DE112021006825T5 - Keramischer Sinterkörper und Substrat für eine Halbleitervorrichtung - Google Patents

Keramischer Sinterkörper und Substrat für eine Halbleitervorrichtung Download PDF

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Abstract

Ein keramischer Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Aluminiumoxid und eine Glaskomponente, die Siliziumdioxid und Mangan enthält, wobei der keramische Sinterkörper eine Bondingschicht mit einem Mn-Konzentrationspeak auf mindestens einer Oberflächenseite des keramischen Sinterkörpers enthält und ein Verhältnis eines Mn-Peakwertes zu einem Si-Peakwert in einer Tiefenrichtung der Bondingschicht 1,0 bis 7,0 beträgt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Sinterkörper und ein Substrat für eine Halbleitervorrichtung.
  • Technischer Hintergrund
  • Als Substrat für eine Halbleitervorrichtung, die in einem Leistungstransistormodul oder dergleichen verwendet wird, ist ein DBOC-Substrat (Direct Bonding of Copper Substrate) bekannt, das eine Kupferplatte auf einer Oberfläche eines keramischen Sinterkörpers enthält (siehe z.B. Patentliteratur 1).
  • Zitatenliste
  • Patentliteratur
  • Patentliteratur 1: Japanisches Patent Nr. 4717960
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • In einem Substrat für eine Halbleitervorrichtung, wie vorstehend beschrieben, ist eine Kupferplatte mit einer Oberfläche eines keramischen Sinterkörpers verbunden. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben festgestellt, dass bei zunehmender Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit des keramischen Sinterkörpers die Haftfestigkeit bzw. Bondingfestigkeit zwischen dem keramischen Sinterkörper und der Kupferplatte bei Anlegen einer Gleichspannung abnimmt und die Kupferplatte vom keramischen Sinterkörper getrennt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung erfolgte, um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen keramischen Sinterkörper und ein Substrat für eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, in der, wenn eine Kupferplatte gebondet ist, die Trennung der Kupferplatte unterdrückt werden kann, wenn Gleichspannung angelegt wird.
  • Lösung des Problems
  • Ein keramischer Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Aluminiumoxid und eine Glaskomponente, die Siliziumdioxid und Mangan enthält, wobei der keramische Sinterkörper eine Bondingschicht mit einem Mn-Konzentrationspeak auf mindestens einer Oberflächenseite des keramischen Sinterkörpers aufweist und das Verhältnis eines Mn-Peakwerts zu einem Si-Peakwert in einer Tiefenrichtung der Bondingschicht 1,0 bis 7,0 beträgt.
  • In dem keramischen Sinterkörper enthält die Glaskomponente weiterhin Magnesiumoxid, und das Verhältnis des Mn-Peakwerts zu einem Mg-Peakwert in der Tiefenrichtung der Bondingschicht kann 2,0 bis 3,0 betragen.
  • In dem vorstehend beschriebenen keramischen Sinterkörper kann der Magnesiumoxidgehalt 0,1 Masse-% oder mehr und 0,8 Masse-% oder weniger betragen.
  • Ein Substrat für eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Substrat für eine Halbleitervorrichtung, auf der eine elektronische Komponente angebracht werden kann, enthaltend: einen der vorstehend beschriebenen keramischen Sinterkörper; und eine Kupferplatte, die mit dem keramischen Sinterkörper verbunden ist.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wenn eine Kupferplatte mit einem keramischen Sinterkörper verbunden ist, die Trennung der Kupferplatte beim Anlegen einer Gleichspannung unterdrückt werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung zeigt, die ein Substrat für eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
    • 2 ist ein Diagramm, das eine Konzentrationsverteilungsmessung für Mn und dergleichen in einer Tiefenrichtung in den Beispielen 1 und 4 zeigt;
    • 3 ist ein Diagramm, das eine Konzentrationsverteilungsmessung für Mn und dergleichen in Tiefenrichtung in den Beispielen 1 und 4 zeigt;
    • 4 ist ein Diagramm, das eine Konzentrationsverteilungsmessung für Mn und dergleichen in der Tiefenrichtung in Beispiel 1 zeigt; und
    • 5 ist ein Diagramm, das eine Konzentrationsverteilungsmessung für Mn und dergleichen in der Tiefenrichtung in Beispiel 4 zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden eine Ausführungsform eines keramischen Sinterkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Ausführungsform eines Substrats für eine Halbleitervorrichtung, die den keramischen Sinterkörper enthält, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung, die ein Substrat für eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält.
  • 1. Überblick über die Halbleitervorrichtung
  • Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird als Leistungsmodul in verschiedenen elektronischen Geräten verwendet, z.B. in einem Kraftfahrzeug, einer Klimaanlage, einem Industrieroboter, einem kommerziellen Aufzug, einem Mikrowellenherd für den Hausgebrauch, einem elektrischen Reiskocher IH, einer Stromerzeugungsanlage (Windkraftanlage, Photovoltaikanlage, Brennstoffzelle und dergleichen), einer elektrischen Eisenbahn, einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und dergleichen.
  • Wie in 1 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Substrat 2 für eine Halbleitervorrichtung, ein erstes Bondingmaterial 5, ein zweites Bondingmaterial 5', einen Halbleiterchip 6, Bondingdrähte 7 und einen Kühlkörper 8.
