TW569412B - Composite material member for semiconductor device and insulated and non-insulated semiconductor devices using composite material member - Google Patents

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TW569412B
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semiconductor device
layer
copper
insulated
substrate
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TW091104488A
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Yasutoshi Kurihara
Yasuo Kondo
Takumi Ueno
Toshiaki Morita
Kenji Koyama
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Hitachi Ltd
Hitachi Cable
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Description

569412 A7 _____________B7 五、發明説明（） [發明領域] 本發明關係於用於半導體裝置的複合材料件及使用該 複合材料件的絕緣及非絕緣半導體裝置。 [發明背景] 傳統上，支撐一半導體裝置基材的材料件經常同時也作 爲用於一非絕緣半導體裝置的電極。於具有以p b _ § η焊材 將功率電晶體晶片固態地女裝於銅基板上的功率電晶體裝 置中，銅基板（金屬支撐件）作爲電晶體的集極電及一支撐 件。此半導體裝置允許少數或更大安培的集極電極通過，使 得此電晶體晶片產生熱量。爲了防止由此生熱所造成之特 性不穩定及壽命上之降低，銅基板同時也作爲散熱裝置。另 外，當具有抗壓及加強高頻適應性之半導體晶片藉由焊接直 接安裝於銅基板上，以使得大量之電流可以通過於其間時，銅 基板的角色即大大地重要，不只因爲其作爲散熱的中間件，同 時，其也提供了焊接安裝的高度可靠性。 另外，於一絕緣半導體裝置中，所有半導體裝置的電極均 與金屬支撐件絕緣，藉以於半導體裝置之電路應用的自由度 也可以增加，則所有電極係以絕緣件絕緣開所有包裝件，其包 含金屬支撐件並被拉至外側。因此，即使當一對主電極係與 電路上之接地電位隔離，該包裝可以被固定至接地電位部份， 而無關於電極電位，因此，使得其容易實施該半導體裝置。 同時，於一絕緣半導體裝置中，有必要將於半導體裝置操 作中所產生之熱，有效地發散熱量至包裝的外部，用以安全及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210'〆297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 衣· 訂 經濟部智慧財產¾員工消費合作社印製 -4 - 569412 A7 B7 五、發明説明（\ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 穩定地操作該半導體元件。此熱的發散通常係藉由將熱由 一半導體元件基材傳送熱量至大氣，該元件基材係爲經由黏 結至其上之每一元件所產生之熱來源。於此熱傳送路徑中， 該絕緣半導體裝置包含一絕緣器、用於將半導體基材黏著 至此部份中之黏著層，等等，及一金屬支撐件。 另外，爲含半導體裝置之電路所需之電功率數量愈大，或 所需可靠度（隨時間、濕阻、熱阻等之穩定度）愈大，則需要 愈完整之絕緣品質。除了當半導體的室溫由於外部因素而 造成之熱阻增加，於此所述之熱阻包含當大量電功率爲半導 體裝置所需要時之熱阻，及產生於半導體裝置中之熱數量增 加。 經濟部智慧財產局a(工消費合作社印製 另一方面，絕緣半導體裝置大致加入有某一包含半導體 元件基材的積體電子電路，因此，有必要於電路的至少一部份 與支撐件作電氣絕緣。例如，於1989年電機材料第65至69 頁之”通訊用之半導體/DBS基材”第一先前技藝中，其顯示一 功率模組裝置，其中一具有Si晶片安裝於一 A1N陶瓷基材上， 具有銅板黏結至兩面（此後稱銅鍍層A1N基材）係藉由以焊錫 焊接黏著至銅支撐件。 於上述第一先前技藝中，銅鍍層A1N基材具有比A1N特 性，例如高導熱性（190W/m.K)，低熱膨脹率（4.3ppm/°C )及高絕 緣品質（1015 Ω .cm)配合上比銅特性，例如高導熱性 (403W/m.K)及高導電性（1.7χ1 (Τ6Ω .cm),並爲一有效以藉由焊 接直接安裝一電功率半導體元件基材的成份（Si:3.5PPM/°C )， 其中電流密度很高及大量之熱係被產生，以取得具有優良散 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X297公釐） -5- 569412 A7 B7 五、發明説明（j 熱品質及可靠性之模組。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 一般而言，銅鍍層A1N基材扮演著使一銅支撐件與一藉 焊接安裝於其上之半導體元件基材或形成於其上之電子電 路間作電氣絕緣的角色，其同時也藉由自半導體基材形成一 熱流路徑至一冷卸鰭片，以加強其散熱作用。另外，以銅鍍層 A1N基材，一小熱膨脹之半導體基材可以直接安裝於銅鍍層 A1N基材上，而不必使用一特定熱膨脹控制材料（例如Mo及 W)，因而可能降低功率模組裝置之元件數量及積體製程的次 數。 於日本特開平8-111503之第二先前技藝中，揭示半導體 電流控制裝置，其中，一具有Si矽安裝於一銅鍍層A1N基材 之組件係藉由一焊錫焊接至一由Mo構成之支撐件上。於此 先前技藝中，因爲銅鍍層A1N基材係藉由焊接在一 Mo支撐 件上，該支撐件之熱膨脹率（5.1ppm/°C )係大致相等於A1N基 材，所以於這些構件間之接點相當地可靠，並能有效地防止散 熱品質的劣化。 經濟部智慧財產局：貝工消費合作社印製 於日本特公平7-26174之第三先前技藝中，一半導體模 組裝置中，一具有閘流體晶片安裝於一氧化鋁基材上之組件 係安裝於一由複合材料構成之支撐件上，該複合材料具有 SiC陶瓷粉末分散於A1或A1合金（此後稱Al/SiC複合材料） 中。於此先前技藝中，因爲氧化鋁基材係安裝於Al/SiC複合 材料支撐件上，其熱膨脹率（2.13ppm/°C )係大約相同於氧化銘 基材者（7.5ppm/°C )，所以於這些構件間之接點相當地可靠，並 能有效地防止散熱品質的劣化。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X：Z97公釐) 一 -6 - 569412 A7 B7 五、發明説明（j 於曰本特開平9-17908之第四先前技藝中，揭示一半導 體裝置，其中一具有Si晶片之組件，晶片係藉由焊接安裝在 銅鍍層A1N基材，該組件係藉由以焊錫焊接至一由複合材料 作成之支撐件上，該複合材料係爲平坦並具有Cu層（導熱度 403W/m.K，熱膨脹率：16.7ppm/t )及鎳鋼（Fe-36wt%鎳，導熱度 15〜/111.1熱膨脹率1.5??111/1)，交替地沉積於其主面上，以形 成一帶狀圖案（以此稱爲帶狀複合材料）。於此先前技藝中， 因爲銅鍍層A1N基材係藉由焊錫焊接在一帶狀複合材料支 撐件上，其熱膨脹率（6.1至9.2ppm/°C)大約與銅鍍層A1N基 材相同，所以於這些材料間之焊接點相當可靠，並能有效地防 止散熱品質的劣化。 於1993年四月之日立電線有限公司之型錄”用於半導體 基材之鍍材CIC”第五先前技藝中，揭示了一用於半導體基材 的功率電晶體的散熱器材料，該半導體基材由一複合材料作 成，具有兩面之鎳鋼層被鍍以銅層（於此稱爲鍍材，4.0至 10.6ppm/°C )。