JP6125691B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

従来、パワーモジュール用回路基板には、安価な酸化アルミニウム基板、高熱伝導性の窒化アルミニウム基板、高強度の窒化珪素基板等のセラミックス基板と、熱伝導率が大きい銅板等の金属板とを、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）を用いる高融点金属法、銅と酸素との共晶反応を利用したＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法、チタン（Ｔｉ）のような活性金属を使用した活性金属接合法等で接合した接合基板が用いられている。セラミックス基板に接合された金属板を、例えばエッチングでパターニンすることにより回路基板が構成される。種々の接合方法の中では、接合強度を高くできることから、活性金属接合法が一般的に用いられている。

セラミックス回路基板を用いて半導体装置を構成する場合、銅板等の金属板上に半田層を介して半導体チップが搭載される。セラミックス回路基板への要求特性の１つとして熱サイクル試験（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｙｃｌｅ Ｔｅｓｔ：ＴＣＴ）特性が挙げられる。ＴＣＴは、低温、室温、高温の環境下にそれぞれ一定時間保持し、このような温度変化に対してセラミックス回路基板がどの程度の耐久性を有しているかを調べる試験である。

セラミックス回路基板のＴＣＴ特性を向上させるために、銅板の端部からろう材層をはみ出させた構造が提案されている。そのような構造を有するセラミックス銅回路基板において、−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとしたＴＣＴを実施した際に、３００サイクル後においてもセラミックス基板にクラックが発生しないことが報告されている。しかしながら、半導体チップのハイパワー化に伴って、ＴＣＴ特性として１０００サイクルレベルでセラミックス基板にクラックが発生しないセラミックス銅回路基板が求められている。

さらに、セラミックス基板として窒化珪素基板を使用すると共に、銅板の端部からはみ出したろう材の組成を制御することによって、ＴＣＴ特性を向上させたセラミックス銅回路基板が提案されている。このようなセラミックス銅回路基板において、−５０℃×３０分→室温×１０分→１５５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとすることで、条件をより厳しくしたＴＣＴを実施した際に、５０００サイクルレベルでセラミックス基板にクラックが発生しないことが報告されている。

ところで、半導体チップはさらにハイパワー化が進められている。それに伴って、Ｓｉ素子の動作温度はこれまで１００〜１３０℃程度であったのに対し、１６０〜１９０℃程度にまで上昇することが予測されている。さらに、ＳｉＣ素子では動作温度が２００〜２５０℃まで高温化が進むことが予測されている。このような半導体チップのハイパワー化と動作温度の高温化に対応させるために、セラミックス銅回路基板にはより厳しい条件下によるＴＣＴ特性を向上させることが求められている。

上述したように、セラミックス基板として窒化珪素基板を使用することでＴＣＴ特性が向上する。一方で、窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板では３００〜４００サイクル程度の耐久性しか得られていない。窒化珪素基板は３点曲げ強度を６００ＭＰａ以上にまで高強度化することができる。このような窒化珪素基板を使用することでＴＣＴ特性を向上させることができる反面、窒化珪素基板は一般的に窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板と比べて高価であるため、セラミックス銅回路基板の製造コストが増加する。このため、窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板を用いた場合であっても、ＴＣＴ特性を向上させることが可能なセラミックス銅回路基板が求められている。

セラミックス銅回路基板上に半導体チップを搭載する場合、一般的にボンダー・マウンター装置が使用される。このような装置においては、銅板の表面を画像認識して位置を検出し、位置検出された銅板に対して半導体チップを位置決めした後に、半導体チップを銅板上に搭載する。銅板の位置検出は、ＣＣＤカメラ等の検出器を使用して銅板の端部の位置を検出することにより実施される。ＴＣＴ特性を向上させるために、銅板の端部からはみ出したろう材の組成を制御した場合、銅板の端部が緩やかな傾斜面となる。このような緩やかな傾斜面では、検出器による銅板端部の検出精度が低下するといった不具合が生じる。さらに、銅板端部に緩やかな傾斜面を形成した場合、銅板の面積に対して半導体チップを搭載できる面積が小さくなる。このため、半導体装置の設計上の制約が大きくなる。

特開平１１−３４０５９８号公報 国際公開第２０１１／０３４０７５号 特許第４３４６１５１号公報

本発明が解決しようとする課題は、ＴＣＴ特性を向上させた上で、銅板の位置検出精度とそれに基づく半導体チップの位置決め精度を高めることを可能にしたセラミックス銅回路基板とそれを用いた半導体装置を提供することにある。