  • Das Substrat 2 für eine Halbleitervorrichtung ist ein sogenanntes DBOC-Substrat (Direct Bonding of Copper Substrate) und enthält einen plattenförmigen keramischen Sinterkörper 3, der als Isolator dient, eine erste Kupferplatte 4, die mit einer Oberfläche (Oberseite) des keramischen Sinterkörpers 3 verbunden ist, und eine zweite Kupferplatte 4', die mit der anderen Oberfläche (unteren Oberfläche) des keramischen Sinterkörpers 3 verbunden ist. Eine Beschreibung im Einzelnen des keramischen Sinterkörpers 3 wird später gegeben.
  • Auf der ersten Kupferplatte 4 wird ein Übertragungskreislauf gebildet. Die zweite Kupferplatte 4' hingegen ist als flache Platte ausgebildet.
  • Auf der Oberseite des Substrats 2 für eine Halbleitervorrichtung oder in anderen Worten auf einem Abschnitt der oberen Oberfläche der ersten Kupferplatte 4, wird der Halbleiterchip 6 über das erste Bondingmaterial 5 gebondet. Der Halbleiterchip 6 und die erste Kupferplatte 4 sind mit den Bondingdrähten 7 verbunden.
  • Auf der unteren Oberfläche des Substrats 2 für eine Halbleitervorrichtung, oder in anderen Worten auf der unteren Oberfläche der zweiten Kupferplatte 4', ist der Kühlkörper 8 über das zweite Bondingmaterial 5' befestigt. Der Kühlkörper 8 ist ein bekannter Kühlkörper und kann z.B. aus einem Metall wie Kupfer hergestellt werden.
  • 2. Zusammensetzung des keramischen Sinterkörpers
  • Im Folgenden wird der keramische Sinterkörper 3 im Einzelnen beschrieben. Der keramische Sinterkörper 3 enthält Aluminiumoxid (Al2O3), eine Glaskomponente und einen verbleibenden Abschnitt ohne Aluminiumoxid (Al2O3) und die Glaskomponente. Die Glaskomponente enthält Aluminiumoxid (SiO2) und Mangan (Mn). Nachfolgend wird der Gehalt der einzelnen Bestandteilselemente des keramischen Sinterkörpers 3 beschrieben.
  • Der Aluminiumoxidgehalt beträgt beispielsweise vorzugsweise 75 Masse-% oder mehr und 90 Masse-% oder weniger, und bevorzugter 85 Masse-% oder mehr und 90 Masse-% oder weniger.
  • Als Nächstes wird die Glaskomponente beschrieben. Der Siliziumdioxidgehalt beträgt vorzugsweise 0,1 Masse-% oder mehr und 2,5 Masse-% oder weniger. Wenn der Siliziumdioxidgehalt 0,1 Masse-% oder mehr beträgt, wird, wie später beschrieben wird, die Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 unterdrückt, und die Impedanz kann verbessert werden. Andererseits kann die Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 beeinträchtigt werden, wenn der Siliziumdioxidgehalt hoch ist. Um zu verhindern, dass die Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 beeinträchtigt wird, beträgt der Siliziumdioxidgehalt daher vorzugsweise 2,5 Masse- % oder weniger.
  • Darüber hinaus kann die Glaskomponente zusätzlich Magnesiumoxid (MgO) enthalten. In diesem Fall beträgt der Magnesiumoxidgehalt vorzugsweise 0,1 Masse- % oder mehr und 0,8 Masse-% oder weniger und bevorzugter 0,15 Masse-% oder mehr und 0,3 Masse-% oder weniger. Durch die Einstellung des Magnesiumoxidgehaltes auf 0,1 Masse-% oder mehr ist es denkbar, dass der keramische Sinterkörper 3 gesintert werden kann, ohne die Kalzinierungstemperatur auf eine zu hohe Temperatur zu erhöhen, und es ist möglich zu verhindern, dass Aluminiumoxid- und Zirkoniumdioxidteilchen grob werden. Dadurch ist es denkbar, dass die mechanische Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 verbessert werden kann, was dazu beiträgt, die Bildung von Rissen im keramischen Sinterkörper 3 an der Bondinggrenzfläche zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der Kupferplatte 4 zu unterdrücken. Außerdem ist es denkbar, dass sich in dem keramischen Sinterkörper 3 eine ausreichende Menge an MgAl2O4-Kristallen (im Folgenden als „Spinellkristall“ bezeichnet) bildet und die Benetzbarkeit mit einer eutektischen Cu-O-Flüssigphase beim Bonding der Kupferplatten mit dem keramischen Sinterkörper 3 verbessert werden kann. Im Ergebnis ist es denkbar, dass dies zur Unterdrückung der Bildung von Hohlräumen an der Bondinggrenzfläche beiträgt.
  • Andererseits ist es denkbar, dass durch die Einstellung des Magnesiumoxidgehaltes auf 0,8 Masse-% oder weniger die Bildung von Spinellkristallen mit geringer mechanischer Festigkeit im Übermaß verhindert und die mechanische Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 verbessert werden kann. Im Ergebnis ist es denkbar, dass dies dazu beiträgt, die Bildung von Rissen im keramischen Sinterkörper 3 an der Bondinggrenzfläche zu unterdrücken.