於此先前技藝中，鍍材可以被用作爲一構件，支 撐一具有晶片藉由焊錫安裝於其上之銅鍍A1N基材。同時， 因爲銅鍍層A1N基材之熱膨脹率配合鍍層支擦件者，所以於 這些材料間之焊接點係高度可靠並能有效地防止散熱品質 的劣化。 另一方面，即使於一絕緣半導體裝置中，如上所述之如同 銅鍍層A1N基材的陶瓷絕緣基材並未被使用，一包含半導體 基材的電路係提供於該支撐件上，因此，有必要該電路係與支 撐件電氣隔絕。例如，於1983年之由風見明所述於工業材料 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） IJ.4 — ^---0^-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 • Ki. -7- 569412 A7 B7 五、發明説明（g (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 之” MIST基材的第六先前技藝中，揭示有用於混合積體電路 裝置之基材，其中經過一環氧樹指爲主絕緣層（28微米）形成 有一銅箔（35微米）於鋁板（1至2mm)之一面上，其兩面上均形 成有防蝕鋁（14至30微米）。另外，一混合積體電路裝置係被 揭示，其中一功率半導體元件及一被動元件係释焊錫焊於一 用於具上述銅箔選擇蝕刻以提供電路配線的混合積體電路 裝置的基材上。 於1992年之由阪本所發行於IMC1992發表面之”用於 鋁爲主IMST基材的焊接點可靠度的改良”之第七先前技藝 中，揭示有一混合1C裝置，其中功率電晶體元件及陶瓷電容 及晶片電阻係安裝於用於混合積體電路的基材上，以一 Pb-60wt%Sn爲主之焊錫進行，這些所安裝元件係爲以環氧樹脂 加以模密封，該環氧樹脂具有等於鋁的熱膨脹率（25ppm/ °C )。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 基於上述第六及第七先前技藝的混合積體電路裝置及 混合1C裝置可以具有一簡單實施結構，因爲該半導體元件基 材可以以焊錫直接安裝在用於混合積體電路裝置的基材上， 其中所產生之熱的數量及半導體元件基材的大小並不太 大。 一般而W，半導體元件基材係以一焊錫結合至一安裝件 上，焊錫的熔點係相當地低。例如，於日本特開平4 - 4 9 6 3 0的 第八先前技藝中，揭示一 Sn-Sb爲主合金焊錫，其係爲用於半 導體裝置組件的合金焊錫，其包含Ni、Cu及P。於此時，可 以說是焊錫本身的機械強度係爲加入Sb至Sn而加強，以防 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS ) A4規格（210X297公釐）' --- -8- 569412 A7 B7 五、發明説明（g 止一 Ni-Sn或Cu-Sn之金屬間化合物形成於焊錫及結合件表 面間的界面中，因此，有可能改良半導體裝置的可靠性。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 於日本特公平3-3937之第九先前技藝中，揭示有一半導 體裝置，其中一半導體元件係附著至一安裝件，其藉由以一焊 錫焊接而支撐該元件，其中焊錫係由87至92.4wt%錫、7.0 至10wt%之銻及0.6至3.0wt%之鎳。依據本技術，焊錫的機 械強度被加強及銅錫合金的形成被抑制造成了高可靠度之 半導體裝置。 具有基於第八及第九先前技藝之使用焊錫，以將電路元 件安裝於絕緣或非絕緣半導體裝置可以爲近年來之環保裝 置，即，建立無鉛焊接。 [發明槪要] 經濟部智慈財產局K工消費合作社印製 本發明之目的係解決上述問題及提供一用於半導體裝 置的複合材料，以有效於取得半導體裝置，其係能免除發生於 生產或操作時之熱應力或熱應變，以使每一元件不會變形，再 生及破裂，並且能高度可靠及便宜，及使用該複合材料件的絕 緣及非絕緣半導體裝置。 當產生於半導體裝置之熱的數量很小所需之可靠度不 是如此高時，任一材料均可以使用作爲一構成該裝置的構 件。當所產生之熱數量很大及需要高可靠度時，予以應用之 構件應加以選擇。 一般而言，於絕緣半導體裝置中，一有藉由焊錫焊接矽晶 片於其上之銅鑛層A1N基材係被附著至銅支撐件，以類似於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X 297公釐） -9- 569412 A7 B7 五、發明説明（) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第一先前技藝的方式加以進行。於此，使用高導熱性之銅板 作爲支撐件的理由是該板係用以在由銅鍍層A1N基材傳送 熱流量時膨脹，以加強散熱效率。 於此時，基於焊錫層的破壞、熱通路的截斷及絕緣基材 的破壞傾向於由於銅支撐件及銅鍍層A1N基材間之大量熱 膨脹率差而發生。明確地說： 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 (1) 因爲銅鍍層基材的熱膨脹與銅支撐件者不同，所以殘 留熱應力及熱應變產生於主體中，銅鍍層A1N基材及銅撐件 係結合於其中。當銅鍍層A1N基材係以Pb-60wt%Sn之焊， 錫以焊接附著至銅支撐件時，它們受到熱處理，其中它們被力口 熱至焊錫的熔點以上之溫度，然後，冷卻至室溫。於此時，每 一構件係依據每一構件的熱膨脹率加以收縮，每一構件係彼 此於焊錫的冰點加以固定，及於結合區域中仍保留有熱應力 及熱應變及變形發生。一般而言，電功率半導體基材具有大 尺寸，及功率模組裝置具有增加之絕緣基材及焊接部面積，因 爲多數半導體基材及其他元件也同時安裝於其上。因此，上 述殘留熱應力及熱應變也很大，及每一構件的變形被加速。 模組裝置係重覆地於操作時受到熱應力，若熱應力係組合以 上述殘留熱應力或熱應變，則由於焊錫層之疲勞破裂，熱通路 將被截斷，及於本質上很弱之絕緣基材將被破壞。此等事件 阻礙了模組裝置的正常操作，及絕緣基材的破壞可能造成安 全上之問題。 (2) 因爲銅鍍層A1N基材的熱膨脹率係不同於銅支撐件 者，所以於銅鍍層A1N基材及銅支撐件所結合主體中發生彎 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐)~ ' •10- 569412 A7 B7 五、發明説明（g (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 曲。若於模組裝置中發生彎曲，則導熱油脂並不能於裝置附 著至冷卻鰭片時均勻地裝載。結果，於銅支撐件及冷卻鰭片 間之熱嚙合並不能適當地完成，及散熱品質劣化，因而，使其 難以進行模組裝置的正常操作。另外，當模組裝置被安裝在 冷卻鰭片時，絕緣基材的損壞將由於其他外來應力的施加而 加速。 上述（1)及（2)的問題可以藉由如同第二至第五先前技藝 般地選擇熱膨脹率配合銅鍍層A1N基材之支撐件加以解 決。然而，當這些支撐件被應用時，發生了於第一先前技藝中 未見的新問題。β卩，這些問題係有關於備製構件及將支撐件 加入半導體裝置的問題、一有關散熱問題及一有關成本的 問題。明確地說： (a) Mo支撐件（第二先前技藝）
