也设定为通过同样的方法求出。
另外，平均最小直径d(或平均最小宽度W)低于0.5mm时，有可能凹部的入口过小而模塑树脂没有充分进入。另外，若平均最小直径d(或平均最小宽度W)超过2mm那样大，则有可能模塑树脂变得容易漏出。因此，为了得到与模塑树脂的锚固效应，凹部的平均最小直径d(或平均最小宽度W)优选为0.5～2mm的范围内。另外，若为该范围，则各个凹部的最小直径d(或最小宽度W)可以相同，也可以不同。另外，关于形状，也既可以被统一，也可以是不同形状的组合。另外，优选全部的最小直径d为0.5～2mm的范围内。同样地，优选全部的最小宽度w为0.5～2mm的范围内。
另外，凹部彼此的平均最短距离p优选为d/2(mm)以上。所谓凹部彼此的最短距离p表示相对于一个凹部位于其周围的凹部中最近的距离。凹部彼此的最短距离p也称为凹部的间距。若平均最短距离p小于d/2，则有可能凹部彼此的间距间的强度变得不充分。例如，在金属电路板变得厚达0.3mm以上、进而0.8mm以上时，有可能与间距间的强度不足相反而与模塑树脂的密合性降低。另外，对于最小宽度W，也优选凹部彼此的平均最短距离p为W/2(mm)以上。另外，凹部彼此的最短距离p优选全部满足d/2(mm)以上或W/2(mm)以上。
这里，对平均最短距离p的测定方法进行说明。从上方用光学显微镜对具有凹部的金属电路板进行拍摄。在一个金属电路板内，测定凹部彼此的最短距离p。通过将小数点第2位数四舍五入，设定为凹部的最短距离p。测定一个金属电路板内的全部凹部的最短距离p。将各个最短距离p中的除了最小值和最大值以外的值平均而设定为平均最短距离p。
另外，凹部的截面形状优选为选自U字、V字、长方形、圆形中的1种。图4a～图4f中示出了凹部的一个例子。图4a的(c)为截面形状为长方形的凹部。图4b的(d)为截面形状为V字的凹部。图4c的(e)为截面形状为U字的凹部。图4d的(f)为截面形状为圆形的凹部。图4e的(g)为截面形状为三角形状的凹部。图4f的(h)为在凹部5的端部(入口周缘)形成有凸部22的形状。
它们中，图4d(f)的圆形或图4e(g)的三角形状容易提高与模塑树脂的粘接强度。关于圆形形状或三角形状的凹部，内部相对于凹部的入口变宽。若为这样的结构，则在模塑树脂固化后变得不易漏出。其他的长方形、V字、U字为容易形成凹部的结构。因此，若考虑量产性，则优选长方形、V字、U字。另外，凹部的截面形状在一个金属电路板内可以被统一，也可以不同。另外，也可以是如图4f的(h)中所示的那样在凹部5的端部即开口端周缘形成有凸部22的形状。若在凹部5的端部形成有凸部22，则能够防止模塑树脂偏离。在开口端周缘具有凸部的凹部例如可以通过对金属电路板实施激光加工而形成。
另外，凹部的截面形状并不限定于图4a～图4f中所示的形状。除此以外，可列举出螺纹槽形状等。
另外，凹部的形状也可以为槽形状。图5中示出了具有槽形状的凹部的金属电路板的一个例子。图中，3为具有凹部的金属电路板，5为凹部，w为凹部的最小宽度，p为凹部彼此的最短距离。图5中，凹部的上表面图呈长方形。槽形状的凹部并不限于长方形，也可以为S字、M字等曲线形状。另外，截面形状可以适用图4a～图4f中所示的形状。另外，凹部也可以将圆形形状与槽形状组合。
另外，凹部也可以为连续的槽形状。图6中例示出具有连续的槽形状的凹部的金属电路板的上表面图。图中，3为具有凹部的金属电路板，5为凹部，w为凹部的最小宽度，p为凹部彼此的最短距离。图6中，示出以四边形状连续的槽形状的凹部。像这样，所谓连续的槽形状表示凹部相连的形状。连续的槽形状不限于四边形状，可以使用多边形、圆形、椭圆等各种形状。另外，也可以与上述的图3a～图3b或图4a～图4f那样的形状的凹部组合。
另外，凹部5优选至少存在1个部位的从具有凹部的金属电路板3的中心朝向外侧配置有2个以上或2列以上的部位。通过从中心(内侧)朝向外侧设置凹部，能够防止模块树脂偏离。作为具有上述配置的金属电路板的例子，可列举出图1、图2、图5、图9、图10。例如优选如图1、图10中所示的那样有成为3个以上或3列以上的部位。这里，具有凹部的金属电路板的中心设定为成为对象的金属电路板的外切长方形的两条对角线的交点。