  • Die Glaskomponente kann zusätzlich Calciumoxid (CaO) enthalten. Für den Fall, dass die Glaskomponente Calciumoxid enthält, beträgt der Calciumoxidgehalt vorzugsweise 0,03 Masse-% oder mehr und 0,35 Masse-% oder weniger. Dementsprechend ist es denkbar, dass der keramische Sinterkörper 3 gesintert werden kann, ohne die Kalzinierungstemperatur auf eine zu hohe Temperatur zu erhöhen, und es ist möglich, eine Vergröberung der Aluminiumoxid- und Zirkoniumoxidteilchen zu verhindern. Infolgedessen ist es denkbar, dass die mechanische Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 verbessert werden kann, was dazu beiträgt, die Bildung von Rissen im keramischen Sinterkörper 3 an der Bondinggrenzfläche zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der Kupferplatte 4 zu unterdrücken.
  • Darüber hinaus kann der keramische Sinterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich Zirkoniumdioxid (ZrO2) und Yttriumoxid (Y2O3) enthalten. In diesem Fall beträgt der Zirkoniumdioxidgehalt vorzugsweise 10 Masse-% oder mehr und 25 Masse-% oder weniger und bevorzugter 10 Masse-% oder mehr und 15 Masse-% oder weniger. Durch die Einstellung des Zirkoniumdioxidgehalts auf 10 Masse- % oder mehr kann die Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 verbessert werden. Es kann auch verhindert werden, dass der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Sinterkörpers 3 zu klein wird, und es ist daher denkbar, dass die Differenz des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der ersten und zweiten Kupferplatte 4 und 4' verringert werden kann. Dadurch ist es denkbar, dass thermische Spannungen an der Bondinggrenzfläche zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der Kupferplatte 4 vermindert werden können, was dazu beiträgt, die Bildung von Rissen im keramischen Sinterkörper 3 an der Bondinggrenzfläche zu unterdrücken.
  • Andererseits ist es denkbar, dass durch die Einstellung des Zirkoniumdioxidgehalts auf 25 Masse-% oder weniger eine Überreaktion an der Bondinggrenzfläche beim Bonding der Kupferplatten mit dem keramischen Sinterkörper 3 unterdrückt und die Bildung von Hohlräumen an der Bondinggrenzfläche unterdrückt werden kann. Dies liegt daran, dass die Benetzbarkeit mit der eutektischen Cu-O-Flüssigphase beim Bonding der Kupferplatten zwischen Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid unterschiedlich ist. Außerdem kann die Impedanz des keramischen Sinterkörpers 3 durch Einstellung des Zirkoniumdioxidgehalts auf 25 Masse-% oder weniger, wie später beschrieben wird, verbessert werden, ohne den Siliziumdioxidgehalt zu erhöhen.
  • Der Yttriumoxidgehalt beträgt vorzugsweise 0,8 Masse-% oder mehr und 1,9 Masse-% oder weniger. Es ist denkbar, dass durch die Einstellung des Yttriumoxidgehalts auf 0,8 Masse-% oder mehr das Verhältnis einer tetragonalen Kristallphase in der Zirkoniumdioxid-Kristallphase erhöht werden kann, während gleichzeitig verhindert wird, dass das Verhältnis einer monoklinen Kristallphase in der Zirkoniumdioxid-Kristallphase zu groß wird. Dadurch ist es denkbar, dass die mechanische Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 verbessert werden kann, was dazu beiträgt, die Bildung von Rissen im keramischen Sinterkörper 3 an der Bondinggrenzfläche zu unterdrücken.
  • Das Verhältnis des Yttriumoxidgehalts zu dem Zirkoniumdioxidgehalt beträgt vorzugsweise 4,5 Masse-% oder mehr und 7,9 Masse-% oder weniger. Bei dieser Konfiguration ist es denkbar, dass die Stabilität der tetragonalen Kristallphase von Zirkoniumdioxid in einem geeigneten Zustand gehalten werden kann, was dazu beiträgt, eine Verringerung der mechanischen Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 zu unterdrücken.
  • Andererseits ist es denkbar, dass durch die Einstellung des Yttriumoxidgehalts auf 1,9 Masse-% oder weniger das Verhältnis einer tetragonalen Kristallphase in der kristallinen Phase des Zirkoniumoxids erhöht werden kann, während gleichzeitig verhindert wird, dass das Verhältnis der kubischen Kristalle in der kristallinen Phase des Zirkoniumoxids zu groß wird. Dadurch ist es denkbar, dass die mechanische Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 verbessert werden kann, was dazu beiträgt, die Bildung von Rissen im keramischen Sinterkörper 3 an der Bondinggrenzfläche zu unterdrücken.
  • Der Gehalt des verbleibenden Verhältnisses liegt vorzugsweise bei 0,5 Masse-% oder weniger und bei 0,05 Masse-% oder weniger, ausgedrückt als Oxidäquivalent. Bei dieser Konfiguration ist es denkbar, dass trotz einer nicht zu hohen Kalzinierungstemperatur eine übermäßige Sinterung des keramischen Sinterkörpers 3 vermieden und damit die Porosität des keramischen Sinterkörpers 3 vermindert werden kann. Dadurch ist es denkbar, dass die mechanische Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 verbessert werden kann, was dazu beiträgt, die Bildung von Rissen im keramischen Sinterkörper 3 an der Bondinggrenzfläche zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der Kupferplatte 4 zu unterdrücken.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Gehalt jedes Bestandteils des keramischen Sinterkörpers 3 als Oxidäquivalent berechnet, wie vorstehend beschrieben. Jedes Bestandteilselement des keramischen Sinterkörpers 3 kann in Form eines Oxids oder einer anderen Form vorliegen. Zum Beispiel kann mindestens eines der Elemente Y, Mg und Ca in Form einer festen Lösung in ZrO2 vorliegen, anstatt in Form eines Oxids zu existieren.
