DE112021004524T5

DE112021004524T5 - Substrat für Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE112021004524T5
Application number: DE112021004524.5T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Ichioka
Original assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Electronics Devices Inc
Current assignee: NGK Insulators Ltd; NGK Electronics Devices Inc
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-07-06
Also published as: JPWO2022091808A1; CN116368610A; JP7544846B2; WO2022091808A1

Abstract

Ein Halbleiterbauelement-Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: ein Keramiksubstrat mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche; ein Schaltungsmuster aus Metall, das mit der ersten Fläche des Keramiksubstrats gebondet ist; und eine Wärmeableitungsplatte aus Metall, die mit der zweiten Fläche des Keramiksubstrats gebondet ist. Das Schaltungsmuster ist aus einer Vielzahl von Teilen gebildet und wenn eine Anzahl an Hohlräumen mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger pro 1 cm2, die an einer Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und dem Schaltungsmuster vorhanden sind, als F und eine Anzahl an Hohlräumen mit einem Durchmesser von 1mm oder weniger pro 1 cm2, die an der Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und der Wärmeableitungsplatte vorhanden sind, als B definiert ist, ist F/B>1 erfüllt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement-Substrat.
Technischer Hintergrund
Als Halbleiterbauelement-Substrat zur Verwendung in einem Leistungstransistormodul oder dergleichen sind DBOC-Substrate (Direct Bonding Of Copper) bekannt, bei denen ein Schaltungsmuster aus Metall und eine Wärmeableitungsplatte mit beiden Seiten eines Keramiksubstrats gebondet sind (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1 bis 4). Die angeführte Patentliteratur offenbart eine Reduzierung der zwischen dem Keramiksubstrat und dem Schaltungsmuster und Kühlkörper entstehenden Hohlräume, um eine hohe Bondfestigkeit zwischen dem Keramiksubstrat und dem Schaltungsmuster und Kühlkörper zu gewährleisten.
Liste der Anführungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP H9-283671A
Patentliteratur 2: JP H10-154774A
Patentliteratur 3: JP 2001-48671A
Patentliteratur 4: JP 2013-207236A

Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Da die Schaltungsmuster auf den oben beschriebenen Halbleiterbauelement-Substraten aus einer Vielzahl von Teilen zusammengesetzt sind, weisen die Schaltungsmuster mehr Ecken, an denen sich thermische Spannung tendenziell konzentriert, als die Wärmeableitungsplatten auf. Folglich besteht das Problem, dass die Oberfläche eines Keramiksubstrats, auf dem das Schaltungsmuster gebondet ist, aufgrund von thermischer Spannung anfällig für ein Ablösen des Schaltungsmusters ist.
Die vorliegende Erfindung erfolgte, um das oben genannte Problem zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Halbleiterbauelement-Substrats, das ein Ablösen eines Schaltungsmusters unterbinden kann.
Lösung des Problems
Punkt 1. Ein Halbleiterbauelement-Substrat weist auf: ein Keramiksubstrat mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche;
ein Schaltungsmuster aus Metall, das mit der ersten Fläche des Keramiksubstrats gebondet ist; und
eine Wärmeableitungsplatte aus Metall, die mit der zweiten Fläche des Keramiksubstrats gebondet ist,
wobei das Schaltungsmuster aus einer Vielzahl von Teilen gebildet ist, und
wenn eine Anzahl an Hohlräumen mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger pro 1 cm², die an einer Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und dem Schaltungsmuster vorhanden sind, als F und eine Anzahl an Hohlräumen mit einem Durchmesser von 1mm oder weniger pro 1 cm², die an der Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und der Wärmeableitungsplatte vorhanden sind, als B definiert ist, F/B>1 erfüllt ist.
Punkt 2. Das Halbleiterbauelement-Substrat nach Punkt 1, wobei 10≤F/B≤30 erfüllt ist.
Punkt 3. Das Halbleiterbauelement-Substrat nach Punkt 1 oder 2, wobei 0,2≤F≤2,5.
Punkt 4. Das Halbleiterbauelement-Substrat nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei B≤0,1/cm².
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Ablösen eines Schaltungsmusters zu unterbinden.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung einer Ausführungsform eines Halbleiterbauelements, das ein Halbleiterbauelement-Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 zeigt ein Verfahren zur Definition eines Durchmessers eines Hohlraums;
3A ist eine Draufsicht einer Schaltungsmusterseite von Halbleiterbauelement-Substraten gemäß Beispielen 1 bis 5;
3B ist eine Draufsicht einer Wärmeableitungsplattenseite der Halbleiterbauelement-Substrate gemäß Beispielen 1 bis 5;
4 ist ein Bild, das durch eine Ultraschall-Abbildungsvorrichtung aufgenommen wurde;
5 zeigt Ergebnisse der Bewertung der Zuverlässigkeit von Beispiel 1; und
6 zeigt Ergebnisse der Bewertung der Zuverlässigkeit von Beispiel 3.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelement-Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements, das ein Halbleiterbauelement-Substrat gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufweist.
1. Überblick über das Halbleiterbauelement
Das Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird als Leistungsmodul in verschiedenen elektronischen Einrichtungen verwendet, einschließlich beispielsweise eines Automobils, einer Klimaanlage, eines Industrieroboters, eines gewerblichen Aufzugs, eines Mikrowellenherds für den Haushalt, eines Reiskochers mit Induktionserwärmung, eines Stromgenerators (wie etwa eines Windstromgenerators, eines Solarstromgenerators oder einer Brennstoffzelle), eines Elektrozugs und einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV).
Wie in 1 dargestellt ist ein Halbleiterbauelement 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem Halbleiterbauelement-Substrat 2, einem ersten Bondmaterial 5, einem zweiten Bondmaterial 5', einem Halbleiterchip 6, Bonddrähten 7 und einem Kühlkörper 8 ausgestattet.