Mo材係爲稀有金屬，其基本上很貴。另外，金屬具有高 熔點，並且很硬，因而使其幾乎不能機械處理。因此，不可能 取得Mo錠並能在低成本下取得一想要形狀/尺寸。 (b) Al/SiC複合材料支撐件（第三先前技藝） 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 此支撐件具有SiC粉末分佈於具有A1作爲主成份之基 質材料中，其係藉由將由SiC陶瓷粉末作成之多孔預型浸漬 於具有主要爲A1之液體金屬。爲了焊接此構件至銅鍍層 A1N基材，該ΑΙΝ/SiC複合材料之表面必須受到金屬化處理， 其完成與焊錫之冶金嚙合。當例如功率模組裝置的支撐件 的大尺寸構件時，平坦及具有高尺寸正確性的複合材料幾乎 無法取得。因此，複合材料係於機械表面處理後，受到例如N i 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 569412 A7 ____ B7_ 五、發明説明（3 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 電鍍的金屬化處理，以取得一想要之形狀及大小。於此 時，SiC粒子及A1區域係曝露受到機械處理的表面。鍍Ni 層幾乎不沉澱於SiC粒子的表面，或者，即使其沉澱的話，也 並未強烈地結合至表面，。此方面可以被稱爲有關於構件備 製的問題。 因此，例如剝離及氣泡的不想要現象可能發生於SiC及 鍍鎳表面間的界面中，於以焊錫開始之後續熱處理。此方面 開始一不想要結果，以確保散熱品質及半導體裝置中之焊接 點的可靠性。此方面具有一相關於元件加入半導體裝置的 問題。 因此，除了複合材料的備製困難外，所得半導體裝置的效 率及良率被負面影響，因此，於經濟上的缺點並不能被忽略。 (c)剝離複合材料支撐件（第四先前技藝） 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 此複合材料可以提供一相當良好的散熱，在於一剝離銅 層持續地由銅鍍層A1N基材延伸，作爲熱至支撐件後面的入 口，該後面係爲熱的出口。然而，爲了取得一想要形狀及大小， 複合材料應受到機械處理（例如滾軌）。於此時，很可能銅層 及鎳鋼層交換及正常配合的剝離結構損失其形狀，及於銅層 及鎳鋼排列的正常性遺失，造成一隨機圖案。此方面提出一 有關於構件備製的問題。 另外，剝離複合材料的特性取決於其係於剝離方向或垂 直方向而加以改變。更明確地說，當銅鍍層A1N基材被以焊 錫焊接時，於熱膨脹率之變化可能造成單體的彎曲。此彎曲 甚至延伸至A1N基材，造成於A1N本身的破裂，及半導體裝置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12- 569412 A7 、 B7 五、發明説明（)〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 絕緣品質的劣化。另外，當半導體裝置被螺旋入冷卻鰭片時， 產生了更大之應力。這同時也使得A1N基材破裂及絕緣品 質劣化。這些方面提出有關加元件進入半導體裝置的問 題。 因此，於此例子中，除了備製複合材料困難外，所得半導 體裝置的效率及良率也被負面影響，形成成本高缺點。 (d)被覆材料（第五先前技藝） 被覆材料包含銅層安排於鎳鋼層的兩，以保持此複合材 料平坦，及在兩面上之銅層必須具有相同厚度。然而，於厚度 上之不平衡將使得其不可能取得一平坦支撐件，即使該不平 衡很小。此方面提出有關構件備製的問題。 此缺陷可以造成當銅鍍層A1N基材被焊接時之主體的 彎曲，如同於剝離複合材料時一樣。這造成A1N基材的破裂， 另外，也造成了當半導體裝置被螺旋入冷卻體時，A1N基材的 破裂及絕緣品質的劣化。這些方面提出有關加入元件至半 導體裝置時的問題。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另外，對於被覆材料，於兩側上之銅層係彼此分隔開該中 心鎳鋼層。該鎳鋼層的導熱度係很小（15W/m.K)，因此，此層 作用以阻礙熱由銅鍍層A1N基材的熱流的傳遞至支撐件的 ’後面。此方面同時也提出一有關將元件加入半導體裝置的 缺點。 當於基於第六及第七先前技藝之混合積體電路裝置及 混合1C裝置（以下稱絕緣半導體裝置）時，一小熱膨脹率的安 裝元件，例如一半導體元件基材（3.5ppm/°C (Si))係藉由以Pb- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21 OX297公釐） ~ — -13 - 569412 A7 _____ B7_ 五、發明説明（^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
Sn爲主焊錫以焊接方式被固定至大熱膨脹率（A1:23PPM/t ) 之電路基材。焊接部份於固定安裝元件至基材上之預定位 置扮演著一重要角色，並作爲於半導體裝置中之配線及散熱 路徑。然而，上述半導體裝置係重覆地受到於操作時及懸掛 時所帶來之熱應力，最後，焊接部份受到熱疲勞破裂。更明確 地說，若需要樹脂模密封時，樹脂的熱膨脹並未適當地調整用 於混合積體電路，則過量之殘留應力將存在於兩構件間之界 面中。若應力係組合上於半導體裝置操作時的熱應力，則焊 接部份的熱疲勞破裂係進一步加速。若上述熱疲勞破裂繼 續，則負面影響將帶來例如散熱路徑的斷開及截斷。結果，半 導體裝置將損失其電路功能。因此，有關基於第六及第七先 前技藝的半導體裝置的第一問題是需要一種機構，用以免除 於半導體元件基材及電路基材間之熱膨脹率中之差的過量 應力。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 當所產生於半導體裝置中之熱數量很小及所需可靠度 並不太高時，則半導體基材可以安排於任一電路基材。若所 產生熱數量大及需要高可靠度時，半導體基材所需要被安裝 的結構部份應適當地選擇。基於第六及第七先前技藝之電 路基材具有一剖面結構，其中銅箔配線係形成經過一環氧絕 緣<層，而形成於一鋁板上。當作爲熱源之半導體基材以焊接 直接安裝於上述電路基材上時，來自半導體基材的熱係經由 一焊接層、銅箔配線層、環氧絕緣層及鋁板依序通過傳送 至外側。此安裝結構的散熱品質並不太高。這是因爲小熱 膨脹率之環氧絕緣層存在於散熱通道中。若散熱品質不足， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) -14 _ 569412 A7 _B7 五、發明説明（^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 則於操作時，半導體基材的溫度進一步增加，以允許發生熱脫 逃，使得例如電路功能作爲一半導體裝置損失、半導體基材 本身破裂、電路斷路及短路，及環氧絕緣層的絕緣品質劣 化。因此，有關基於第六及第七先前技藝之第二問題是需要 一機構，用以於半導體元件基材及電路基材間之散熱通道中 之熱傳遞。 用於本發明之半導體裝置的複合材料件以取得上述目 標係特徵在於一具有氧化亞銅粒子分佈於銅基質中之複合 金屬板，其中複合金屬板的表面係被覆蓋以一金屬層，及一具 有厚度0.5微米或更之銅層存在於由複合金屬板及金屬層所 形成之界面中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明之取得上述目的的絕緣半導體裝置係特徵在於 一具有半導體基材經由一絕緣件安裝於一支撐件上之半導 體裝置，或者，一半導體裝置具有一半導體基材經由一絕緣件 及一中間金屬件而安裝至一支撐件上，其中該半導體裝置包 含一複合材料件，其中至少支撐件及中間金屬件之至少之一 係爲一複合金屬板，具有由氧化亞銅構成之粒子分佈於銅基 質中，複合金屬板的表面係被覆蓋以一金屬曾，及一厚0.5微 米或更厚之銅層係存在於由複合金屬板及金屬層所形成之 界面中。 本發明之取得上述目的的非絕緣半導體裝置之特徵在 於一具有一半導體基材直接安裝於一支撐件上之半導體裝 置或經由一中間金屬件安裝於一支撐件上，其中，半導體裝置 包含一複合材料件，其中，支撐件及中間金屬件之至少之一係 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15- 569412 A7 B7 五、發明説明（ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 爲一複合金屬板，具有由氧化~亞銅構成之粒子分佈於一銅基 質中，複合金屬板的表面係被覆蓋以一金屬層，及一具〇.5微 米或更大之銅層係存在於由複合金屬板及金屬層所形成之 界面中。 