  • Der Gehalt der einzelnen Bestandteilselemente des keramischen Sinterkörpers 3, ausgedrückt als Oxidäquivalent, wird auf folgende Weise berechnet. Zunächst wird für jedes Bestandteilselement des keramischen Sinterkörpers 3 eine qualitative Analyse unter Verwendung eines Röntgenfluoreszenzanalysegeräts (XRF) oder eines Energiedispersionsspektroskops (EDS), das an ein Rasterelektronenmikroskop (REM) angeschlossen ist, durchgeführt. Anschließend wird für jedes Element, das bei der qualitativen Analyse festgestellt wurde, eine quantitative Analyse mit einem ICP-Emissionsspektroskopie-Analysator durchgeführt. Anschließend wird der durch die quantitative Analyse gemessene Gehalt jedes Elements umgerechnet und als Oxidäquivalent ausgedrückt.
  • Bei den Elementen im verbleibenden Abschnitt kann es sich um Elemente handeln, die absichtlich hinzugefügt werden, oder um Elemente, die unvermeidlich eingeführt werden. Es gibt keine besondere Beschränkung für die Elemente im verbleibenden Abschnitt, aber Beispiele dafür sind Fe (Eisen), Ti (Titan), Mn (Mangan) und dergleichen.
  • 3. Verfahren zur Herstellung von keramischen Sinterkörpern und Substraten für Halbleitervorrichtung
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Sinterkörpers und eines Substrats für eine Halbleitervorrichtung beschrieben. Zunächst wird ein Pulvermaterial mit den vorstehend beschriebenen Bestandteilselementen hergestellt. Dann wird das hergestellte Pulvermaterial pulverisiert und gemischt, z.B. mit einer Kugelmühle oder dergleichen.
  • Anschließend werden dem pulverisierten und gemischten Pulvermaterial ein organisches Bindemittel (z.B. Polyvinylbutyral), ein Lösungsmittel (Xylol, Toluol oder dergleichen) und ein Plastifizierungsmittel (Dioctylphthalat oder dergleichen) zugesetzt, um eine aufschlämmungsartige Substanz zu bilden.
  • Dann wird die aufschlämmungsartige Substanz unter Verwendung eines gewünschten Formgebungsmittels (z.B. Formpressen, isostatisches Kaltpressen, Spritzgießen, Rakelverfahren, Extrusionsformverfahren oder dergleichen) in eine gewünschte Form gebracht, um einen keramischen Formkörper herzustellen.
  • Anschließend wird der keramische Formkörper in einer Sauerstoffatmosphäre oder in einer Atmosphäre (bei 1560°C bis 1620°C für 0,7 Stunden bis 1,0 Stunden) kalziniert, um einen Vorläufer des keramischen Sinterkörpers (im Folgenden einfach als „Vorläufer“ bezeichnet) herzustellen.
  • Anschließend wird Mangan mit einem organischen Lösungsmittel vermischt, um eine Suspension zu bilden. Mangan kann als Metall oder als Oxid vorliegen, wenn es mit einem organischen Lösungsmittel gemischt wird. Der Mangangehalt in der Suspension beträgt z.B. 1 bis 5 Gew.-%.
  • Anschließend wird die Suspension auf eine Oberfläche oder auf Oberflächen des Vorläufers aufgetragen, die mit der ersten Kupferplatte 4 und der zweiten Kupferplatte 4' gebondet werden soll. Als Verfahren zum Anhaften der Suspension an den Vorläufer kann beispielsweise das folgende Verfahren angewendet werden.
  • Zunächst wird ein Tauchbad hergestellt, das die Suspension enthält. Dann wird der Vorläufer in die Suspension im Tauchbad getaucht. Dadurch kann die Suspension an dem Vorläufer haften bleiben.
  • Anschließend wird der Vorläufer, an dem die Suspension haftet, an einer Atmosphäre natürlich getrocknet. Die Trocknungszeit beträgt z.B. 5 bis 120 Minuten.
  • Anschließend wird der natürlich getrocknete Vorläufer z.B. in einem Heizofen erhitzt. Die Erhitzungstemperatur beträgt z.B. 500°C bis 600°C. Die Erhitzungszeit beträgt z.B. 10 bis 60 Minuten. Der keramische Sinterkörper 3 mit einer Manganoxidschicht auf einer Oberfläche des keramischen Sinterkörpers 3 wird durch Erhitzen des Vorläufers unter solchen Heizbedingungen hergestellt.
  • Durch Zugabe einer kleinen Menge MnO2-Pulver (etwa 0,1 bis 0,5 Gew.-%) bei der Herstellung eines Pulvermaterials kann nach dem Kalzinieren ein Manganoxid auf der Oberfläche des Vorläufers vorliegen.