另外，金属电路板的厚度优选为0.3mm以上。进而，金属电路板的厚度优选为0.8mm以上。通过增厚金属电路板，能够提高陶瓷金属电路基板的散热性。作为搭载工作温度高的半导体元件的陶瓷金属电路基板是有效的。
另外，陶瓷基板的表面尺寸优选为12cm2以上。所谓陶瓷基板的表面尺寸，在陶瓷基板为长方形的情况下，通过长边×短边求出。另外，在陶瓷基板不为长方形的情况下，设定为由接合金属电路板的面的面积求出的值。另外，在陶瓷基板中设置有螺旋夹用的孔的情况下，设定为不计算为表面尺寸。
若陶瓷基板的表面尺寸为12cm2以上(1200mm2以上)，则成为容易设置多个金属电路板的结构。另外，变得容易设置2个以上的面积为100mm2以上的金属电路板。另外，通过设置2个以上的设置有凹部的金属电路板，能够使与模塑树脂的密合性变得更牢固。
需要说明的是，陶瓷基板的表面尺寸的上限没有特别限定，但优选为100cm2以下。若超过100cm2而较大，则有可能树脂模塑加工变得困难。例如，传递模塑法是在模具内配置陶瓷金属电路基板而进行树脂模塑。若陶瓷基板过大，则有可能因初期或模塑中的翘曲量增大等而导致在模具内的配置变得困难。因此，陶瓷基板的表面尺寸优选为12～100cm2，进一步优选为20～50cm2。另外，陶瓷基板2可以是单板，也可以是具有多层结构等立体结构的基板。
另外，陶瓷基板优选为氮化硅基板。作为陶瓷基板，可以适用氮化铝基板、氧化铝基板、阿卢西尔高硅耐热铝合金基板、氮化硅基板中的任一者。
通常的氮化铝基板、氧化铝基板的3点弯曲强度为300～450MPa左右。阿卢西尔高硅耐热铝合金基板为将氧化铝与氧化锆混合而得到的烧结体。阿卢西尔高硅耐热铝合金基板的强度也为550MPa前后。为550MPa以下的强度时若使基板厚度薄至0.4mm以下，则在模塑时基板开割的可能性变高、或者作为半导体装置的TCT(热循环)特性降低。特别是在使TCT试验的高温侧高达175℃以上时耐久性降低。
氮化硅基板可以使3点弯曲强度为600MPa以上、进而为700MPa以上的高强度。另外，有热导率为50W/m·K以上、进而为80W/m·K以上的氮化硅基板。特别是近年来也有兼具高强度和高热传导这两者的氮化硅基板。若是3点弯曲强度为600MPa以上、热导率为80W/m·K以上的氮化硅基板，则还能够将基板厚度薄型化至0.30mm以下。特别是在将基板尺寸大型化至12cm2以上、进而20cm2以上时优选为氮化硅基板。
需要说明的是，3点弯曲强度设定为通过依据JIS-R-1601的激光闪光法测定的值，热导率设定为通过依据JIS-R-1611的激光闪光法测定的值。
另外，陶瓷基板与金属电路板的接合方法为活性金属法、直接接合法等没有特别限定。
另外，如图7中例示的那样，也可以是在陶瓷基板2的相对于设置有金属电路板3的面的背面设置有背金属板8的结构。背金属板8可以作为散热板或电路板使用。另外，也可以制成在背金属板8上设置有凹部的结构。在将背面(设置有背金属板8的面)进行树脂模塑时是有效的。另外，如后所述，在将安装基板9与背金属板8接合时使用润滑脂层。通过在背金属板8上设置凹部，能够提高与润滑脂层的密合性。
另外，也可以在陶瓷基板的表面(两个主表面)中的未设置金属电路板的部位的至少一部分上设置凹部。需要说明的是，在设置背金属板的情况下，也可以在陶瓷基板的表面(两个主表面)中的未设置背金属板的表面的至少一部分上设置凹部。图10中示出了在陶瓷基板上设置有凹部的一个例子。图中，1为陶瓷金属电路基板，2为陶瓷基板，3为设置有凹部的金属电路板，4为未设置凹部的金属电路板，5为凹部，12为设置于陶瓷基板上的凹部。第1金属电路板3-1及第2金属电路板3-2设置于陶瓷基板2的一个主表面上。在第1金属电路板3-1上形成有从中心朝向外侧排成两列的凹部。另一方面，在第2金属电路板3-2上形成有从中心朝向外侧排成三列的凹部。