実施形態の半導体装置は、セラミックス銅回路基板と、動作温度が１７０℃以上の半導体素子を有する半導体チップと、を具備する。セラミックス銅回路基板は、６００ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有する窒化珪素基板からなり且つ第１の面と第２の面とを有するセラミックス基板と、Ａｇと、Ｃｕと、ＳｎまたはＩｎと、Ｔｉと、を含有する第１の接合層を介して、セラミックス基板の第１の面に接合された第１の銅板と、Ａｇと、Ｃｕと、ＳｎまたはＩｎと、Ｔｉと、を含有する第２の接合層を介して、セラミックス基板の第２の面に接合された第２の銅板と、を具備する。半導体チップは、第１の銅板上に搭載されている。第１および第２の銅板の端部の断面において、銅板とセラミックス基板との接合端を点Ａ、点Ａから銅板の上面の内側に向けて銅板とセラミックス基板との界面と４５°となる方向に引いた直線と銅板上面とが交わる点を点Ｂ、点Ａと点Ｂとを結ぶ直線ＡＢより銅板の外側方向に向けてはみ出す断面の面積を面積Ｃ、直線ＡＢを斜辺とする直角三角形に相当する断面の面積を面積Ｄとしたとき、第１および第２の銅板の端部は面積Ｄに対する面積Ｃの割合（Ｃ／Ｄ）は０．２以上０．６以下の範囲である形状を有する。面積Ｃの角部に相当する第１および第２の銅板の上面の端部には、それぞれＲ部が設けられており、かつＲ部の第１および第２の銅板の上方から見た長さＦは１０μｍ以上５０μｍ以下である。第１および第２の接合層の端部は、それぞれ第１および第２の銅板の端部からはみ出しており、第１および第２の接合層の端部の第１および第２の銅板の端部からのはみ出し長さＥは１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲である。第１および第２の銅板の接合強度は１６ｋＮ／ｍ以上である。

実施形態のセラミックス銅回路基板を示す断面図である。 実施形態のセラミックス銅回路基板における銅板の端部の構造を示す断面図である。 実施形態のセラミックス銅回路基板における銅板の端部の形状を説明するための図である。 実施形態のセラミックス銅回路基板を第１の銅板側から見た平面図である。 実施形態のセラミックス銅回路基板を第２の銅板側から見た裏面図である。

以下、実施形態のセラミックス銅回路基板とそれを用いた半導体装置について、図面を参照して説明する。図１は実施形態のセラミックス銅回路基板の構成を示す断面図である。図１において、１はセラミックス銅回路基板、２はセラミックス基板、３は銅回路板（第１の銅板）、４は裏側銅板（第２の銅板）である。図１は銅回路板３として２枚の銅板をセラミックス基板２に接合した例を示めしているが、実施形態のセラミックス銅回路基板の構成はこれに限られるものではない。銅回路板３の枚数は、適宜増減させることができる。図１はセラミックス基板２に１枚の銅板を裏側銅板５として接合した例を示めしているが、実施形態のセラミックス銅回路基板の構成はこれに限られるものではない。第２の銅板は実装や放熱等に使用される裏側銅板４に限らず、銅回路板であってもよい。

実施形態のセラミックス銅回路基板１において、セラミックス基板２の第１の面２ａには銅回路板（第１の銅板）３が第１の接合層５を介して接合されている。セラミックス基板２の第２の面２ｂには、裏側銅板（第２の銅板）４が第２の接合層６を介して接合されている。第１および第２の接合層５、６は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびニオブ（Ｎｂ）から選ばれる少なくとも１種の活性金属元素と、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、および炭素（Ｃ）から選ばれる少なくとも１種の元素とを含んでいる。実施形態のセラミックス銅回路基板１は、セラミックス基板２の両面２ａ、２ｂに銅板３、４を活性金属接合法で接合することにより構成されたものである。

活性金属接合法は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＡｌおよびＮｂから選ばれる少なくとも１種の活性金属元素と、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、ＩｎおよびＣから選ばれる少なくとも１種の元素とを含む活性金属ろう材を用いて、セラミックス基板２と銅板３、４とを接合する方法である。活性金属ろう材は、活性金属元素、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、ＩｎおよびＣの合計を１００質量％としたとき、１〜６質量％の活性金属元素、５０〜８０質量％のＡｇ、１５〜３０質量％のＣｕ、１５質量％以下（零を含む）のＳｎ、１５質量％以下（零を含む）のＩｎ、および２質量％以下（零を含む）炭素の含有することが好ましい。このような組成を有する活性金属ろう材を用いることで、接合層５、６の成分を制御することができる。