Das Halbleiterbauelement-Substrat 2 ist ein sogenanntes „DBOC“-Substrat (Direct Bonding of Copper), das mit einem plattenartigen Keramiksubstrat 3, das ein Isolator ist, einem Schaltungsmuster 4, das mit einer oberen Fläche (oder „ersten Fläche“) des Keramiksubstrats 3 gebondet ist, und einer Wärmeableitungsplatte 4' versehen ist, die mit einer unteren Fläche (oder „zweiten Fläche“) gebondet ist.
Das Keramiksubstrat 3 kann aus einer Keramik gebildet sein, beispielsweise Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumoxidkeramik, der Zirconiumoxid zugesetzt wurde. Es bestehen keine konkreten Beschränkungen für die Dicke des Keramiksubstrats 3, beispielsweise beträgt die Dicke jedoch vorzugsweise 0,20 bis 1,00 mm und ferner bevorzugt 0,25 bis 0,64 mm.
In dem Schaltungsmuster 4 ist zum Beispiel eine Übertragungsschaltung ausgebildet. Das heißt, das Schaltungsmuster 4 ist aus einer Vielzahl von Teilen zusammengesetzt, die elektrisch voneinander isoliert sind. Das Material, welches das Schaltungsmuster 4 bildet, kann beispielsweise ein Metall wie etwa Kupfer oder Aluminium sein. Es bestehen keine konkreten Beschränkungen für die Dicke des Schaltungsmusters 4, beispielsweise beträgt die Dicke jedoch vorzugsweise 0,10 bis 0,60 mm und ferner bevorzugt 0,20 bis 0,50 mm. Andererseits ist die Wärmeableitungsplatte 4' als flache Platte ausgebildet und ist mit nahezu der gesamten unteren Fläche des Keramiksubstrats 1 gebondet. Die Wärmeableitungsplatte 4' kann aus demselben Material und mit derselben Dicke wie das Schaltungsmuster 4 gebildet sein.
Der Halbleiterchip 6 ist vermittels des ersten Bondmaterials 5 mit der oberen Fläche des auf diese Weise gebildeten Halbleiterbauelement-Substrats 2, das heißt mit einem Teil der oberen Fläche des Schaltungsmusters 4 gebondet. Der Halbleiterchip 6 und das Schaltungsmuster 4 sind zudem durch die Bonddrähte 7 verbunden.
Andererseits ist der Kühlkörper 8 vermittels eines zweiten Bondmaterials 5' mit der unteren Fläche des Halbleiterbauelement-Substrats 2, das heißt mit der unteren Fläche der Wärmeableitungsplatte 4' gebondet. Der Kühlkörper 8 ist eine bekannte Konfiguration und kann beispielsweise aus einem Metall wie etwa Kupfer hergestellt sein.
Als nächstes wird ein Beispiel-Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Halbleiterbauelement-Substrats 2 beschrieben. Im Folgenden wird ein Beispiel beschrieben, in dem Kupfer als das Metallmaterial zum Aufbau des Schaltungsmusters 4 und der Wärmeableitungsplatte 4' verwendet wird. Zunächst wird eine mehrschichtige Struktur gebildet, in der Kupferplatten als Metallplatten auf der oberen Fläche und der unteren Fläche des Keramiksubstrats 3 angeordnet sind. Die Oberflächen der hierbei verwendeten Kupferplatten sind oxidiert. Als nächstes wird diese mehrschichtige Struktur ungefähr 10 Minuten lang unter Bedingungen einer Stickstoffatmosphäre bei 1065 °C bis 1083 °C erhitzt. Dadurch wird an den Grenzflächen, an denen das Keramiksubstrat 3 und die jeweiligen Kupferplatten gebondet sind (im Folgenden zusammenfassend als die „Bond-Grenzflächen“ bezeichnet), eine eutektische Cu-O-Flüssigphase erzeugt, welche die jeweiligen Flächen des Keramiksubstrats 3 benetzt. Danach wird die eutektische Cu-O-Flüssigphase durch Abkühlen der mehrschichtigen Struktur verfestigt und die Kupferplatten werden mit beiden Flächen des Keramiksubstrats 3 gebondet.
Als nächstes wird das Schaltungsmuster 4 auf der Kupferplatte auf der oberen Fläche des Keramiksubstrats 2 zum Beispiel durch Ätzen gebildet. Andererseits wird die Kupferplatte auf der unteren Fläche die Wärmeableitungsplatte 4'. Auf diese Weise wird das Halbleiterbauelement-Substrat 2 gebildet.
2. Hohlräume an den Keramiksubstratflächen
Wie oben beschrieben entstehen, obwohl Metallplatten wie etwa Kupferplatten mit beiden Seiten des Keramiksubstrats 2 gebondet werden, dabei Hohlräume (Luftblasen) an den Grenzflächen zwischen dem Keramiksubstrat 2 und den jeweiligen Metallplatten. Im Allgemeinen sinkt die Bondfestigkeit bei einer Zunahme der Anzahl an Hohlräumen, was nicht bevorzugt ist. Der vorliegende Erfinder hat jedoch herausgefunden, dass es bevorzugt ist, dass an der Grenzfläche zwischen dem Schaltungsmuster 4 und dem Keramiksubstrat 2 ein gewisses Maß an Hohlräumen entsteht.