图10是例示了设置有金属电路板的面的图。在陶瓷基板2的未设置金属电路板(设置有凹部的金属电路板3及未设置凹部的金属电路板4)的部位中的陶瓷基板2的端部形成有凹部12。通过在陶瓷基板2上形成凹部12，能够进一步提高与模塑树脂的密合性。
另外，为了避免起因于凹部而引起的陶瓷基板2的绝缘性的降低，凹部12优选为非贯通型的凹部。另外，优选在与模塑树脂直接相接的陶瓷基板2的表面面积的30～95％的范围内设置凹部12。凹部的最小直径d或最小宽度W优选为0.5～2mm的范围内。
以上那样的陶瓷金属电路基板适于搭载有半导体元件的半导体装置。另外，半导体元件优选搭载于设置有凹部的金属电路板上。另外，优选在设置有凹部的金属电路板上搭载多个半导体元件。另外，适于经树脂模塑的半导体装置。
图7中示出经树脂模塑的半导体装置的一个例子。图中，2为陶瓷基板，3为设置有凹部的金属电路板，6为半导体元件，7为模塑树脂，8为金属板，9为安装基板，20为半导体装置。
图7中，将2个设置有凹部的金属电路板接合。其中1个搭载有2个半导体元件，另一个搭载有1个半导体元件。实施方式的半导体装置并不限于这样的结构，可以在设置有凹部的金属电路基板上搭载1个或2个以上的半导体元件。
设置有凹部的金属电路板为面积为100mm2以上的大金属板。因此，可以搭载2个以上的半导体元件。另一方面，半导体元件成为发热源。在进行了树脂模塑时，半导体元件的附近容易因热应力而导致树脂剥离。因此，通过设置凹部，模塑树脂变得不易剥离。
特别是对于半导体元件的工作温度为170℃以上的半导体装置是有效的。工作温度为所谓的结温。即使半导体元件的发热量变大，通过设置凹部，也能够抑制模塑树脂的剥离。另外，对于半导体元件的导通，使用引线接合或引线框等。若引起树脂剥离，则引线接合变得容易断线。另外，引线框由铜板或铝板等金属板形成。由于金属板容易热膨胀，所以容易造成模塑树脂的剥离。因此，通过设置凹部来防止模塑树脂的剥离是有效的。
图7中例示的半导体装置不具备壳体。并不限定于这样的半导体装置，具备壳体的半导体装置也包含在本实施方式中。将这一个例子示于图8中。在半导体装置20的陶瓷基板2的一个主表面上，彼此隔开间隔而设置有多个设置有凹部的金属电路板3。在金属电路板3各自的主表面上搭载有半导体元件6。搭载的元件的数目对于每块金属电路板3也可以不同。在陶瓷基板2的另一个主表面上设置有金属板8。这样的结构的陶瓷基板2的金属板8与安装基板9接合。壳体21具有穹顶形状，其开口端与安装基板9的表面接合。模塑树脂7被填充于由安装基板9和壳体21所围成的空间内。模塑树脂7例如通过使用了灌封胶的模塑方法而形成。这种情况下，壳体21兼作模具。另外，壳体21也可以是盖与侧壁分开的壳体。
另外，实施方式的陶瓷金属电路基板将陶瓷基板的表面尺寸大型化至12cm2以上、进而20cm2以上。因此，能够搭载许多半导体元件。由于抑制了模塑树脂的剥离，所以能够提高搭载了许多半导体元件的半导体装置的可靠性。
接着，对实施方式的陶瓷金属电路基板的制造方法进行说明。实施方式的陶瓷金属电路基板只要具有上述构成，则其制造方法没有特别限定，作为用于以良好的成品率获得的方法，可列举出下面的方法。
首先，准备陶瓷基板。陶瓷基板可以适用氮化硅基板、氮化铝基板、氧化铝基板、阿卢西尔高硅耐热铝合金基板等各种基板。另外，陶瓷基板优选厚度为1mm以下的基板。另外，在3点弯曲强度为600MPa以上的情况下，优选厚度为0.4mm以下。作为强度高的基板，可列举出氮化硅基板。另外，氮化硅基板优选3点弯曲强度为600MPa以上并且热导率为50W/m·K以上的基板。
另外，根据需要，进行在陶瓷基板上设置凹部的工序。在陶瓷基板上设置凹部的工序可列举出喷丸加工、激光加工、钻孔加工等。另外，也可以在接合金属板后，进行在陶瓷基板上设置凹部的工序。
接着，接合金属电路板。金属电路板可列举出铜板、铜合金板、铝板、铝合金板等。另外，金属电路板的厚度优选为0.3mm以上，进一步优选为0.8mm以上。