  • Als Nächstes wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats 2 für eine Halbleitervorrichtung, wie vorstehend beschrieben, beschrieben. Zunächst wird ein Stapel gebildet, in dem erste und zweite Kupferplatten 4 und 4' auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche eines keramischen Sinterkörpers 3 vorgesehen sind. Dabei sind die Oberflächen der verwendeten Kupferplatten oxidiert worden. Anschließend wird der Stapel unter Stickstoffatmosphäre bei 1065°C bis 1083°C für etwa 10 Minuten erhitzt. Dadurch bildet sich eine eutektische Cu-O-Flüssigphase an einer Grenzfläche (im Folgenden als „Bondinggrenzfläche“ bezeichnet) zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und jeder der ersten und zweiten Kupferplatten 4 und 4', und jede Oberfläche des keramischen Sinterkörpers 3 wird benetzt. Dann wird der Stapel abgekühlt, um die eutektische Cu-O-Flüssigphase zu verfestigen, wodurch die ersten und zweiten Kupferplatten 4 und 4' mit dem keramischen Sinterkörper 3 verbunden werden.
  • Der Übertragungskreis auf der ersten Kupferplatte 4 kann beispielsweise durch ein subtraktives Verfahren oder ein additives Verfahren hergestellt werden. Auch die Dicke der Kupferplatten 4 und 4' kann z.B. 0,1 bis 2,0 mm betragen.
  • 4. Untersuchung der Haftfestigkeit zwischen keramischem Sinterkörper und Kupferplatte
  • Als Nächstes wird die Haftfestigkeit zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und jeder der Kupferplatten 4 und 4' untersucht. In dem vorstehend beschriebenen Substrat 2 für eine Halbleitervorrichtung sind die Kupferplatten 4 und 4' mit beiden Oberflächen des keramischen Sinterkörpers 3 gebondet, aber wenn die Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit des keramischen Sinterkörpers 3 zunimmt, nimmt die Haftfestigkeit zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und jeder der Kupferplatten 4 und 4' ab, wenn eine Gleichspannung angelegt wird, und die Kupferplatten 4 und 4' können sich von dem keramischen Sinterkörper 3 trennen. Dies wird im Einzelnen beschrieben.
  • Zunächst wird eine Cu-O-Al-Bindung an der Grenzfläche zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der ersten Kupferplatte 4 und der zweiten Kupferplatte 4' durch den Bondingvorgang gebildet, der die Bildung und Verfestigung einer eutektischen Cu-O-Flüssigphase beinhaltet. Wenn beispielsweise eine Gleichspannung an die erste Kupferplatte 4, die mit der negativen Elektrode verbunden ist, und an die zweite Kupferplatte 4', die mit der positiven Elektrode verbunden ist, angelegt wird, wird die Cu-O-AI-Bindung in der Nähe der Grenzfläche zwischen der ersten Kupferplatte 4 und dem keramischen Sinterkörper 3 verringert. Infolgedessen nimmt die Haftfestigkeit zwischen der ersten Kupferplatte 4 und dem keramischen Sinterkörper 3 ab. Durch die Reduktion erzeugte Sauerstoffionen wandern über den keramischen Sinterkörper 3 zur zweiten Kupferplatte 4'. Infolgedessen wird die zweite Kupferplatte 4' durch die Sauerstoffionen oxidiert und die Haftfestigkeit zwischen der zweiten Kupferplatte 4' und dem keramischen Sinterkörper 3 nimmt ab. Nachfolgend wird die vorstehend beschriebene Bewegung der Sauerstoffionen beim Anlegen einer Gleichspannung als „erstes Verhalten“ bezeichnet.
  • Andererseits ist es denkbar, dass sich beim Anlegen einer Wechselspannung kaum Sauerstoffionen zwischen den Teilchen aus Aluminiumoxid und dergleichen im keramischen Sinterkörper 3 bewegen. Dies liegt daran, dass die Trennung der ersten Kupferplatte 4 und der zweiten Kupferplatte 4', die durch die Verringerung der Cu-O-Al-Bindung verursacht wird, auch bei Anlegen einer Wechselspannung nicht stattfindet. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich die Sauerstoffionen überhaupt nicht bewegen. Dementsprechend kann die Beweglichkeit der Sauerstoffionen in dem keramischen Sinterkörper durch Messung der Impedanz beim Anlegen einer Wechselspannung bewertet werden. Insbesondere nimmt die Impedanz zu, wenn die Mobilität der Sauerstoffionen abnimmt.
  • In diesem Zusammenhang haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung festgestellt, dass die Zugabe von Siliziumdioxid und Mangan zu dem keramischen Sinterkörper 3 die Bewegung von Sauerstoffionen und Elektronen unterdrücken kann. Insbesondere wurde festgestellt, dass, wenn Siliziumdioxid und Mangan in dem keramischen Sinterkörper 3 enthalten sind, Sauerstoffionen und Elektronen innerhalb des Siliziumdioxids und Mangans eingefangen werden, was die Ausbreitung von Sauerstoffionen und Elektronen unterdrückt. In diesem Fall wird das erste Verhalten unterdrückt, so dass selbst beim Anlegen einer Gleichspannung die Trennung der ersten Kupferplatte 4 und der zweiten Kupferplatte 4', die durch die Reduzierung der Cu-O-AI-Bindung verursacht wird, nicht auftritt.
  • Dann haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung den Grad der Ausbreitung von Sauerstoffionen und Elektronen als Impedanz des keramischen Sinterkörpers 3 gemessen. Insbesondere steigt die Impedanz mit abnehmender Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit.