Obwohl die Wärmeableitungsplatte 4' durch eine flache Platte gebildet ist, weist das Schaltungsmuster 4 mehr Ecken als die Wärmeableitungsplatte 4' auf, da das Schaltungsmuster 4 aus einer Vielzahl von Teilen zusammengesetzt ist (siehe zum Beispiel die nachstehend beschriebenen 3A und 3B). Thermische Spannung, die durch Unterschiede des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Kupferplatten 4 und 4' und dem Keramiksubstrat 2 entsteht, konzentriert sich tendenziell an Ecken. Aus diesem Grund besteht das Problem, dass das Schaltungsmuster 4 aufgrund von thermischer Spannung, die in der Nähe der Bond-Grenzfläche zwischen dem Schaltungsmuster 4 und dem Keramiksubstrat 2 erzeugt wird, anfällig für ein Ablösen ist. Andererseits hat der vorliegende Erfinder herausgefunden, dass es möglich ist, ein Ablösen des Schaltungsmusters 4 zu unterbinden, wenn eine Anzahl an Hohlräumen F mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger pro 1 cm² an der Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 2 und dem Schaltungsmuster 4 und eine Anzahl an Hohlräumen B mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger pro 1 cm² an der Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 2 und der Wärmeableitungsplatte einen nachstehenden Ausdruck (1) erfüllen. Es sei angemerkt, dass F und B berechnet werden, indem Anzahlen an Hohlräumen, die auf jeder Fläche gemessen wird, durch den Flächeninhalt des Schaltungsmusters 4 bzw. den Flächeninhalt des Kühlkörpers 4' dividiert wird. $F/B > 1$
Das heißt, es war ersichtlich, dass dadurch, dass die Anzahl an Hohlräumen F auf der Seite des Schaltungsmusters 4 größer gestaltet wird als die Anzahl an Hohlräumen B auf der Seite der Wärmeableitungsplatte 4', thermische Spannung, die in der Nähe der Bond-Grenzfläche zwischen dem Schaltungsmuster 4 und der ersten Fläche des Keramiksubstrats 2 entsteht, abgebaut werden kann, was es ermöglicht, ein Ablösen des Schaltungsmusters 4 zu unterbinden. Es wird vermutet, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass eine Bondschicht, die gebildet wird, indem sich die eutektische Cu-O-Flüssigphase an der Bond-Grenzfläche zwischen dem Schaltungsmuster 4 und dem Keramiksubstrat 2 verfestigt, aufgrund des Vorhandenseins von Hohlräumen leicht verformbar ist, was eine Wirkung des Abbauens der thermischen Spannung nach sich zieht. Andererseits ist es, wenn die Anzahl an Hohlräumen B auf der Seite der Wärmeableitungsplatte 4' gering ist, möglich, eine Reduzierung der Bondfestigkeit und eine Abnahme der Wärmeableitungsleistung zu unterbinden. Es ist bevorzugt, dass F/B größer ist, sodass 3 oder mehr bevorzugt ist, 5 oder mehr ferner bevorzugt ist, 8 oder mehr noch ferner bevorzugt ist und 10 oder mehr besonders bevorzugt ist. Andererseits ist, wenn F/B zu groß ist, die Anzahl an Hohlräumen F auf der Seite des Schaltungsmusters 4 zu groß. Daher ist es beispielsweise bevorzugt, dass F/B 30 oder kleiner und besonders bevorzugt 20 oder kleiner ist. Genauer gesagt ist es im Hinblick auf die Bondfestigkeit und die Wärmeableitung bevorzugt, dass F/B 30 oder kleiner und ferner bevorzugt 20 oder kleiner ist.
Genauer gesagt beträgt die Anzahl an Hohlräumen F vorzugsweise 0,2/cm² oder mehr, ferner bevorzugt 0,5/cm² oder mehr und besonders bevorzugt 1,0/cm² oder mehr. Andererseits beträgt die Anzahl an Hohlräumen F vorzugsweise 2,5/cm² oder weniger, ferner bevorzugt 2,0/cm² oder weniger und noch ferner bevorzugt 1,5/cm² oder weniger. Genauer gesagt beträgt im Hinblick auf die Bondfestigkeit und die Wärmeableitung die Anzahl an Hohlräumen F vorzugsweise 2,0/cm² oder weniger und ferner bevorzugt 1,5/cm² oder weniger. Andererseits wird, wenn die Anzahl an Hohlräumen F 2,5/cm² übersteigt, das Schaltungsmuster 4 anfällig für ein Ablösen, was nicht bevorzugt ist. Im Hinblick auf die Bondfestigkeit und die Wärmeableitung ist die Anzahl an Hohlräumen B vorzugsweise so gering wie möglich und beträgt vorzugsweise 0,1/cm² oder weniger, ferner bevorzugt 0,07/cm² oder weniger und besonders bevorzugt 0,05/cm² oder weniger.