活性金属ろう材は、さらに活性金属元素と、Ａｇと、Ｃｕと、Ｓｎ、ＩｎおよびＣから選ばれる少なくとも１種とを含有することが好ましい。Ｓｎ、ＩｎおよびＣから選ばれる少なくとも１種の元素の含有量は１〜１５質量％の範囲とすることが好ましい。活性金属元素は、セラミックス基板２と反応して反応相を形成することで、セラミックス基板２と銅板３、４との接合強度を向上させる成分である。活性金属元素としてＴｉを用いた場合、セラミックス基板２が酸化アルミニウム基板であればＴｉ酸化物相が形成される。セラミックス基板２として窒化珪素基板や窒化アルミニウム基板を用いた場合には、Ｔｉ窒化物相が形成される。活性金属元素のうち、ＴｉやＺｒはセラミックス基板２と反応相を形成しやすいので好ましく用いられる。特に、Ｔｉを用いることが好ましい。

ＡｇとＣｕは共晶を生成する組合せである。ＡｇとＣｕの共晶が形成されることによって、接合層５、６が強化される。さらに、Ｓｎ、ＩｎおよびＣから選ばれる少なくとも１種を含有させることによって、接合層５、６の熱膨張係数や柔軟性を制御することができる。セラミックス銅回路基板１のＴＣＴを実施した際に、セラミックス基板２に生じるクラックは、セラミックス基板２と銅板３、４との熱膨張差による応力に起因する。熱膨張差を緩和するために、接合層５、６の熱膨張係数はセラミックス基板２と銅板３、４との間の値となるように調整することが好ましい。Ｓｎ、ＩｎおよびＣは、Ａｇ−Ｃｕ共晶の生成を阻害することなく、熱膨張係数の調整に有効な成分である。さらに、Ｓｎ、ＩｎおよびＣから選ばれる少なくとも１種を含有させることで、接合層５、６の柔軟性を高めることができる。接合層５、６の柔軟性を高めることによって、ＴＣＴ時に銅板３、４が熱膨張したときの変形応力を吸収することができる。

実施形態のセラミックス銅回路基板１は、銅板３、４の端部を断面観察したときに、以下に示す端部形状を有している。すなわち、銅板３、４の端部の断面において、銅板とセラミックス基板との接合端を点Ａ、点Ａから銅板の上面の内側に向けて銅板とセラミックス基板との界面と４５°となる方向に引いた直線と銅板上面とが交わる点を点Ｂ、点Ａと点Ｂとを結ぶ直線ＡＢより銅板の外側方向に向けてはみ出す断面の面積を面積Ｃ、直線ＡＢを斜辺とする直角三角形に相当する断面の面積を面積Ｄとしたとき、第１および第２の銅板３、４は面積Ｄに対する面積Ｃの割合（Ｃ／Ｄ）が０．２以上０．６以下の範囲である端部形状を有する。さらに、面積Ｃの角部に相当する第１および第２の銅板３、４の上面の端部にはそれぞれＲ部が設けられており、かつＲ部の第１および第２の銅板３、４の上方から見た長さＦが１００μｍ以下である。

図２および図３に実施形態のセラミックス銅回路基板１における銅板３、４の端部形状を示す。図２および図３を参照して、点Ａ、点Ｂ、直線ＡＢ、面積Ｃ、面積Ｄ、長さＥ、および長さＦについて説明する。まず、任意の銅板の端部の断面を観察する。この観察断面は銅板の厚さ方向の断面とする。図２および図３は主に銅回路板（第１の銅板）３の端部を示している。裏側銅板（第２の銅板）４の端部も、銅回路板（第１の銅板）３と同様な形状を有している。以下に示す端部形状は、銅回路板（第１の銅板）３および裏側銅板（第２の銅板）４の端部の形状を示すものである。

図３に示すように、点Ａは銅板３とセラミックス基板２との接合端である。なお、図３では接合層５の図示を省略している。点Ａから銅板３の上面の内側に向けて銅板３とセラミックス基板２との界面と４５°となる方向に直線を引き、この直線と銅板３の上面とが交わる点を点Ｂとする。点Ａと点Ｂとを結ぶ直線ＡＢより銅板２の外側方向に向けてはみ出す断面の面積を面積Ｃ、直線ＡＢを斜辺とする直角三角形に相当する断面の面積を面積Ｄとする。実施形態における銅板３（４）は、面積Ｄに対する面積Ｃの割合（Ｃ／Ｄ）が０．２〜０．６の範囲である端部形状を有する。