  • Um die Impedanz, wie vorstehend beschrieben, zu erhöhen, ist das Vorhandensein von Siliziumdioxid in dem keramischen Sinterkörper 3 erforderlich.
  • Wenn Mangan an der Bondinggrenzfläche zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der ersten Kupferplatte 4 vorhanden ist, wird eine Cu-O-AI-Mn-Bindung gebildet, und es ist unwahrscheinlich, dass Sauerstoff reduziert wird. Dementsprechend wird das erste Verhalten, das auftritt, wenn Gleichspannung angelegt wird, unterdrückt. Infolgedessen kann die Trennung der ersten Kupferplatte 4, die durch die Reduktion von Sauerstoff verursacht wird, unterdrückt werden.
  • Andererseits verringert die Glaskomponente die Festigkeit des keramischen Sinterkörpers 3. In Anbetracht der Tatsache, dass Risse an der Bondinggrenzfläche von der Oberfläche in das Innere des keramischen Sinterkörpers 3 wachsen, ist es wünschenswert, dass eine geringe Menge der Glaskomponente in der Nähe der Oberfläche des keramischen Sinterkörpers 3 vorhanden ist. Die erste Kupferplatte 4 trennt sich auch infolge der Rissbildung durch eine thermische Spannung, die an der Bondinggrenzfläche aufgrund des unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der ersten Kupferplatte 4 auftritt.
  • Aus den vorstehend beschriebenen Gründen haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung herausgefunden, dass die Abtrennung der ersten Kupferplatte 4, die beim Anlegen einer Gleichspannung auftritt, unterdrückt werden kann, indem eine Bondingschicht mit einem Mn-Konzentrationspeak an der Bondinggrenzfläche zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der ersten Kupferplatte 4 bereitgestellt wird. Weiterhin fanden die Erfinder der vorliegenden Anmeldung heraus, dass, wenn das Verhältnis des Mn-Peakwerts relativ zum Si-Peakwert in der Tiefenrichtung der Bondingschicht 1,0 bis 7,0 oder vorzugsweise 2,0 bis 5,0 beträgt, die Trennung der ersten Kupferplatte 4 weiter unterdrückt werden kann und die Haftfestigkeit zwischen dem keramischen Sinterkörper 3 und der ersten Kupferplatte 4 stabilisiert wird.
  • Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung fanden auch heraus, dass es möglich ist, ähnliche Effekte wie die vorstehend beschriebenen Effekte von Mn zu erzielen, wenn die Bondingschicht zusätzlich zu Mn auch Mg enthält. Darüber hinaus fanden die Erfinder der vorliegenden Anmeldung heraus, dass die Trennung weiter unterdrückt werden kann, wenn das Verhältnis des Mg-Peakwertes relativ zum Mn-Peakwert in der Tiefenrichtung der Bondingschicht 2,0 bis 3,0 beträgt.
  • Beispiele
  • Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die nachstehend aufgeführten Beispiele beschränkt.
  • Die keramischen Sinterkörper der Beispiele 1 bis 4 und die keramischen Sinterkörper der Vergleichsbeispiele 1 und 2, die die folgenden Materialien als Hauptkomponenten enthalten, wurden hergestellt. Konkret wurden zunächst Pulvermaterialien, die unter Verwendung der in Tabelle 1 aufgeführten Zusammensetzungen in vorbestimmten Verhältnissen hergestellt wurden, in einer Kugelmühle pulverisiert und gemischt. In Tabelle 1 wird Masse-% einfach als Gew.-% angegeben.
  • Als Nächstes wurden Polyvinylbutyral als organisches Bindemittel, Xylol als Lösungsmittel und Dioctylphthalat als Plastifizierungsmittel bzw. Weichmacher zu jedem der pulverisierten und gemischten Pulvermaterialien hinzugefügt, um eine aufschlämmungsartige Substanz zu erhalten.
  • Anschließend wurde die aufschlämmungsartige Substanz unter Verwendung eines Rakelverfahrens in eine Plattenform gebracht, um einen keramischen Formkörper herzustellen.
  • Anschließend wurde der keramische Formkörper in einer Atmosphäre von 1570°C 0,8 Stunden lang gebrannt, um einen Vorläufer eines keramischen Sinterkörpers herzustellen. Die Abmessungen des Vorläufers waren wie folgt: eine Dicke von 0,32 mm, eine Länge von 39 mm und eine Breite von 45 mm. Der Vorläufer wurde als keramischer Sinterkörper gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 verwendet. Das Verhältnis der Komponenten des Vorläufers ist in Tabelle 1 dargestellt.
  • Wie vorstehend beschrieben, wurde in den Beispielen 1 bis 4 der Vorläufer in eine Suspension mit einem Mangangehalt von 3 Gew.-% getaucht, und die Suspension wurde an der Oberfläche des Vorläufers angeheftet. Dann wurde der Vorläufer, an dem die Suspension haftete, 100 Minuten lang an einer Atmosphäre natürlich getrocknet. Anschließend wurde der natürlich getrocknete Vorläufer 20 Minuten lang bei 500°C, z.B. in einem Heizofen, erhitzt. Als Ergebnis wurden die Vorläufer mit einer Manganoxidschicht auf einer Oberfläche des Vorläufers, d.h. die keramischen Sinterkörper gemäß den Beispielen 1 bis 4, erhalten. Die Dicke der Manganoxidschicht war weitaus geringer als die Dicke des Vorläufers, und daher waren die Komponentenverhältnisse jedes keramischen Sinterkörpers im Wesentlichen die gleichen wie in Tabelle 1.