用於半導體裝置之複合材料件的主要特性是複合金屬 板的表面，具有由氧化亞銅粒子分佈於銅基質中，表面係被覆 盡以一金屬層，及一具有厚度0.5微米或更大之銅層係存在 於由複合金屬板及金屬層所形成之界面中。另外，於絕緣半 導體裝置或非絕緣半導體裝置中之主要特性是支撐件及中 間金屬件之至少之一包含一複合材料件，其中一複合金屬板 之表面具有由氧化亞銅所構成之粒子分佈於銅基質中，表面 並被覆蓋以金屬層，及一具有厚度0.5微米或更大之銅層係 存在於由複合金屬板及金屬層所形成之界面中。 基於此等特性，有想要確保用於絕緣或非絕緣半導體裝 置的一強烈連結性，維持散熱品質及可靠度等等。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 依據本發明，一用於半導體裝置的複合材料件，有效以取 得一半導體裝置，免除了發生於生產或操作時之熱應力或熱 應變，並且，不會變形及每一構件不會劣化及破裂，並且爲高 可靠度及便宜的，使用複合材料件之絕緣及非絕緣半導體裝 置。 本發明之其他目的、特性及優點將由以下之本發明之 實施例的說明配合上附圖加以了解。 [圖式簡要說明] 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -16- 569412 A7 B7 五、發明説明（ 第1圖爲用於本發明之半導體裝置的複合材料件的剖 面圖； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第2圖爲複合材料的複合與導熱率間之關係圖； 第3圖爲複合材料之複合與熱膨脹率間之關係圖； 第4A圖爲於複合材料件之基質及鍍鎳層間之熱處理前 的一SEM分析剖面圖表； 第4B圖爲於複合材料件之基質及鍍鎳層間之熱處理後 的一 SEM分析剖面圖表； 、 第5圖爲一圖表，顯示由還原處理所產生之銅層的厚度 與鍍鎳層厚度間之關係； 第6圖爲一圖表，顯示於所產生銅層之厚度與結合強度 間之關係； 第7圖爲一圖表，顯示於鍍鎳層之厚度與結合強度間之 關係； 第8圖爲一立體圖，顯示本發明之絕緣半導體裝置的主 要部份； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第9A至9C圖爲平面及剖面圖，顯示陶瓷絕緣基材的細 節； 第10A至10C圖爲平面及剖面圖，顯示絕緣半導體裝置 結構的細節； 第11圖爲一絕緣半導體裝置的電路； 第12圖爲加入絕緣半導體裝置的變頻器裝置的電路； 第13圖爲一圖表，顯示絕緣半導體裝置的熱阻與支撐件 的導熱率間之關係； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17- 569412 A7 _B7_ 五、發明説明（)5 ' 第14圖爲一圖表，顯示於、熱循環測試中之絕緣半導體裝 置之熱阻之轉移； (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第15圖爲一圖表，顯示於熱循環壽命中之支撐件的熱膨 脹的作用； 第16圖爲一圖表，顯示用以安裝陶瓷絕緣基材之焊錫層 中之應變與熱膨脹率間之關係； 第17圖爲一圖表，顯示爲間歇性電流應用測試之熱阻的 轉移； 第1 8圖爲一圖表，顯示由間歇電流應用測試之電極及支 撐件間之電暈放電啓始電壓的轉移； 第19A至19C圖爲平面及剖面圖及電路圖，顯不本發明 之一實施例之絕緣半導體裝置； 第20圖爲一圖表，顯示絕緣半導體裝置的過熱電阻特性； 第21圖爲熱循環測試之絕緣半導體裝置的熱阻轉移； 第22圖爲一具有MOS FET元件基材固定至其上之焊接 層中之熱應變的圖； ' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第23圖爲一圖表，顯示於熱循環測試時之MOS FET元 件基材之焊接部份之焊錫層的破裂壽命的威伯爾分佈； 第24圖爲一圖表，顯示於熱循環測試時之M〇S FET元 件基材之焊接部份的3 σ位準壽命； 第25圖爲一圖表，顯示當電源施加至絕緣半導體裝置時， 半導體元件基材的溫度上升； 第26圖爲加入絕緣半導體裝置之電功率設備的方塊圖； 第27Α及27Β圖爲絕緣半導體裝置之實施例的立體及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -18- 569412 A7 B7 五、發明説明（& 剖面圖； (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第28圖爲一圖表，顯示於靡循環測試時之半導體裝置的 熱阻的轉移； 第29圖爲絕緣半導體裝置之電路裝置； 第30圖爲絕緣半導體裝置的剖面圖； 第3 1圖爲一圖表，顯示熱循環測試之絕緣半導體裝置的 熱阻的轉移； 第32圖爲絕緣半導體裝置的電路； 第33圖爲加入有絕緣半導體裝置之電子裝置作爲直流/ 直流轉換器的方塊圖； 第34A及34B圖爲具有半導體元件基材直接安裝於支 撐件上之非絕緣半導體裝的立體圖及剖面圖； 第35圖爲具有以複合材料電極加以加壓焊接之半導體 元件基材的非絕緣半導體裝置的剖面圖； 第36圖爲絕緣半導體裝置的剖面圖； 第37圖爲絕緣半導體裝置的放大電路方塊圖； 第38圖爲絕緣半導體裝置的電路方塊圖； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第39圖爲使用絕緣半導體裝置的行動電話的電路方塊 圖； 第40圖爲電源之非絕緣半導體裝置的剖面圖； 第41圖爲一小模型非絕緣半導體裝置的剖面圖； 第42圖爲具有雷射二極體安裝於其上之非絕緣半導體 裝置的剖面圖； 第43 A-43C圖爲具有非絕緣半導體裝置安置於其上之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -19- 569412 A7 B7 五、發明説明（)7 全波整流器； (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第44圖爲具有樹脂模施加於其上之絕緣半導體裝置的 剖面圖； 第45圖爲具有樹脂模施加於其上之非絕緣半導體裝置 的剖面圖；及 第46圖爲具有1C晶片基材包含針格式陣列構裝之非 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 絕緣半導體裝置的剖面圖 元件對照表 125 半導體裝置 125A 基質材料 125B 粒子 125， 基質材料 125C 金屬層 125D 界面層 122 絕緣基材 900 半導體裝置 125E 附著孔 13a-d 銅板 130a-d 焊錫 12 燒結材料 101 基材 20 樹脂外殻 117 細線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（21〇><297公釐） -20- 569412 A7 B7 五、發明説明（& 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 21 環氧樹脂蓋 22 膠樹脂 124 焊錫 113 焊錫 30 主終端 31 輔助終端 34 熱敏元件 35 黏著樹脂 25 空腔 30， 孔 910 方塊 960 馬達 40 金屬件 2 電路板 203 銅配線層 201 鋁板 202 絕緣層 112 晶片電阻 30a 閘終端 30b 汲極終端 22a 膠樹脂 22 模樹脂 16 1C晶片基材 17 電容晶片 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -21 - 569412 A7 B7 五、發明説明（h 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 18 齊納二極體晶片 15 厚膜電阻 10 控制電路 5 氧化鋁基材 101 IGBT元件基材 210 金屬板 81 變壓器 82 整流電路 83 平滑及控制電路 84 電源 85 電池 86 負載電路 90 直流直流轉換裝置 222 玻璃套管 203， 電極層 901 方塊 501 發射器 500 混波器 900 半導體裝置 502 天線共享裝置 40A，B 緩衝板 40a,b 後電極 60 閘極接線 61 絕緣器 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><297公釐） -22- 569412 A7 B7 五、發明説明（如 600 閘極電極 601 壓合機構 650 絕緣體 660A，B 凸緣 7 接線 770,771 焊錫 950 整流裝置 217 墊 218 固定件 215 金屬終端 216 焊錫 5 封裝件 71 金屬接腳 72 科伐鐵鎳銘合金板 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) [較佳實施例說明] 本發明將藉以下實施例加以詳細說明。