面積割合Ｃ／Ｄが０．２〜０．６の範囲であるとき、銅板３（４）の端部には適度な傾斜面が形成されることになる。銅板３（４）の端部に適度な傾斜面を形成することによって、セラミックス銅回路基板１のＴＣＴ時に銅板３（４）の端部に発生する応力（熱膨張差に起因する応力）が緩和される。従って、セラミックス銅回路基板１のＴＣＴ特性を向上させることができる。面積割合（Ｃ／Ｄ）が０．２未満であると、銅板３（４）の半導体チップの搭載面積が小さくなる。面積割合（Ｃ／Ｄ）が０．６を超えると、熱膨張差に起因する応力の緩和効果が得られない。面積割合（Ｃ／Ｄ）は０．３〜０．５の範囲であることがより好ましい。面積Ｄの基準として界面に対して４５°の直線を採用した理由は、セラミックス銅回路基板の４５°放熱シミュレーションを前提とするためである。

図２に示すように、銅板３（４）の上面の端部にはそれぞれＲ部が設けられている。銅板３（４）の上面の端部は面積Ｃの角部に相当する。Ｒ部は銅板３（４）の上方から見たＲ部の長さＦが１００μｍ以下である形状を有する。長さＦが１００μｍ以下であるということは、曲率半径Ｒが小さい形状をＲ部が有することを意味する。長さＦが１００μｍ以下であると、画像認識を適用した銅板３（４）の位置検出精度が向上する。長さＦが１００μｍを超えるとＲ形状が緩くなり、画像認識を適用して銅板３（４）の端部を検出するときの精度にばらつきが生じる。ボンダー・マウンター装置等における位置決めは、ＣＣＤカメラ等の検出器を用いて銅板３（４）を画像認識することにより実施される。銅板３（４）の端部を正確に画像認識することができないと、銅板３（４）の位置決め精度が低下し、それに基づいて半導体チップの搭載場所の位置決め精度が悪くなる。

セラミックス銅回路基板１に半導体チップを搭載して半導体装置を作製するにあたって、半導体チップの搭載位置にずれが生じると、半導体チップに対する電気的な接続を正確に行えないおそれがある。さらに、場合によっては半導体装置自体が不良となる。半導体チップの搭載工程は、ボンダー・マウンター装置等により機械化されている。このため、機械により半導体チップの搭載位置を正確に認識できないと不良品となる。上述したようなＲ部を銅板３（４）の上面端部に設けることによって、画像認識を使用して銅板３の端部を精度よく検出することができる。長さＦは５０μｍ以下であることが好ましい。ただし、長さＦが短すぎると応力集中が生じやすくなるため、長さＦは１０μｍ以上であることが好ましく、さらに２０μｍ以上であることがより好ましい。

図４はセラミックス銅回路基板１を銅回路板３側から見た平面図、図５はセラミックス銅回路基板１を裏側銅板４側から見た裏面図である。図４に示す銅回路板３の一部に半導体チップ（図示せず）が搭載される。半導体チップの搭載位置は、画像認識により銅回路板３の端部を検出し、そこからの距離に基づいて認識される。このため、銅回路板３の端部が画像認識しやすい形状であることが必要である。この実施形態における銅回路板３は、端部が画像認識しやすい形状として長さＦが１００μｍ以下のＲ形状を有している。なお、図４では半導体チップの図示を省略している。この実施形態の半導体装置は、銅回路板３の一部に半導体チップを搭載することにより構成される。

第１および第２の接合層５、６において、接合層の１０ｍｍ^２の形成面積当たりにおける活性金属元素の含有量は０．５ｍｇ以上０．８ｍ以下の範囲であることが好ましい。前述したように、活性金属元素はセラミックス基板２と反応して反応相を形成する。接合層５、６の１０ｍｍ^２の形成面積当たりにおける活性金属元素の含有量が０．５ｍｇ（ミリグラム）未満であると、活性金属元素の量が不足して接合強度が低下する。一方、活性金属元素の含有量が０．８ｍｇを超えても、それ以上の効果が得られないだけでなく、セラミックス銅回路基板１の製造コストを増加させる要因となる。接合層５、６の１０ｍｍ^２の形成面積当たりにおける活性金属元素の含有量は、例えば活性金属ろう材中の活性金属元素の含有量と活性金属ろう材の塗布層の厚さにより調整することができる。