  • Außerdem wurde eine Kupferplatte mit einer oxidierten Oberfläche und einer Dicke von 0,3 mm auf die oberen Oberflächen und unteren Oberflächen der Vorstufen der Beispiele und Vergleichsbeispiele gelegt und bei 1070°C für etwa 10 Minuten unter Stickstoffatmosphäre erhitzt. Als Ergebnis wurden keramische Sinterkörper und Substrate für eine Halbleitervorrichtung gemäß den Beispielen und Vergleichsbeispielen erhalten. Tabelle 1
    Bsp. 1 Bsp. 2 Bsp. 3 Bsp. 4 Vgl.-Bsp. 1 Vgl.-Bsp. 2
    Aluminiumoxid 84,3 Gew.-% 84,6 Gew.-% 84,6 Gew.-% 84,6 Gew.-% 78,9 Gew.-% 78,2 Gew.-%
    Zirkoniumdioxid 12,9 Gew.-% 13,0 Gew.-%. 12,8 Gew.-% 12,9 Gew.-% 19,6 Gew.-% 19,3 Gew.-%
    Yttriumoxid 0,8 Gew.-% 0,8 Gew.-% 0,8 Gew.-% 0,8 Gew.-% 1,0 Gew.-%. 1,0 Gew.-%.
    Siliziumdioxid 1,35 Gew.-% 1,2 Gew.-% 1,2 Gew.-% 1,18 Gew.-%. - 1,0 Gew.-%.
    Magnesiumoxid Verbleibender Abschnitt 0,47 Gew.-% 0,15 Gew.-% 0,29 Gew.-% 0,25 Gew.-% 0,3 Gew.-% 0,22 Gew.-%
    0,18 Gew.-%. 0,25 Gew.-% 0,31 Gew.-% 0,27 Gew.-% 0,2 Gew.-% 0,28 Gew.-%
    Insgesamt 100,0 Gew.- %. 100,0 Gew.- %. 100,0 Gew.- %. 100,0 Gew.- %. 100,0 Gew.- %. 100,0 Gew.- %.
  • Die folgende Analyse wurde durchgeführt, um die Verteilung der einzelnen Elemente im Einzelnen zu überprüfen. Jedes Substrat für eine Halbleitervorrichtung wurde geschnitten und ein geschnittener Querschnitt davon wurde poliert, um eine Querschnittsprobe zu erhalten. Die erhaltene Querschnittsprobe wurde für diese Analyse verwendet. Der Querschnitt wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) oder einem Feldemissions-Elektronensonden-Mikroanalysator analysiert. 2 ist ein Bild von rückgestreuten Elektronen, das in der Nähe der Bondinggrenzfläche zwischen einer Kupferplatte und dem keramischen Sinterkörper aufgenommen wurde. Zunächst wurde, wie in 2 dargestellt, eine 20 µm × 20 µm große Fläche (quadratischer Rahmen) festgelegt, die die Kupferplatte und den keramischen Sinterkörper beinhaltet. Diese Fläche wurde in 256 × 256 Unterflächen unterteilt. Jede Unterfläche hatte eine Seitenlänge von 0,078 µm, die durch Division von 20 µm durch 256 berechnet wurde. Anschließend wurde für jede Unterfläche eine Elementkonzentration berechnet. Dann wurden, wie in 3 gezeigt, die Werte der Elementkonzentrationen (Masse-%) von 256 Unterflächen in horizontaler Richtung (X-Richtung) gemittelt (dies wird als „durchschnittliche Elementkonzentration in X-Richtung“ bezeichnet). Die Verteilung der Elementkonzentration wurde mit einem Feldemissions-Elektronensonden-Mikroanalysator gemessen.
  • 4 und 5 sind jeweils ein Diagramm, in dem die horizontale Achse die Längsrichtung (Y-Richtung) von 2 oder mit anderen Worten, die Tiefenrichtung des keramischen Sinterkörpers darstellt. Die durchschnittliche Elementkonzentration in X-Richtung in jeder Tiefe wurde auf der vertikalen Achse aufgetragen. Man beachte, dass eine Ecke des in 2 dargestellten quadratischen Rahmens, die sich innerhalb der Kupferplatte befindet, als Ursprung der horizontalen Achse des Diagramms festgelegt wurde.
  • 4 und 5 sind jeweils ein Diagramm, in dem die horizontale Achse die Tiefenrichtung der keramischen Sinterkörper (Substrate) der Beispiele 1 und 4 darstellt. Die durchschnittliche Elementkonzentration von Cu, AI, Mn, Si und Mg in der X-Richtung in jeder Tiefe wurde auf der vertikalen Achse aufgetragen.