Das Verfahren zur Messung der Anzahl an Hohlräumen kann zum Beispiel wie folgt erfolgen. Zunächst wird ein Bild der Bond-Grenzfläche zwischen der Kupferplatte und dem Keramiksubstrat mit einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung aufgenommen. Ein Beispiel einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung ist ein Scanning Acoustic Tomograph (SAT) (Ultraschalltomograph) FS100III, hergestellt durch Hitachi Power Solutions Co., Ltd. Dabei erfolgt ein Binarisierungsprozess des aufgenommenen Bilds, sodass Teile, in denen an der Bond-Grenzfläche zwischen der Kupferplatte und dem Keramiksubstrat Hohlräume entstehen, weiß werden. Die Anzahlen an Hohlräumen mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger auf der Schaltungsmusterseite und der Wärmeableitungsplattenseite wird dann gemessen und die Anzahlen an Hohlräumen pro Flächeneinheit werden als F und B festgelegt.
Die Durchmesser der Hohlräume werden wie folgt definiert. Zunächst wird die Bond-Grenzfläche zwischen der Kupferplatte und dem Keramiksubstrat mit einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung fotografiert. Ein Beispiel einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung ist ein Scanning Acoustic Tomograph (SAT) (Ultraschalltomograph) FS100III, hergestellt durch Hitachi Power Solutions Co., Ltd. Dabei erfolgt ein Binarisierungsprozess des aufgenommenen Bilds, sodass Teile, in denen an der Bond-Grenzfläche zwischen einer Kupferplatte und dem Keramiksubstrat Hohlräume entstehen, weiß werden. Die Formen der Hohlräume umfassen Kreise, Ellipsen und unregelmäßige Formen. Aus diesem Grund wird wie in 2 dargestellt ein kleinstes Rechteck 20 festgelegt, das einen Hohlraum 10 aufnehmen kann, und die Abmessung der langen Seite dieses Rechtecks wird als der Durchmesser festgelegt. Wenn ein Hohlraum 10 beispielsweise eine elliptische Form aufweist, stimmt die Abmessung der langen Seite mit der Abmessung der langen Achse der Ellipse überein.
Der Binarisierungsprozess, der weiße und schwarze Teile basierend auf dem aufgenommenen Bild identifiziert, erfolgte, indem ein Histogramm erzeugt wurde, in dem die Horizontalachse die Graustufe (Dichtewert) in 256 Stufen von 0 bis 255 ist und die Vertikalachse die Anzahl an Pixeln für jede Stufe ist, ein Graustufen-Schwellenwert auf 135 festgelegt wurde, Pixel mit einer Graustufe von unter 135 als schwarz eingestuft wurden und Pixel mit einer Graustufe von 135 oder mehr als weiß eingestuft wurden. Wenn eine große Anzahl an Hohlräumen an den Bond-Grenzflächen zwischen dem Keramiksubstrat 2 und dem Schaltungsmuster 4 und der Wärmeableitungsplatte 4' entstanden ist, beträgt die Anzahl an Pixeln mit einer Graustufe im Bereich von 0 bis 135 nahezu null und es wurde eine Spitze der Anzahl an Pixeln in dem Bereich beobachtet, in dem die Graustufe 135 bis 255 beträgt. Dementsprechend wurde nahezu das gesamte erfasste Bild weiß. Andererseits betrug, wenn kaum Hohlräume an den Bond-Grenzflächen zwischen dem Keramiksubstrat 2 und dem Schaltungsmuster 4 und der Wärmeableitungsplatte 4' entstanden sind, die Anzahl an Pixeln mit einer Graustufe in einem Bereich von 135 bis 255 nahezu null und es wurde eine Spitze der Anzahl an Pixeln in einem Bereich beobachtet, in dem die Graustufe 0 bis 135 beträgt. Dementsprechend wurde nahezu das gesamte aufgenommene Bild schwarz.
Es sei angemerkt, dass, um sicherzustellen, dass die Hohlraumanzahlen B und F den oben genannten Ausdruck (1) erfüllen, die folgenden Parameter in dem Bondschritt der Metallplatten (Kupferplatten) angepasst werden können.