さらに、接合層５、６は銅板３、４の端部からはみ出していることが好ましい。接合層５、６の銅板３、４の端部からのはみ出し長さＥは１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲であることが好ましい。接合層５、６のはみ出し長さＥは、図２に示すように、点Ａから外側にはみ出した接合層５、６の幅である。はみ出し長さＥが１０μｍ以上の接合層５、６によれば、銅板３、４の端部に生じる応力を緩和することができる。ただし、はみ出し長さＥが１５０μｍを超えると、それ以上の効果が得られないだけでなく、隣接する銅板との間で絶縁性を確保することができず、銅板間の短絡の原因となるおそれがある。はみ出し長さＥは１０〜１００μｍの範囲であることがより好ましい。ただし、場合によっては接合層５、６を銅板３、４の端部からはみ出させなくてもよい。

セラミックス基板２は、窒化珪素焼結体からなる窒化珪素基板、窒化アルミニウム焼結体からなる窒化アルミニウム基板、または酸化アルミニウム焼結体からなる酸化アルミニウム基板であることが好ましい。窒化珪素基板は素材として３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上というような高強度を有している。窒化アルミニウム基板は熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上というような高熱伝導性を有している。酸化アルミニウム基板は安価である。これら基板の優位性に基づいて、目的に応じてセラミックス基板２を選定する。窒化珪素基板は、特許第４３４６１５１号公報に記載されているように、３点曲げ強度が７００ＭＰａ以上で、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが開発されている。高強度で高熱伝導性の窒化珪素基板であれば、放熱性を高めた上でＴＣＴ特性も向上させることができる。

セラミックス基板２の厚さは０．２〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。銅板３、４の厚さは０．１〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。セラミックス基板２の厚さが０．２ｍｍ未満とであると強度が低下し、ＴＣＴ特性も低下するおそれがある。セラミックス基板２が薄いと絶縁性が確保できず、リーク電流が発生するおそれもある。セラミックス基板２の厚さが１ｍｍを超えると熱抵抗体となり、放熱性が低下するおそれがある。銅板３、４の厚さが０．１ｍｍ未満であると、回路としての電流密度が低下する。銅板３、４としての強度も低下する。銅板３、４の厚さが１ｍｍを超えると、電流密度は向上するものの、熱膨張による変形量が大きくなるためにＴＣＴ特性が低下するおそれがある。銅板３、４の厚さは０．２〜０．６ｍｍの範囲であることがより好ましい。

この実施形態によれば、セラミックス銅回路基板１のＴＣＴ特性を大幅に向上させることができる。ＴＣＴは、低温領域→室温→高温領域→室温を１サイクルとし、このようなサイクルをセラミックス銅回路基板１に繰り返し加えることによって、セラミックス基板２のクラックや銅板３、４の剥がれ等の不具合が発生するサイクル数を調べる耐久性試験である。セラミックス銅回路基板１は、−４０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分→１７５℃×３０分→室温（２５℃）×１０分を１サイクルとするＴＣＴにおいて、１０００サイクル後でもセラミックス基板２にクラックが生じないという特性を有するものである。さらに、−５０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分→２５０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分を１サイクルとするＴＣＴにおいても同様である。

従来のＴＣＴは、例えば最大温度（高温領域）が１２５℃であったり、また最大温度（高温領域）が１５０℃であったりする。それに対して、実施形態のセラミックス銅回路基板１は最大温度（高温領域）が１７０℃以上のＴＣＴを１０００サイクル実施したときにおいても、セラミックス基板にクラックが生じないという優れた特性を示すものである。具体的なＴＣＴ条件は上記した通りである。つまり、低温領域と高温領域との温度差が２１０℃以上のＴＣＴ、さらには温度差が３００℃のＴＣＴというように、より厳しい条件下においても、実施形態のセラミックス銅回路基板１は優れた特性を示す。

このようなセラミックス銅回路基板１によれば、銅回路板３上に半導体チップを搭載して構成した半導体装置の信頼性を大幅に向上させることができる。そのため、Ｓｉ素子のハイパワー化により動作温度が１７０℃になったとしても、セラミックス銅回路基板１の信頼性を維持することができる。同様に、ＳｉＣ素子のように動作温度が２００〜２５０℃の半導体チップを搭載する場合においても、セラミックス銅回路基板１のＴＣＴ特性を維持することができる。言い換えると、セラミックス銅回路基板１は動作温度が１７０℃以上の半導体チップを搭載する回路基板として有効なものである。