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 [實施例1] 於此實施例中，一用於半導體裝置的複合材h / 竹枓件將加以 說明。 對於本發明之半導體裝置125之複合材料件中之基質 材料125A，銅（Cu，導熱度：403W/m.K，熱膨脹率：16.7ppm/°c )被 選出，因爲其高導熱率之故。此特性的重點在於一由半導體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )· A4規格（210X297公釐） -23- 569412 A7 _________B7 五、發明説明（^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 基材發射之熱流係有效地經由基質區域放射至外側。然而， 銅的大熱膨脹率有一缺點，與具有小熱膨脹率之週邊元件有 整合上的問題。 另一方面，對於予以分佈於基質材料丨25中之粒子125B， 氧化亞銅（CinO,導熱度6.6W/m.K，熱膨脹率2.7ppm/°C)係被 選出，因爲其小熱膨脹率之故。氧化亞銅粒子125B係可操作 以抑制上述複合材料件1 25的視在熱膨脹率的成長，但其缺 點爲降低了複合材料件1 25的視在導熱度。 經濟部智慈財產局員工消費合作杜印製 銅基質125A及氧化亞銅粒子125B —起存在之上述複 合材料件125係彼此互補個別構件的缺點。於本發明中之 半導體裝置125的複合材料件的基質材料125,具有一基本 結構，其中氧化亞銅粒子125B係分佈於銅基質125A之中，如 於第1圖之剖面所示。於此時，用於半導體裝置丨25的複合 材料件的特性質（熱膨脹率及導熱度）具有於銅基質i25A之 値及氧化亞銅125B之値間之中間値（導熱度：i5〇W/m.K，熱膨 脹率10.5ppm/°C，組合物：Cu-50體積Cu2〇)。第2圖顯示一圖 表，顯示複合材料件之組成及導熱度間之關係，及第3圖顯示 於複合材料件之組成及熱膨脹率間之關係。其顯示複合材 料件125的導熱度及熱膨脹率均於氧化亞銅125B的含量增 加時降低。參考這些圖，對於具有Cu-50體積％Cu2〇之複合 材料件，約10. Op pm/°C之熱膨脹率可以接近於半導體基材的 熱膨脹率（Si:3.5ppm/°C )及銅鍍層A1N基材的熱膨脹率 (4.3ppm/°C )，而其140W/m.K之導熱度及優良散熱品質被保 持。於此實施例中之複合材料件需要能穩固及可靠地結合， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -24 - 569412 A7 ___B7 五、發明説明（^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 不只是至一例如半導體元件基材及陶瓷基材的小熱膨脹率 之材料，同時，也要對例如Cu材料及Ai材料之大熱膨脹率之 材料也是一樣。以此觀點所選出之複合材料件的熱膨脹率 爲7至12.5ppm/°C。另外，於此實施例中，複合材料係被放置 於由半導體元件基材所釋放之熱的消散路徑中，並擔當熱傳 遞的角色。由此觀點，複合材料件的導熱度係想要儘可能地 高，但於實際上可能70W/m.K或更高。參考第2及3圖，提供 7至12.5 ppm/°C之熱膨脹率及7 OW/m.K或更高之導熱度的複 合材料件爲Cu-(24至70)體積％(：112〇。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 被分散的氧化亞銅粒子125B係隨機放置，及氧化亞銅粒 子125B之體積濃度與其相同無關被取樣的部份只要整個複 合材料件125’係巨觀。於此態樣中，可以了解的是複合材料 件1 25的特性，特別是熱膨脹率及導熱度係基本上等向性 的。然而，如先前所述，具有氧化亞銅粒子Π5Β分佈於銅基 質125 A中之複合材料件係爲一材料，其係容易藉由滾壓及 鍛造處理加以處理者。使用此方法取得之複合材料件125 具有略微指定之熱膨脹率及導熱，因爲銅基質125A及氧化 亞銅粒子125B係被正常地排列，例如於滾壓方向中。 複合材料件125最後在其被使用前焊接至不同類型之 構件中（例如半導體基材及絕緣構件）。於此時，若不需要高 可靠度時，這些不同類型之構件可以直接地焊接及結合至複 合材料件125本身。銅基質125A及氧化亞銅125B均曝露 予以焊接複合材料件125的表面。結果，這些構件係固定焊 接於曝露出銅基質125A的表面處，但並未穩固地焊接至氧 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（210X297公釐） -25- 569412 A7 B7 _ 五、發明説明（】3 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 化亞銅粒子125B露出的部份。這是因爲露出氧化亞銅粒子 125B之部份對於焊錫具有較低的可濕潤性。因此，爲了提供 穩固焊接，複合材料件的材料件J25,的表面應受到處理，以對 v焊錫提供良好之可濕j閨性.。 爲此理由，一作爲金屬層125C之Ni層係藉由電鍍而形 成於本實施例複合材料件之基質材料1 2 5，的表面上。較佳 地，鍍Ni層125C之厚度係0.4微米或更大。另外，雖然鍍鎳 層之厚度可以如想要地選擇，但若太厚，則鍍鎳層1 25C及其 相鄰區域之內應力及應變將增加，而提高了例如剝離等之問 題發生的可能性。爲了避免這些問題，鍍鎳層1 25C之厚度較 隹係調整至100微米或更φ。鍍鎳層125C可以藉由一便宜 之電鍍處理加以形成，並適用以保持基質材料125^的品質一 較佳位準。另外，除了鎳層125C外，一層由Sn、Ag、Au、
Pt、Pd及Zn構成之群組中選出之金屬也可以使用，及一層 由Sn、Ag、Au、Pt、Pd及Zn所構成群組中選出之金屬可 以提供於由鎳層構件之金屬層表面上。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此金屬層125C除了給濕潤性外，也具有一維持基質材料 125’之表面品質的功能。然而，（a)由電鍍所形成之金層125C 並未如此穩固地結合至沉澱至基質材料125’之表面的銅基 質125A及氧化亞銅粒子125B上。另外，（b)內應力仍保持於 由電鍍所形成之金屬層125C及基質材料125’之界面中，及（c) 金屬層125C具有表面污染物於電鍍時被引入。（a)可能造成 金屬層125C被從基質材料125’剝離，而直接負面影響半導體 裝置的散熱可靠度的問題。因此，金屬層125C及基質材料 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） • 26 - 569412 A7 B7__ 五、發明説明（^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 125’應穩固地彼此結合於其界面。對於問題（b)，內應力的殘 留^必須儘可能被消除，因爲它加速了金屬層125C由基質材料 125’剝離。再者，依據⑷的污染物使得其可能給焊錫濕潤性， 因此，金屬層125C的表面必須保持淸潔。