• Oxidationsmenge der Oberfläche der Metallplatte (mg/cm²)
• Bondtemperatur (°C)
• Sauerstoffkonzentration (ppm) in der Stickstoffatmosphäre innerhalb des Ofens
• Material der Setzeinrichtung zur Montage des Keramiksubstrats, auf dem die Metallplatten montiert wurden (beispielsweise können Aluminiumoxid und SiC verwendet werden).

Beispiele
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachstehend aufgeführten Beispiele beschränkt ist.
1. Anfertigung der Beispiele
Die Halbleiterbauelement-Substrate gemäß Beispielen 1 bis 5 wurden unter Verwendung der folgenden Schaltungsmuster, Keramiksubstrate und Wärmeableitungsplatten wie folgt angefertigt. Das Gesamtverfahren zur Anfertigung eines Halbleiterbauelement-Substrats ist wie oben beschrieben.
Zunächst wurde ein großflächiges Halbleiterbauelement-Substrat angefertigt. Das heißt, große Kupferplatten von im Wesentlichen derselben Größe wurden mit beiden Flächen eines großen Keramiksubstrats gebondet. Eine Kupferplatte dient zur Verwendung als das Schaltungsmuster und die andere Kupferplatte dient zur Verwendung als die Wärmeableitungsplatte. Die konkreten Abmessungen waren wie folgt.