次に、セラミックス銅回路基板１の製造方法について説明する。実施形態のセラミックス銅回路基板１は、前述した構造を有していればよく、その製造方法は特に限定されるものではない。実施形態のセラミックス銅回路基板１を効率よく得るための方法として、以下に示すような製造方法が挙げられる。

まず、セラミックス基板２を用意する。活性金属ろう材ペーストを調製する。活性金属ろう材における活性金属元素、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃの割合は前述した通りである。活性金属ろう材ペーストをセラミックス基板２上に塗布する。活性金属ろう材ペーストの塗布厚は１０〜４０μｍの範囲とすることが好ましい。塗布厚が１０μｍ未満では接合強度が低下するおそれがある。接合層５、６の熱応力緩和層としての機能も低下する。塗布厚が４０μｍを超えるとそれ以上の効果が得られないだけでなく、セラミックス銅回路基板１の製造コストを増加させる要因となる。

次に、活性金属ろう材ペーストの塗付領域上に銅板３を配置する。このとき、セラミックス基板２の裏面にも活性金属ろう材ペーストを塗布し、両面に銅板３、４を配置する。銅板３、４は無酸素銅板であることが好ましい。銅板３、４は予め回路パターン形状に加工したものであってもよいし、セラミックス基板２と同じ縦横サイズのものであってもよい。次いで、加熱してセラミックス基板２と銅板３、４とを接合する。加熱は真空中や窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。加熱条件は７００〜９００℃×１０〜１２０分であることが好ましい。加熱温度が７００℃未満、または加熱時間が１０分未満である場合、活性金属元素とセラミックス基板２との反応相が十分に形成されず、接合強度が低下するおそれがある。加熱温度が９００℃を超える、または加熱時間が１２０分を超えると、銅板３、４に熱変形が加わりすぎて不良の発生原因となる。

銅板３、４は、例えば回路パターンを形成するために、必要に応じてエッチングされる。銅板３、４の端部形状は、予め目的とする形状に端部を加工した銅板３、４をセラミックス基板２に接合することにより得てもよいし、接合後に目的とする形状となるように銅板３、４をエッチングして得てもよい。エッチングを適用する場合、銅板３、４の端部形状はエッチング条件の強弱等により調整することができる。接合層５、６のはみ出し長さＥの調整には、例えば国際公開第２０１１／０３４０７５号パンフレットに示されるようなマスキング等を使用することが有効である。

次に、具体的な実施例とその評価結果について述べる。

（実施例１〜１１、比較例１〜９）
セラミックス基板として、板厚が０．６３５ｍｍの窒化珪素基板（熱伝導率：９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度：７３０ＭＰａ）と、板厚が０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板（熱伝導率：１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度：４００ＭＰａ）と、板厚が０．６３５ｍｍの酸化アルミニウム基板（熱伝導率：１５Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度：５００ＭＰａ）とを用意した。セラミックス基板の形状は縦５０ｍｍ×横３０ｍｍで統一した。

次に、表１に組成を示す活性金属ろう材を調製し、ペースト化してセラミックス基板上に塗布した。活性金属ろう材ペーストの塗布厚は表１に示す通りである。次いで、板厚が０．３ｍｍの銅板（無酸素銅板）を用意した。銅板の形状は縦４５ｍｍ×横２５ｍｍで統一した。実施例１〜９では板厚が０．３ｍｍの銅板を、実施例１０〜１１では板厚が０．５ｍｍの銅板を使用した。印刷された活性金属ろう材ペースト上に銅板を配置した。

銅板を配置したセラミックス基板を、真空中にて８００〜８４０℃×２０〜４０分の条件で加熱することによって、セラミックス基板の両面に銅板を接合した。ＦｅＣｌ_３エッチング液を用いて表面側の銅板をエッチングすることによって、図４に示す２つの回路パターンを形成した。回路パターンは、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍのパターンを、２ｍｍの間隔を開けて２つ形成した構造とした。さらに、エッチング条件を種々変えることによって、銅板の端部を表２に示す条件を満足する形状に加工した。表２に示す銅板の端部形状は、銅回路板および裏側銅板の両方に設けた。