另外，接合方法可列举出活性金属接合法或直接接合法。活性金属接合法为使用含有选自Ti、Zr、Hf、Si中的1种或2种以上的接合钎料的方法。活性金属接合法可以适用于氧化物系陶瓷基板、氮化物系陶瓷基板这两者。
在使用选自Ti、Zr、Hf中的1种的情况下，优选含有银(Ag)、铜(Cu)的钎料。另外，根据需要，添加铟(In)或锡(Sn)。这样的接合钎料适于铜板的接合。
另外，在使用Si的情况下，优选含有铝(Al)的钎料。这样的接合钎料适于Al板的接合。
另外，直接接合法为不使用接合钎料而进行接合的方法。是适于铜板与氧化物系陶瓷基板的接合的方法。由于不使用接合钎料，所以能够降低成本。
另外，接合的金属电路板也可以是预先成为图案形状的电路板，也可以是实心板。另外，在接合实心板的情况下，通过蚀刻工序而制成图案形状。另外，根据需要，接合背金属板。
另外，在金属板变得厚达0.3mm以上、进而0.8mm以上时，也可以对金属板的侧面按照成为倾斜结构的方式实施蚀刻处理。若将金属板侧面制成倾斜结构，则由于能够缓和金属板与陶瓷基板的接合端部的热应力，所以TCT特性提高。
接着，进行在金属电路板上设置凹部的工序。设置凹部的金属电路板为面积为100mm2以上的金属电路板。设置凹部的工序可列举出激光加工、钻孔加工、珩磨加工、蚀刻加工中的任一种。
激光加工设定为对想要设置凹部的部位实施激光加工。通过控制激光的输出功率或光斑直径，能够调整凹部的最小直径、深度。
另外，钻孔加工通过调整钻头的直径，能够调整凹部的最小直径。另外，钻头的形状可列举出螺纹槽形状、针形状等各种形状。另外，可以通过打入钻头的深度来调整凹部深度。
另外，珩磨加工是在不设置凹部的部位设置掩模。对未设置掩模的部位实施珩磨加工。珩磨加工对于形成凹部深度小的凹部是有效的。
另外，蚀刻加工是在不设置凹部的部位设置抗蚀涂层。对未设置抗蚀剂的部位进行蚀刻加工。通过抗蚀涂层的涂布形状，可以控制凹部的最小直径。另外，通过控制蚀刻时间，可以调整凹部深度。另外，蚀刻加工可以形成图4d的(f)那样的截面圆形的凹部5。将不制成贯通孔的蚀刻加工称为半蚀刻加工。
另外，设置凹部的部位按照成为面积为100mm2以上的金属电路板表面的1～70％的范围的方式进行设定。另外，凹部的深度按照成为0.02mm以上的方式设定。另外，上述设置有凹部的面积按照在一个金属电路板表面中除了半导体元件安装部区域及端子安装部区域以外成为30～95％的范围内的方式设定。
另外，在凹部形成后将掩模或抗蚀涂层除去。
接着，进行搭载半导体元件的工序。半导体元件设置于设置有凹部的金属电路板上。半导体元件的搭载通过软钎料、钎料等接合层来进行。也可以在设置有凹部的金属电路基板上设置2个以上的半导体元件。另外，在设置2个以上的半导体元件的情况下，可以是相同的元件，也可以是不同的元件。
接着，进行谋求半导体元件的导通的工序。设置引线接合或引线框。另外，将半导体装置(搭载有半导体元件的陶瓷电路基板)安装于安装基板上。半导体装置在安装基板上的安装工序可列举出软钎料、粘接剂、螺旋夹等。
接着，进行树脂模塑工序。模塑工序中使用的树脂可列举出环氧树脂等。另外，模塑工序可适用传递方式、压缩方式等各种方法。另外，还有使用了灌封胶的模塑方法。近年来，由于量产性良好，正在使用传递方式。传递模塑是在柱塞内进行加热使树脂软化、将软化后的树脂浇注到模具内并使其硬化的方法。由于使用软化后的树脂，所以连复杂形状即半导体装置的间隙也容易填充树脂。特别是连金属电路板的凹部的内部也容易填充树脂。另外，由于一次性进行模塑树脂的固化，所以量产性/生产率优异。灌封工序也可以直接使用模块的壳体。
需要说明的是，半导体装置在安装基板上的安装工序和树脂模塑工序也可以顺序颠倒。
(实施例)
(实施例1～13、比较例1～2)
作为陶瓷基板，准备了表1中所示的基板。
表1