  • Wenn hier in dem keramischen Sinterkörper (Substrat) eine Position, an der sich die Kurven der Massenkonzentrationsverteilung von Cu und AI schneiden, als „Medianwert“ festgelegt wird, wird eine Fläche, die sich vom Medianwert bis zu im Wesentlichen ± 1,0 µm erstreckt, als die vorstehend beschriebene Bondingschicht definiert. Wie in den 4 und 5 gezeigt, ist zu erkennen, dass sich in der Bondingschicht ein Mn-Konzentrationspeak befindet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfinder der vorliegenden Anmeldung bestätigt haben, dass in den Beispielen 2 und 3 Konzentrationsverteilungskurven mit ähnlichen Peaks erhalten wurden, auch wenn sie nicht dargestellt sind.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird bei hoher Mn-Konzentration (wenn ein Konzentrationspeak vorhanden ist) in der Bondingschicht eine Cu-O-AI-Mn-Bindung gebildet, und es ist unwahrscheinlich, dass Sauerstoff reduziert wird. Aus diesem Grund wird das erste Verhalten, das beim Anlegen einer Gleichspannung auftritt, unterdrückt. Infolgedessen kann die Abtrennung einer Kupferplatte durch das Anlegen einer Gleichspannung unterdrückt werden. Dies wurde im Folgenden untersucht.
  • Das Verhältnis (Mn/Si) des Mn-Peakwerts relativ zum Si-Peakwert und das Verhältnis (Mn/Mg) des Mn-Peakwerts relativ zum Mg-Peakwert in der Tiefenrichtung der Bondingschicht jedes der Beispiele 1 bis 4 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden gemessen.
  • Weiterhin wurden die anfängliche Haftfestigkeit der Substrate für eine Halbleitervorrichtung aus den Beispielen 1 bis 4 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 sowie deren Haftfestigkeit gemessen, nachdem 200 Stunden lang DC800V angelegt wurde, während sie auf 150°C erhitzt wurden. Die Haftfestigkeit wurde wie folgt gemessen.
  • Zunächst wurde eine gebondete rechteckige Kupferplatte von einem Endabschnitt um eine vorbestimmte Länge in Richtung der langen Seite abgeschält und der abgeschälte Abschnitt um 90 Grad gebogen. Dann wurde der gebogene Endabschnitt der Kupferplatte abgeschnitten und vertikal nach oben gezogen. Der dabei erzielte Maximalwert wurde als Haftfestigkeit verwendet. Das heißt, es wurde die folgende Gleichung verwendet: Haftfestigkeit (kgf/mm) ± Maximalwert der Hochziehlast (kgf) / Länge (mm) der kurzen Seite des Rechtecks. Die Ergebnisse lauten wie folgt. Tabelle 2
    Bsp. 1 Bsp. 2 Bsp. 3 Bsp. 4 Vgl.-Bsp. 1 Vgl.-Bsp. 2
    Mn/Si 1,47 2,60 4,30 6,00 0 0
    Mn/Mg 2,28 2,36 2,31 2,43 0 0
    Anfängliche Haftfestigkeit (kgf/mm) 10,4 10,6 10,2 10,7 10,6 11,2
    Haftfestigkeit nach dem Aufträgen (kgf/mm) 10,2 10,5 10,0 10,5 4,3 9,0
    Prozentsatz der Haftfestigkeit nach dem Auftragen relativ zur Anfanqshaftfestiqkeit 98,2% 98,8% 98,1% 98,3% 41,0% 79,9%
  • Es ist zu erkennen, dass in den Beispielen 1 bis 4 die Haftfestigkeit auch nach Anlegen einer Gleichspannung kaum abnimmt. Da der keramische Sinterkörper von Vergleichsbeispiel 2 Siliziumdioxid enthält, nimmt die Haftfestigkeit nach Anlegen einer Gleichspannung weniger stark ab als bei dem keramischen Sinterkörper von Vergleichsbeispiel 1, der kein Siliziumdioxid enthält. Die Bondingschichten in den Beispielen 1 bis 4 weisen einen Mn-Konzentrationspeak auf, und das Verhältnis des Mn-Peakwerts zum Si-Peakwert in der Tiefenrichtung der Bondingschicht beträgt 1,0 bis 7,0. Somit ist die Haftfestigkeit auch nach Anlegen einer Gleichspannung noch stabiler als in Vergleichsbeispiel 2.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Substrat für Halbleitervorrichtung
    3
    gesinterter Keramikkörper
    4, 4'
    Kupferplatte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 4717960 [0003]

Claims (4)

  1. Keramischer Sinterkörper, umfassend: Aluminiumoxid; und eine Glaskomponente, die Siliziumdioxid und Mangan enthält, wobei der keramische Sinterkörper eine Bondingschicht mit einem Mn-Konzentrationspeak auf mindestens einer Oberflächenseite des keramischen Sinterkörpers aufweist, und das Verhältnis eines Mn-Peakwerts zu einem Si-Peakwert in einer Tiefenrichtung der Bondingschicht 1,0 bis 7,0 beträgt.
  2. Keramischer Sinterkörper nach Anspruch 1, wobei die Glaskomponente weiterhin Magnesiumoxid enthält, und das Verhältnis des Mn-Peakwerts zu einem Mg-Peakwert in der Tiefenrichtung der Bondingschicht 2,0 bis 3,0 beträgt.
  3. Keramischer Sinterkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnesiumoxidgehalt 0,1 Masse-% oder mehr und 0,8 Masse-% oder weniger beträgt.
  4. Substrat für eine Halbleitervorrichtung, auf der eine elektronische Komponente montiert werden kann, umfassend: den keramischen Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und eine Kupferplatte, die mit dem keramischen Sinterkörper gebondet ist.
DE112021006825.3T 2021-03-29 2021-04-12 Keramischer Sinterkörper und Substrat für eine Halbleitervorrichtung Pending DE112021006825T5 (de)

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WO (1) WO2022208900A1 (de)

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