実施例１〜１１および比較例１〜８のセラミックス銅回路基板について、銅板の接合強度、耐電圧不良率、ＴＣＴ特性、画像認識による位置決め精度を調べた。接合強度はピール強度により測定した。耐電圧不良率は、Ｎ＝２０で表裏銅板間に１０ｋＶ×１分間の電圧を印加したときの貫通不良の発生率（％）により評価した。耐電圧不良率は、それが低いほど不良が発生しないことを意味する。

ＴＣＴ特性は、以下に示す３つの条件により評価した。条件１は−４０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分→１２５℃×３０分→室温（２５℃）×１０分を１サイクルとした。条件２は−４０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分→１７５℃×３０分→室温（２５℃）×１０分を１サイクルとした。条件３は−５０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分→２５０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分を１サイクルとした。それぞれ１０００サイクル後におけるセラミックス基板のクラックの有無を健全率η（％）にて調べた。健全率η（％）とは、セラミックス銅回路基板の銅板の接合端周囲に形成されるクラックの割合を調べたものである。銅板の接合端の周囲長を１００％としたとき、クラックが発生しなかった割合を測定する。健全率η（％）が１００％であるということは、クラックが発生したものが無かったことを意味する。健全率η（％）が０％であるということは、全ての銅板の接合端の周囲長にクラックが発生したことを意味する。ＴＣＴは試料数をＮ＝２０とし、健全率η（％）が最も大きな試料の値を示す。

画像認識による位置決め精度については、ボンダー・マウンター装置により目的とする位置に半導体チップが搭載できたか否かで調べた。位置ずれが発生しなかったものを「Ａ」、位置ずれが発生したものを「Ｂ」とした。それらの結果を表３に示す。

表３から分かる通り、実施例のセラミックス銅回路基板は、いずれも優れたＴＣＴ特性を有していた。ボンダー・マウンター装置（ＣＣＤカメラによる画像認識タイプ）による位置ずれも発生しなかった。さらに、銅板の端部形状を改良していることから、銅回路板上の半導体チップの搭載面積を広く確保することができる。

（実施例１２〜１３）
実施例９のセラミックス銅回路基板を実施例１２、実施例９のセラミックス銅回路基板の銅板厚さを０．５ｍｍに変えたものを実施例１３とした。実施例１２および実施例１３のセラミックス銅回路基板について、条件２（１サイクル：−４０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分→１７５℃×３０分→室温（２５℃）×１０分）でＴＣＴを実施し、セラミックス基板にクラックが発生するサイクル数を調べた。その結果を表４に示す。

表４から分かる通り、実施例のセラミックス銅回路基板は、最大温度が１７０℃を超えるＴＣＴに対しても、６０００サイクル以上の耐久性を有している。

（実施例１４〜１８）
セラミックス基板として以下のものを用意した。セラミックス基板１は板厚が０．３２０ｍｍの窒化珪素基板（熱伝導率：９３Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度：７００ＭＰａ）である。セラミックス基板２は板厚が０．３２０ｍｍの窒化珪素基板（熱伝導率：１００Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度：６００ＭＰａ）である。セラミックス基板３は板厚が０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板（熱伝導率：２００Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度：３２０ＭＰａ）である。セラミックス基板４は板厚が０．６３５ｍｍの酸化アルミニウム基板（熱伝導率：１２Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度：４００ＭＰａ）である。なお、セラミックス基板の形状は縦５０ｍｍ×横３０ｍｍで統一した。

次に、表５に組成を示す活性金属ろう材を調製し、ペースト化してセラミックス基板上に印刷して塗布した。縦４５ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの銅板を用意した。活性金属ろう材ペーストの塗布層上に銅板を配置した。銅板を配置したセラミックス基板を、真空中にて８００〜８４０℃×２０〜４０分の条件で加熱することによって、セラミックス基板の両面に銅板を接合した。ＦｅＣｌ_３エッチング液を用いて表面側の銅板をエッチングして、図４に示す２つの回路パターンを形成した。回路パターンは、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍのパターンを、２ｍｍの間隔を開けて２つ形成した構造とした。次いで、エッチング条件を種々変えることによって、銅板の端部を表６に示す条件を満足する形状に加工した。表６に示す銅板の端部形状は、銅回路板および裏側銅板の両方に設けた。

実施例１４〜１８のセラミックス銅回路基板について、実施例１と同様の方法により、接合強度、耐電圧不良率、ＴＣＴ特性（条件１、条件２、条件３）、位置決め精度を測定した。それらの結果を表７に示す。表７から分かるように、実施例のセラミックス銅回路基板はいずれも優れた特性を有していることが確認された。