- Großes Keramiksubstrat: ein annähernd 127 mm x 178 mm großes Rechteck mit einer Dicke von 0,32 mm.

- Große Kupferplatten: annähernd 125 mm x 176 mm große Rechtecke mit einer Dicke von 0,30 mm.

Die Bondbedingungen für die Kupferplatten in den Halbleiterbauelement-Substraten gemäß Beispielen 1 bis 5 waren wie in Tabelle 1 nachstehend angegeben. Tabelle 1

		Bondbedingungen
		Oxidation der Kupferplatte (mg/cm²)	Bondtemperatur (°C)	Sauerstoffkonzentration in Stickstoffatmosphäre innerhalb des Ofens (ppm)	Setzeinrichtung
Beispiel 1	Schaltungsmusterseite	0,13 bis 0,18	1070	40 bis 80	Aluminiumoxid
Beispiel 1	Wärmeableitungsplattenseite	0,10 bis 0,15	1070	40 bis 80	Aluminiumoxid
Beispiel 2	Schaltungsmusterseite	0,13 bis 0,18	1075	20 bis 60	SiC
Beispiel 2	Wärmeableitungsplattenseite	0,15 bis 0,20	1080	40 bis 80	Aluminiumoxid
Beispiel 3	Schaltungsmusterseite	0,15 bis 0,20	1080	10 bis 50	SiC
Beispiel 3	Wärmeableitungsplattenseite	0,13 bis 0,18	1070	10 bis 50	SiC
Beispiel 4	Schaltungsmusterseite	0,18 bis 0,23	1080	20 bis 60	SiC
Beispiel 4	Wärmeableitungsplattenseite	0,15 bis 0,20	1070	40 bis 80	SiC
Beispiel 5	Schaltungsmusterseite	0,20 bis 0,25	1080	20 bis 60	SiC
Beispiel 5	Wärmeableitungsplattenseite	0,15 bis 0,20	1075	60 bis 100	Aluminiumoxid

Als nächstes wurde die große Kupferplatte auf der Seite, die dem Schaltungsmuster entspricht, geätzt, um zwanzig Schaltungsmuster in einer Anordnung von fünf vertikalen mal vier horizontalen Mustern zu bilden. Danach wurden die Halbleiterbauelement-Substrate der nachstehend angegebenen individuellen Größe durch Vereinzelung produziert.

- Schaltungsmuster: die in 3A dargestellte Form mit einer Dicke von 0,3mm.

- Keramiksubstrat: ein 25 mm x 44 mm großes Rechteck mit einer Dicke von 0,32 mm.
- Wärmeableitungsplatte: ein annähernd 24 mm x 43 mm großes Rechteck mit einer Dicke von 0,3 mm mit der in 3B dargestellten Form.

Das Keramiksubstrat enthält 80 Massen-% Aluminiumoxid und zu 20 Massen-% Zirconiumdioxid. Als Ergebnis der Messung wurde festgestellt, dass die Halbleiterbauelement-Substrate mit individueller Größe der Beispiele 1 bis 5 die nachstehend angegebenen Anzahlen an Hohlräumen F und B aufwiesen. Die Anzahlen an Hohlräumen F und B für die Beispiele 1 bis 5 in Tabelle 2 sind Durchschnittswerte für die Ergebnisse der Messung von 240 Halbleitersubstraten mit individueller Größe für jedes Beispiel. Tabelle 2

	Anzahl an Hohlräumen F (pro cm²)	Anzahl an Hohlräumen B (pro cm²)	F/B
Beispiel 1	0,203	0,021	9,563
Beispiel 2	0, 937	0,081	11,621
Beispiel 3	1,269	0,067	18, 936
Beispiel 4	1,635	0,078	20,903
Beispiel 5	2,228	0,084	26,541