本實施例的125複 合材料件125係被架構以解決上述⑷至（c)的問題，指定於一 由銅基質125A及氧化亞銅粒子125B所構成之材料。 本實施例之複合材料件的特徵點在於一由銅構成之界 面層125D係存在於由基質材料125’及金屬層125C所形成 之界面區域間。銅界面層125D放於界面區域中，並作爲一 用以穩固定黏結基質材料125,至金屬層125C之黏劑，並經由 於高溫之基質材料125’的還原反應而產生。此點構成另一 特性及如下所述地解決了上述⑷至（c)的問題。這些點將說 如如下。 具有銅基質125A及氧化亞銅粒子125B共存於其間之 複合材料件125係較佳由以下之（A)或（B)製程加以備製。 (A)粉末燒結製程 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一預定量之包含Cu粉末及CuO粉末之混合粉末係藉由 一般方法（例如以一 V型混合機或球磨機），及一預定量之以 此方式取得之混合粉末係被裝載於一模中，該模係被調整以 具有預定形狀及大小，隨後施加一 392至980MPa(4000至 10000kg/cm2)之壓力至其上，以形成一由混合粉末所形成之預 製。於此時，Cu粉末及Cu〇粉末之粒子在壓力下變形，變形 造成了於粉末粒子間之機械結合。因此，不必再像以陶瓷粉 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) "" -27- 569412 A7 _ B7 五、發明説明（▲ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 末取得之預製使用有機黏結劑，用以維持於粒子間之結合。 然後，該預製被以975°C燒結於一鈍氣環境中，較佳於氮或氬 氣中（時間：3小時，溫度上升速率：5。(：每分）。於此時，燒結材 料相較於預製階段之大小收縮約30%。另外，當燒結製程進 行時，作爲起始材料之Cu〇供給氧至鄰近Cu，或者鄰近Cll由 Cu〇取得氧。結果，作爲起始材料之Cu〇藉由於公式（1)中之 反應取得Cu2〇。當在局溫下CuO與Cu共存時，CuO轉換爲 Cu2〇由熱點看來帶來一更穩定狀態。 [公式1]
CuO + 2Cu-> Cu2〇 + Cu 隨後，燒結材料被移動至一製程，用以形成金屬層（例如 鎳層）125C(例如電鑛製程），經由熱或冷軋、滾剪、硏磨等。 金屬層1 25C對於提供複合材料件1 25以預定特性扮演著一 重要角色，該特性於半導體裝置的材料件係絕對必要的。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (B)鑄造製程 一預定量之銅錠被裝入被塗覆有由再結晶氧化鋁作成 之天門（tanman)的石墨坩堝中，及Cu爲導熱於大氣（ 1 250至 1 350°C)而熔化。然後，一預定量之Cu2〇粉末（平均粒子大 小：1.2微米）係被加入此Cu熔融中並攪拌，隨後於一預定形 狀之模中鑄造。經由此製程所取得之錠變成一具有金屬纖 維之複合材料基質材料125’，其具有氧化亞銅粒子125B分佈 本紙張尺度適财關家縣（CNS ) A4規格（210X297公釐)" " -28- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（“ 於銅基質125A中。隨後，經由鑄造取得之複合材料錠係藉 由熱軋並受到機械硏磨而被調整至預定厚度，而取得一預定 形狀及大小，隨後，如同於粉末燒結製程中般地被移動至一製 程，用以形成金屬層（例如鎳層）125C(例如電鍍）。同時，金屬 層125C對於提供複合材料件125以預定特性扮演著一重要 角色，該特性於半導體裝置的材料件係絕對必要的。 於以下半導體裝置備製處理中，由上述方法所取得之複 合材料件125係藉由焊接結合至其他構件（例如半導體元件 基材及陶瓷絕緣基材）。因此，例如，鍍鎳層125C應具有優良 濕潤性供焊接用。另外，鍍鎳層1 25C具有與複合材料基質材 料125’有優良之結合。其理由爲鍍鎳層丨25(：作爲由半導體 元件基材所釋放的熱流的消散路徑的一部份，以及，若鍍鎳層 125C由基質材料125’剝離，則熱消散路徑將於剝離部份中 斷。再者，對於由鍍鎳層125C延伸至基質材料125’的區域， 經由用以備製複合材料125之製程所累積之內應力及應變 必須被消除。這將防止由外來因素所帶來過量應力或應變 的作用（內應力或應變被組合以額外之應力及應變，例如於溫 度上之變化）。結果，由於外部因素的組合額外應力及應變將 不會作用於鍍鎳層125C及其週圍區域，因此，可以保持由鍍 鎳層125C延伸至基質材料125’的區域之強的保角性。 於本發明中，爲了提供用於焊接之上述優良濕潤性，表面 積的強結合及內應力及應變的可釋放性，其上提供有鍍鎳層 125C之燒結材料125’係於還原氣氛中受到熱處理。此熱處 理去除附著至鍍鎳層125C上之污染物（例如電鍍殘留物或 $紙張尺度適用中國國家標準（€奶）八4規格（210'/297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -29- 569412 A7 B7 i、發明説明（\r (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 有機物），以保持表面淸潔，因而，加強於基質材料125,及鑛鎳 層125C間之黏結，並降低由鍍鎳層125C延伸至基質材料 125’的區域之內應力及應變。 於基質材料125’及鍍鎳層125C間之黏結的加強係基於 以下機制。 I於界面生產一銅層 當被提供有鍍鎳層125C於基質材料125’表面上之複合 材料在氫中受到熱處理時（400°C 5分鐘），具有小原子間隙 (0.741埃，換句話說，小原子直徑）之氫分子可以容易地通過具 有2.5埃大原子間隙之鍍鎳層125C，到達基質材料125,的表 面。到達基質材料125’表面的氫通過具有大原子間隙2.56 埃之銅基質125A的區域到達存在有氧化亞銅125B的區 域。同時，作爲周圍氣體的氫與氧化亞銅作反應，以依據公式 2的還原反應形成銅及水。 [公式2]
Cu2〇 + H2— 2Cu + H2〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此，一基於還原反應之銅層125D被產生於基質材料 125’及鍍鎳層125C間之界面處。銅層125D係以冶金方式強 烈地嚙合基質材料丨25，，其同時也對與鍍鎳層125C黏結具有 很大之影響力。 於本發明中鍍鎳層125C扮演著傳送還原氣體的功能。 替代鍍鎳層125C的材料，可以使用包含由Sn(原子間隙3.16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2l〇x；297公釐） -30 - 569412 A7 ___B7___ 五、發明説明（^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 埃）、Ag(原子間隙2.28埃）、Au(原子間隙2.88埃）、Pt(原子 間隙2.78埃）、卩(1(原子間隙2.78埃）及211(原子間隙2.74埃) 之群組中選出之至少一類型的一金屬層。另外，予以使用之 還原氣體不必一定爲氫。例如，其可以爲氫及氮混合一起於 想要比例之形成氣體、一氧化碳氣體或具有一氧化碳及氮 以想要比例混合一起之形成氣體。再者，例如氦、氬、氪、 氖、氙及二氧化碳之氣體可以替代氮。氮及其他氣體均可 以用以擴散於金屬層125C中，但並未涉及氧化亞銅還原反應， 因爲它們沒有還原能力。 (b) 所產生銅層及鎳層之相互擴散 於銅層125D中之Cu及於鍍鎳層125C中之Ni的相互 擴散於上述熱處理中，以形成共同存在有Ni及Cu的擴散區 域。鎳原子及銅原子以冶金方式結合之擴散區域作用以強 烈地結合銅層125D及鍍鎳層125C。 (c) 於表面區域之內應力及應變之釋放 如下所述之消除內應力及應變同時也作用以加強於基 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 質材料125’及鍍鎳層125C間之結合。