次に、条件２（１サイクル：−４０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分→１７５℃×３０分→室温（２５℃）×１０分）のＴＣＴを実施し、セラミックス基板にクラックが発生するサイクル数を調べた。その結果を表８に示す。

表８から分かる通り、窒化珪素基板を使用した実施例１４〜１６はいずれも５０００サイクル以上の耐久性を有していた。窒化アルミニウム基板を使用した実施例１７と酸化アルミニウム基板を使用した実施例１８の耐久性は１４００〜１５００サイクル程度であり、実施例１４〜１６に比べて劣っていたものの、従来の窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板を使用したセラミックス銅回路基板に比べて、優れたＴＣＴ特性を有することが確認された。実施例１４〜１８の結果から、窒化珪素基板を使用することによって、セラミックス銅回路基板のＴＣＴ特性がより一層向上することが分かる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (11)

1. セラミックス銅回路基板と、動作温度が１７０℃以上の半導体素子を有する半導体チップと、を具備する半導体装置であって、
   前記セラミックス銅回路基板は、
   ６００ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有する窒化珪素基板からなり且つ第１の面と第２の面とを有するセラミックス基板と、
   Ａｇと、Ｃｕと、ＳｎまたはＩｎと、Ｔｉと、を含有する第１の接合層を介して、前記セラミックス基板の第１の面に接合された第１の銅板と、
   Ａｇと、Ｃｕと、ＳｎまたはＩｎと、Ｔｉと、を含有する第２の接合層を介して、前記セラミックス基板の第２の面に接合された第２の銅板と、を具備し、
   前記半導体チップは、前記第１の銅板上に搭載され、
   前記第１および第２の銅板の端部の断面において、前記銅板と前記セラミックス基板との接合端を点Ａ、前記点Ａから前記銅板の上面の内側に向けて前記銅板と前記セラミックス基板との界面と４５°となる方向に引いた直線と前記銅板上面とが交わる点を点Ｂ、前記点Ａと前記点Ｂとを結ぶ直線ＡＢより前記銅板の外側方向に向けてはみ出す断面の面積を面積Ｃ、前記直線ＡＢを斜辺とする直角三角形に相当する断面の面積を面積Ｄとしたとき、前記第１および第２の銅板の端部は前記面積Ｄに対する前記面積Ｃの割合（Ｃ／Ｄ）が０．２以上０．６以下の範囲である形状を有し、
   前記面積Ｃの角部に相当する前記第１および第２の銅板の前記上面の端部には、それぞれＲ部が設けられており、かつ前記Ｒ部の前記第１および第２の銅板の上方から見た長さＦが１０μｍ以上５０μｍ以下であり、
   前記第１および第２の接合層の端部は、それぞれ前記第１および第２の銅板の端部からはみ出しており、前記第１および第２の接合層の端部の前記第１および第２の銅板の端部からのはみ出し長さＥが１０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲であり、
   前記第１および第２の銅板の接合強度が１６ｋＮ／ｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記面積Ｄに対する前記面積Ｃの割合（Ｃ／Ｄ）が０．３以上０．５以下の範囲である請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記はみ出し部長さＥが１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲である請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第１および第２の接合層の１０ｍｍ^２の形成面積当たりにおける前記Ｔｉの含有量が０．５ｍｇ以上０．８ｍｇ以下の範囲である、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記セラミックス基板の厚さが０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲である、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記第１および第２の銅板の厚さがそれぞれ０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲である、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記セラミックス銅回路基板に対して最大温度が１７０℃以上の熱サイクル試験を１０００サイクル実施したときに、前記セラミックス基板にクラックが生じない、請求項１ないし請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記熱サイクル試験は、−４０℃×３０分→室温（２５℃）×１０分→１７５℃×３０分→室温（２５℃）×１０分を１サイクルとして実施される、請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記半導体素子はＳｉＣ素子である、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 前記第１および第２の接合層は、５０質量％以上の前記Ａｇと、１５質量％以上の前記Ｃｕと、１０質量％以上の前記ＳｎまたはＩｎと、４質量％以上の前記Ｔｉと、を合計１００質量％以下になるように含有する、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の半導体装置。
11. 前記第１および第２の接合層は、５０質量％以上の前記Ａｇと、１５質量％以上の前記Ｃｕと、１０質量％以上の前記ＳｎまたはＩｎと、４質量％以上の前記Ｔｉと、１質量％以上のＣと、を合計１００質量％以下になるように含有する、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の半導体装置。

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