Der zuvor erwähnte Scanning Acoustic Tomograph (SAT) FS100III, hergestellt durch Hitachi Power Solutions Co., Ltd., wurde verwendet, um die Anzahlen an Hohlräumen F und B zu messen.
Für die Beispiele 1 bis 5 erfolgte beispielsweise wie in 4 dargestellt eine Messung für Hohlräume 11 mit einem Durchmesser von weniger als 0,2 mm, Hohlräume 12 mit einem Durchmesser von 0,2 mm oder mehr und 1 mm oder weniger und Hohlräume 13 mit einem Durchmesser von über 1 mm. Da es äußerst schwierig ist, mit einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung eine klare Abbildung und Binarisierung durchzuführen, wurden die Hohlräume 11 mit einem Durchmesser von weniger als 0,2 mm nicht in die Hohlraumanzahlen F und B einbezogen. Dementsprechend bezieht sich der Ausdruck „Hohlräume mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger“ in der vorliegenden Auslegeschrift auf die Hohlräume 12 mit einem Durchmesser von 0,2 mm oder mehr und 1 mm oder weniger. Die Anzahl an Hohlräumen 13 mit einem Durchmesser von über 1 mm lag bei mehreren Prozent der Anzahl an Hohlräumen 12 mit einem Durchmesser von 0,2 mm oder mehr und 1 mm oder weniger. Da ihr Einfluss auf die Wirkung der vorliegenden Erfindung als geringfügig eingeschätzt wird, wurden die Hohlräume 13 mit einem Durchmesser von über 1 mm nicht in die Anzahlen an Hohlräumen F und B einbezogen.
2. Zuverlässigkeitsbewertungstests Zuverlässigkeitsbewertungstests erfolgten an fünfzig Proben jedes der Halbleiterbauelement-Substrate gemäß Beispielen 1 bis 5, die wie oben beschrieben angefertigt wurden. Bei den Zuverlässigkeitsbewertungstests wurden die Halbleiterbauelement-Substrate der Beispiele 1 bis 5 in einer Kammer mit konstanter Temperatur platziert, wurden 15 Minuten lang in einer Umgebung von -40 °C in Luft platziert und dann auf 150 °C erhitzt. Die Proben wurden 15 Minuten lang in dieser Umgebung belassen. Die Temperatur wurde dann wieder auf -40 °C gesenkt. Dies wurde für 1500 Zyklen wiederholt. Nach 0, 150, 300, 600, 900, 1200 und 1500 Zyklen wurde jede Probe aus der Kammer mit konstanter Temperatur entnommen und die Anzahl an Halbleiterbauelement-Substraten, bei denen ein Ablösen des Schaltungsmusters auftrat, wurde unter Verwendung eines Scanning Acoustic Tomograph (SAT) FS200III, hergestellt durch Hitachi Power Solutions Co., Ltd., gemessen. Bei diesem Test wurde das Substrat als Fall von Ablösen gezählt, wenn die abgelöste Fläche des Schaltungsmusters 1 mm² oder größer war. In vielen Fällen begann ein Ablösen von den Rändern der Kupferplatte und insbesondere von den Ecken. Das heißt, in 3A begann ein Ablösen von den Rändern des aus einer Kupferplatte zusammengesetzten Schaltungsmusters 4. In vielen Fällen war insbesondere die Ecke 9 der Ausgangspunkt.
Die Ergebnisse sind in 5 und 6 angegeben. Wie in 5 dargestellt trat für Beispiel 1 in den ersten 150 Zyklen kein Ablösen des Schaltungsmusters auf und ein Ablösen wurde bei 300 Zyklen bestätigt. Genauer gesagt wurde ein Ablösen bei 300 Zyklen für zwei Proben bestätigt. Die Zuverlässigkeitsbewertung wurde dann für die übrigen 48 Proben fortgesetzt. Von diesem Zeitpunkt an wurde die Zuverlässigkeitsbewertung immer dann fortgesetzt, wenn ein Ablösen für Proben bestätigt wurde, wobei solche Proben ausgeschlossen wurden. Dies war auch für Beispiel 3 der Fall. Wie in 6 angegeben trat jedoch für Beispiel 3 in den ersten 900 Zyklen kein Ablösen des Schaltungsmusters auf und ein Ablösen wurde bei 1200 Zyklen bestätigt. Genauer gesagt wurde ein Ablösen bei 1200 Zyklen für sieben Proben bestätigt. Die Zuverlässigkeitsbewertung wurde dann für die übrigen 43 Proben fortgesetzt. Dementsprechend war ersichtlich, dass F/B>1 wirksam ist, da bei keinem der Beispiele 1 und 3 in den ersten 150 Zyklen ein Ablösen des Schaltungsmusters vorlag. Außerdem umfassten die 50 Proben für die beiden Beispiele 1 und 3 Proben, bei denen selbst nach 1500 Zyklen kein Ablösen des Schaltungsmusters vorlag. Genauer gesagt betrug die Anzahl an Proben, bei denen selbst nach 1500 Zyklen kein Ablösen des Schaltungsmusters vorlag, 7 für Beispiel 1 und 38 für Beispiel 3.
Aus den Ergebnissen in 5 und 6 war ersichtlich, dass mit zunehmendem F/B ein Ablösen des Schaltungsmusters abnahm. Es sei angemerkt, dass sich für Beispiel 2, in dem F/B einen Wert zwischen den Beispielen 1 und 3 beträgt, das Schaltungsmuster in den ersten 300 Zyklen nicht ablöste und ein Ablösen bei 600 Zyklen bestätigt wurde, wodurch dieselbe Tendenz wie in den Beispielen 1 und 3 bestätigt wurde. Außerdem wurde für die Beispiele 4 und 5, in denen F/B einen größeren Wert als in Beispiel 3 beträgt, wie in Beispiel 3 kein Ablösen des Schaltungsmusters in den ersten 900 Zyklen bestätigt und ein Ablösen wurde bei 1200 Zyklen bestätigt. Dementsprechend war, da für keines der Beispiele 1 bis 5 in den ersten 150 Zyklen ein Ablösen des Schaltungsmusters auftrat, ersichtlich, dass F/B>1 beim Verhindern eines Ablösens des Schaltungsmusters wirksam ist. Zudem war ersichtlich, dass bei 10≤F/B≤30 wie in den Beispielen 2 bis 5 ein Ablösen des Schaltungsmusters wirksamer verhindert wird.
Es sei angemerkt, dass die in 3A und 3B dargestellten Formen des Schaltungsmusters und der Wärmeableitungsplatte lediglich Beispiele sind, auf welche die vorliegende Erfindung nicht beschränkt ist. Das Schaltungsmuster kann aus einer größeren Anzahl an Teilen zusammengesetzt sein. Alternativ kann das Schaltungsmuster aus einer geringeren Anzahl an Teilen zusammengesetzt sein. Die Wärmeableitungsplatte ist nicht auf eine einzelne Platte beschränkt und kann aus einer Vielzahl von Teilen zusammengesetzt sein.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterbauelement
2: Halbleiterbauelement-Substrat
3: Keramiksubstrat
4: Schaltungsmuster
4': Wärmeableitungsplatte
5: Erstes Bondmaterial
5': Zweites Bondmaterial
6: Halbleiterchip
7: Bonddraht
8: Kühlkörper
9: Ecke
10: Hohlraum
11: Hohlraum, dessen Durchmesser weniger als 0,2 mm beträgt
12: Hohlraum, dessen Durchmesser 0,2 mm oder mehr und 1 mm oder weniger beträgt
13: Hohlraum, dessen Durchmesser über 1 mm liegt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H9283671 A [0002]
JP H10154774 A [0002]
JP 2001048671 A [0002]
JP 2013207236 A [0002]

Claims

Halbleiterbauelement-Substrat, aufweisend: ein Keramiksubstrat mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche; ein Schaltungsmuster aus Metall, das mit der ersten Fläche des Keramiksubstrats gebondet ist; und eine Wärmeableitungsplatte aus Metall, die mit der zweiten Fläche des Keramiksubstrats gebondet ist, wobei das Schaltungsmuster aus einer Vielzahl von Teilen gebildet ist, und wenn eine Anzahl an Hohlräumen mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger pro 1 cm², die an einer Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und dem Schaltungsmuster vorhanden sind, als F und eine Anzahl an Hohlräumen mit einem Durchmesser von 1mm oder weniger pro 1 cm², die an der Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und der Wärmeableitungsplatte vorhanden sind, als B definiert ist, F/B>1 erfüllt ist.
Halbleiterbauelement-Substrat nach Anspruch 1, wobei 10≤F/B≤30 erfüllt ist.
Halbleiterbauelement-Substrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei 0,2≤F≤2,5.
Halbleiterbauelement-Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei B≤0,1.