於熱處理（400°C )時， 金屬原子的晶格被重新排列。結果，於基質材料125’及鍍鎳 層125C之內部應力及應變均被釋放。因此，由基質材料125， 延伸經銅層125D至鑛鎳層125C的表面積的應力及應變已 經消除。這有利於防止當外來因素帶來額外應力及應變時， 於表面積中之機械損壞。 第4A及4B圖爲圖表，顯示於複合材料件之基質材料及 鍍鎳層間之界面的分析輪廓。輪廓係藉由硏磨複合材料件 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） "" "~" -31 - 569412 A7 _________B7_ 五、發明説明（& (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 125的剖面及分析此厚度方向的剖面。第4A圖顯示於鍍鎳 層125C被形成於基質材料上之後，於熱處理前之狀況。 作爲一基質材料125,之電鍍層125C及銅輪廓之鎳輪廓係於 其間之界面劇烈地改變。第4B圖顯示於熱處理後之狀態， 其中經由還原形成之銅層125D存在於基質材料125，，及共同 存在有NiCu之擴散區域係形成於Ni輪廓及cu輪廓之界面 間。此擴散區域的形成是用以強烈結合鍍鎳層1 25.C至基質 材料125’的最重要的條件。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第5圖爲一圖表，顯示經由還原處理所形成之銅層的厚 度與鍍鎳層厚度間之關係。熱處理係被執行於氫氣中。曲 線A、B及C分別顯示進行於500°C、400、30CTC之處理。 由圖表看來，可以了解形成於銅層125D之厚度傾向於當熱 處理溫度增加時增加及鍍鎳層1 25C厚度降低時增加。於本 發明中，吾人想要由還原所新形成之銅層i25D的厚度係儘 可能地大，只要複合材料件1 25的特性係依附於基質材料 125’的特性即可。然而，因爲複合材料件125的導熱性增加， 但若銅層125D的厚度增加，其熱膨脹也增加，則一適當厚度 應依所需特性加以選擇，以作爲半導體裝置及中間金屬件之 停止構件。 於形成厚銅層125D時，重要的是熱處理係被調整，以防 止一快速還原反應。依據公式2所發生之還原反應，及所產 生之H2〇係於汽相被釋放至外側，經由於鍍鎳層125C中之 針孔。若反應速率太高，則於汽相中之HhO將保持於鍍鎳層 125C及銅層125D間之界面中，以產生過量的壓力。結果，於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） - 32- 569412 A7 一 _·_B7_ 五、發明説明（如 鍍鎳層125C及銅125D間之結合被損壞，鍍鎳層125C可以 於最差時受到破裂及干擾剝離。爲了防止破裂及界面跳動， 重要的是熱處理所進行的溫度係被調整，使其不會不必要地 增加，及鍍鎳層125C的厚度不會增加超出所需者。另外，若 具有高剛度之鍍鎳層125C的厚度係增加超出所需者，則於鍍 鎳層125C及銅層125D間之界面的應力將增加，而降低了其 間結合的強度。 第6圖爲一圖表，顯示所形成銅層之厚度及結合強度間 之關係。當銅層125D的厚度很小的區域中，即厚度不超出3 微米者，結合強度很低，即於由14.7至29.4MPa( 1.5至 3kg/mm2)的範圍內。這是因爲（1)於銅層125D及鍍鎳層125C 之相互擴散不足，因爲銅層125D的厚度很小，及（2)用以加強 結合，需要Ni擴散入銅基質125 A，但Ni之擴散進入銅基質 125A係爲氧化亞銅粒子125B出現所阻礙。當銅層125D的 厚度於由0.3至0.5微米的範圍內時，結合強度快速地增加， 當銅層125D的厚度於範圍〇·7至1.0微米之間時，其到達約 78.5MPa(8kg/mm2)的飽和位準。這是因爲所形成之銅層 125D厚度接近一厚度，以足以使鍍鎳層125C及銅層125D於 其間建立擴散結合狀況。在這些條件下，Ni的擴散並不能爲 氧化亞銅粒子125B所阻礙。當銅層125D的厚度爲1.0微 米或更大時，結合強度逐漸增加於由78.5至88.3MPa(8至 9kg/mm2)範圍內。這表示並不需要形成過厚之銅層i25D，直 到於鍍鎳層125C及銅層125D間之結合強度即可。另一方 面，用於半導體裝置之複合材料件125係與其他構件藉由焊 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格(210X297公釐) m IJ1 ϋ·— 1^11^ m-i tan ϋϋ ml ι_ϋ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 •33- 569412 A7 B7 五、發明説明（^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 接結合在一起，此結構具有大於49.0MPa(5kg/mm2)之結合強 度係足夠的。以此看來所選出之銅層125D的厚度爲〇.5微 米或更大。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第7圖爲一圖表，顯示於鍍鎳層之厚度與結合強度間之 關係。當結合強度爲低時，即於12.7至24·5MPa(1.3至2.5kg /mm2)範圍內時，當鍍鎳層U5C的厚度很小，即不大於0.3微 米。這是因爲公式（2)的反應快速進行，以使得鍍鎳層125C 在其界面間由銅層125D剝離。當鍍鎳層125C的厚度係於 0.3至0.5微米範圍內時，結合強度快速地增加，當鍍鎳層 125C的厚度於0.7至1.0微米範圍內時，其到達一約78.5MPa (8kg/mm2)之飽和位準。這是因爲公式（2)之反應行至一適當 速度，及於所形成銅層125D及鍍鎳層125C間之相互擴散持 續進行未被阻礙。當鍍鎳層125 C之厚度爲50微米或更大 時，結合強度降低。這是因爲鍍鎳層1 25C的剛性增加，以增 加於鍍鎳層125C及銅層125D間之界面的應力。這表示過 厚之鍍鎳層125C的形成並沒有好處，只要結合強度足夠即 可。另一方面，用於半導體裝置之複合材料件125係以焊接 與其他構件結合爲單體，此一結構具有大於49.0MPa(5kg/mm2；) 之結合強度即可。以此觀點所選出之鍍鎳層1 2 5 C的厚度係 約由0.4至100微米。 當經由上述程序取得之複合材料件12 5 (熱膨脹率 10.0ppm/QC，導熱率140W/m.K)受到在温度範內_55至i5〇°c 之溫度循環測試（1000次），則熱膨脹及導熱率均於開始時保 持爲相同位準。另外，並未看到複合材料件1 2 5之尺寸變化 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -34· 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _______B7_五、發明説明（& 及變开(啓始尺寸74.0mmx42.4mmx3mm，於縱向中之彎曲啓 始程度：52微米）。另外，結合至鍍鎳層i25c之強度約 78.5MPa(8kg/mm2)，其係大約於啓始階段之結合強度相同 値。 再者，如於下述之實施例2所示，複合材料件125的導熱 率係較佳爲50W/m.K或更大。爲了取得5〇w/m.K或更大之 導熱率，較佳地於複合材料件125中之Cu2〇的含量係77體 積百分比或更低，如於弟2圖所示。另外，複合材料件1 2 5的 熱膨脹率係於14ppm/°C或更小。爲了取得14ppmrC或更小 之熱膨脹率，較佳地，於複合材料件125中之Cu2〇的含量係 17體積百分比或更高於如第3圖所示。 目前，複合材料125已經主要說明於金屬層丨25(：爲鍍鎳 層。如上所述，對於金屬層鍍鎳層125C，不只是Ni，任何之由 Sn、Ag、Au、Pt、Pd及Zn所構成之群組中所選出之金屬均 可。當這些金屬被使用時，有必要基於公式（2)於金屬層125C 及基質材料125'間之界面形成銅層125D，並提供相互擴散， 以強化銅層125D及鍍鎳層125C間之結合。 