接着，在表1中所示的陶瓷基板上使用活性金属法接合金属板。在金属板为铜板的情况下，使用Ag-Cu-Sn-Ti系钎料进行了接合。另外，在金属电路板为Al板的情况下，使用Al-Si系钎料进行了接合。对表金属板进行蚀刻加工，形成了表2中所示的电路图案。通过该工序形成了陶瓷金属电路基板。将其结果示于表2中。
表2
相对于陶瓷金属电路基板1～6的表金属板，设置了表3中所示的凹部。凹部统一为表3中所示的凹部。将设置有凹部的陶瓷金属电路基板设定为实施例，将未设置凹部的陶瓷金属电路基板设定为比较例。另外，仅在面积为100mm2以上的金属电路板上设置了凹部。另外，凹部的截面形状为长方形的凹部通过激光加工而形成。另外，凹部的截面形状为圆形的凹部通过蚀刻加工来进行。另外，实施例的陶瓷金属电路基板在面积为100cm2以上的金属板的距离端部进入3mm以上内侧的部位设置了凹部。另外，比较例1～6的陶瓷金属电路基板未设置凹部。另外，比较例7的陶瓷金属电路基板仅在面积为100cm2以上的金属板的距离端部为1m的部位设置了凹部。将其结果示于表3中。
表3
另外，将凹部设定为表4中所示的槽形状的陶瓷金属电路基板设定为实施例9～11。需要说明的是，实施例9及实施例10中凹部的上表面形状为长方形的槽。另外，实施例11设置了2个连续的槽(四边形状)。另外，凹部统一为表4中所示的凹部。
表4
相对于实施例及比较例的陶瓷金属电路基板，在设置有凹部的金属电路板上搭载2个半导体元件。接着，进行了引线接合。之后，通过传递模塑法进行了树脂模塑。由此，形成实施例及比较例的半导体装置。另外，对于实施例的半导体装置，求出设置有凹部的金属电路板中除了半导体元件安装部及端子安装部以外的半导体元件非搭载区域中的凹部的形成面积。将其结果示于表5中。
表5
接着，对于实施例及比较例的陶瓷金属电路基板，进行了树脂密合强度和TCT试验。树脂密合强度是通过剪切试验，测定设置有凹部的金属电路板上的模塑树脂的接合强度。另外，TCT试验(热循环试验)是将-40℃×30分钟→室温(25℃)×10分钟→175℃×30分钟→室温(25℃)×10分钟作为1个循环，测定300个循环后有无模塑树脂的剥离。模塑树脂的剥离是通过超声波探伤法(SAT)，评价树脂/表金属板间(设置有凹部的金属电路板)的剥离面积率。通过剥离面积率(％)＝(树脂剥离的面积/设置有凹部的金属电路板的面积)×100来求出。将其结果示于表6中。
另外，作为实施例12，准备了在实施例1的陶瓷金属电路基板的陶瓷基板上设置有凹部的陶瓷金属电路基板。另外，作为实施例13，准备了在实施例8的陶瓷金属电路基板的陶瓷基板上设置有非贯通型的凹部的陶瓷金属电路基板。关于设置于陶瓷基板上的凹部，凹部的直径d统一为1mm。另外，陶瓷基板的凹部成为除了接合有金属板的区域以外的部分的面积的30％。设置于陶瓷基板的外侧。
表6
如由表获知的那样，设置有凹部的陶瓷金属电路基板得到剪切强度、剥离面积率均良好的结果。因此，实施例的陶瓷金属电路基板适于进行树脂模塑的半导体装置。
另外，如比较例7那样，仅设置于金属电路板的端(距离端部为1mm)时，与模塑树脂的密合强度不充分。
另外，在陶瓷基板上设置有凹部的实施例12、实施例13分别性能提高。因此，可知在陶瓷基板上设置凹部也是有效的。
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提出的，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式可以以其它各种方式实施，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。这些实施方式或其变形例包含于发明的范围、主旨中，同时包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。另外，上述的各实施方式可以相互组合而实施。
符号的说明
1 陶瓷金属电路基板
2 陶瓷基板
3 设置有凹部的金属电路板
3-1 设置有凹部的第1金属电路板
3-2 设置有凹部的第2金属电路板
4 金属电路板(未设置凹部的金属电路板)
5 凹部
6 半导体元件
7 模塑树脂
8 金属板(背金属板)
9 安装基板
10 半导体元件安装部
11 端子安装部
12 设置于陶瓷基板上的凹部
20 实施了树脂模塑的半导体装置
d：凹部的最小直径
w：凹部的最小宽度
p：凹部彼此的最短距离
L1：金属电路板的长边的长度
L2：金属电路板的短边的长度

Claims (17)

1.一种陶瓷金属电路基板，其特征在于，其是在陶瓷基板的至少一个面上接合有多个金属电路板的陶瓷金属电路基板，其中，面积为100mm2以上的金属电路板中的至少1个在表面的1～70％的范围内具有深度为0.02mm以上的凹部，所述凹部形成于所述金属电路板的距离端部为3mm以上内侧。
2.根据权利要求1所述的陶瓷金属电路基板，其中，设置有所述凹部的面积为一个金属电路板表面的3～70％。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的陶瓷金属电路基板，其中，设置有所述凹部的面积为一个金属电路板表面中除了半导体元件安装部用区域及端子安装部用区域以外的30～95％的范围内。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的陶瓷金属电路基板，其中，所述凹部的深度为金属电路板的厚度的10～90％的范围。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的陶瓷金属电路基板，其中，从上方观察所述凹部时的平均最小直径d或平均最小槽宽度w为0.5～2mm的范围内，所述d的单位为mm。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的陶瓷金属电路基板，其中，所述凹部彼此的平均最短距离p为d/2以上或w/2以上，所述d/2和w/2的单位为mm。
7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的陶瓷金属电路基板，其中，所述凹部的截面形状为选自U字、V字、长方形、圆形中的1种。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的陶瓷金属电路基板，其中，所述金属电路板的厚度为0.3mm以上。
9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的陶瓷金属电路基板，其中，所述陶瓷基板的表面尺寸为12cm2以上。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的陶瓷金属电路基板，其具有在所述陶瓷基板的与设置有所述金属电路板的面相反侧设置有背金属板的结构。
11.根据权利要求10所述的陶瓷金属电路基板，其具有在所述背金属板上设置有凹部的结构。
12.根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的陶瓷金属电路基板，其中，所述陶瓷基板为氮化硅基板。
13.根据权利要求1至权利要求12中任一项所述的陶瓷金属电路基板，其中，在所述陶瓷基板的至少将设置有所述金属电路板的部分除外的表面的至少一部分上设置有凹部。
14.一种半导体装置，其在权利要求1至权利要求13中任一项所述的陶瓷金属电路基板的设置有凹部的金属电路板上安装有半导体元件。
15.根据权利要求14所述的半导体装置，其中，在设置有所述凹部的金属电路板上安装有多个半导体元件。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的半导体装置，其中，所述半导体元件的结温为170℃以上。
17.根据权利要求14至权利要求16中任一项所述的半导体装置，其实施了树脂模塑。
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