用於以此方式所取得之半導體裝置的複合材料件i 25 係有效於提供一絕緣或非絕緣半導體裝置，其免除於生產或 操作時所發生之熱應力或熱應變，並且，每一元件不會變形、 再生或破裂，並且可靠及便宜。 當複合材料125施加至絕緣或非絕緣半導體裝置時，可 以完成以下特性及優點。 首先，因爲支撐件125的熱膨脹率很小，及很接近絕緣件 —I— ii— ... IJ¥ I I 8 m - n I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -35- 569412 A7 _ B7___ 五、發明説明（‘ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鈹）的熱膨脹率，所以熱應 力及熱應變均不會殘留於支撐件125及絕緣件間之焊接層 之中。藉以，例如彎曲的變形並不會發生於支撐件125及絕 緣件間之單一主體中。單一主體沒有殘留應力或熱應變，因 此，即使在熱應力另外於半導體裝置操作時施加的情形下， 由於焊接增之熱疲勞破裂及絕緣件之機械破裂造成之熱流 的截斷幾乎不會發生。這完成了半導體裝置的正常操作及 確保安全的目的。 第二，因爲於單一主體中未發生彎曲，所以於由半導體裝 置至冷卻鰭片之通路的熱量轉換可以可靠地執行。另外，藉 由螺接半導體裝置至冷卻鰭片上並不會造成絕緣材料的破 裂·。這同時也完成了維持半導體正常操作及安全之目的。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第三，給焊錫可濕潤性之鍍鎳層1 25C係強烈地結合至支 撐件125的銅層125D。這是完全不同於第三先前技藝中之 Al/SiC複合材料的例子。若SiC粉末被曝露至Al/SiC複合 材料件的表面，則鍍鎳層幾乎不會沉激於SiC粒子的表面上， 或者，甚至即使沉澱也並不會黏著至其上。於依據本發明之 支撐件125中，不想要之現象，例如鑛鎳層125C之剝離及起 泡並不會發生於以焊接開始之後續熱處理中。這特性以半 導體裝置之熱消散品質及焊接點之可靠度看來，帶來想要之 結果。 第四，例如支撐件1 2 5之基質材料12 51的軋製、硏磨及 彎折可以容易執行。相較於第二先前技藝中之Μ 〇材料及第 三先前技藝中之Al/SiC複合材料，由此觀點看出，可以明顯 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） " -36- 569412 A7 B7 五、發明説明（^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 找到一很淸楚之分別。對於Μ◦材料，雖然並不是不可能，但 很困難施加上述機械處理。同時，Al/SiC複合材料之SiC粉 末並未強烈地結合至A1基質金屬。若此受到軋製處理，則 SiC粒子可能可能由基質金屬剝離或脫離。此部份作爲用於 導熱之抑制劑。另外，應用至具有加大尺寸之半導體裝置的 支撐件應被提供有多數孔，用以附著及螺合，用以強化與其他 構件的嚙合。於硏磨處理時，SiC粒子也可能同時由基質金 屬剝離或脫離。相反於此，對於依據本發明之支撐件125,此 等機械處理並不會造成缺陷，而造成導熱之阻礙。 再者，首先，上述熱處理的溫度必須爲一溫度，以允許一 還原反應（公式2)發生，以形成一新銅層125D。然而，一過量 之還原反應將造成表面區域爲水蒸汽所機械破裂。第二，溫 度必須爲一溫度，以允許擴散發生於鍍鎳層125C及銅層 125D之間。以這些觀點所選出之溫度是於範圍150至500 °C之間，及處理進行的時間段係爲1分鐘至2小時。對於溫 度及時間段，最佳條件應取決於銅層125D及鍍鎳層125C之 想要厚度而加以選擇。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 [實施例2] 於此實施例中，將描述用於半導體裝置之複合材料件係 被當作爲一陶瓷絕緣結構之絕緣型半導體裝置的支撐件。 第8圖爲依據本發明之絕緣半導體裝置的主要部份，其 允許一陶瓷絕緣基材及一半導體元件基材固體焊接至複合 材料件125作爲支撐件的狀況。支撐件125係爲一複合金 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ297公釐） -37- 569412 A7 B7 五、發明説明（“ 屬件，其上提供有鍍鎳層125C(厚度5微米），並具有例如 10.0ppm/°C之熱膨脹率及140W/m.K之導熱性。爲了取得上 述特性，支撐件125構成一複合材料件，其具有鍍鎳層 125C(厚度5微米）於基質材料125’上作爲金屬層，其經過由 公式2之還原反應所形成之銅層125D(厚度5微米），該基質 材料125’係具有氧化亞銅粒子125B分散於銅基質125A 中。支撐件125的尺寸爲74.0mmx42.4mmx3mm，及接著孔 125E(直徑5.6mm)係提供於構件的邊緣中。陶瓷絕緣基材 122係使用一 Sn-5wt%Sb之焊錫安裝於支撐件125上，及 M〇S FET元件基材101係使用一 Sn-5wt%Sb焊錫安裝於陶 瓷絕緣基材122上。此絕緣半導體裝置900係爲100 伏，400A級。 第9A至9C圖爲陶瓷絕緣基材的剖面圖。陶瓷絕緣基 材122係爲一基材，其中一銅板13a(作爲汲極電極）、一銅板 13b(作爲源極電極）及一銅板13c(用以安裝熱敏電阻），其每 一具有厚度300微米，及一具有250微米厚之銅板13d係結 合使用Ag-28wt%Cu焊錫（未示出，厚度20微米）130a、130 b、130c及130d至A1N燒結材料12 (熱膨脹率LSppmrC， 導熱性160W/mK)的兩面上，該燒結材料12具有50mmx30 mmx〇.63mm之尺寸，該焊錫具有2wt%Ti力p入其中作爲活性 金屬。一具有5微米厚之鎳層（未示出）係藉由無電沉積法， 形成於銅板13a、13b、13c及13d的表面。可以用於替換Ti 之活性金屬包含Ci*、Zr及Hf。此等活性金屬與A1N燒結材 料12反應，以產生一硝酸，並作爲於焊錫層i3〇a、130b、 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -38- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（尨 130c及130d及A1N燒結材料12間之結合媒介。活性金屬 可以包含由Ti、Ci*、Ζι*及Hf所構成之群組中選出之至少一 類型。一氮化矽燒結材料（熱膨脹率3.1ppm/°C，導熱率120W /m.K)可以被用作爲A1N燒結材料12的替代方案。於此時， 銅板13a、13b、13c及13d係被焊接，以形成一鍍層，其係被 用作爲一陶瓷絕緣基材122。 第10A及10C圖爲絕緣半導體裝置900之結構平面及 剖面圖，其中，陶瓷絕緣基材122及半導體元件基材1〇1係固 體焊接至支撐件125,其後，在其上提供一環氧爲主樹脂殻20, 一金屬細線117及一環氧樹脂蓋21，及將矽酮膠樹脂22裝 入殻中。第10A圖爲一平面圖，第10B圖爲第10A圖之A-A， 剖面及第10C圖爲第10A圖中之B-：^剖面。於此時，在支撐 件125上之陶瓷絕緣基材122係被以Sn-5wt%Sb焊錫 124(厚度200微米）焊接於支撐件125上，及包含8片Si之 M〇S FET兀件基材1〇1(尺寸：7mmx7mmx〇.3mm)係以Sn-5wt%Sb焊錫113(厚度200微米）焊接至陶瓷絕緣基材122的 銅板13a上。以Sn-5wt%Sb焊錫113及124之焊接係在低真 空條件下同時執行，使用含助焊劑之錫膏。在源極電極 13b、汲極電極13a及環氧爲主樹脂殻20之前，每一元件基 材101受到以A1線117(直徑400微米）所打線，予以連接至 主端30及輔助端3 1。用以檢測溫度之熱敏電阻元件34係 以Sn-5wt%Sb焊錫113(未示出）所安裝至陶瓷絕緣基材122 的銅板13c上，並被銅板13c及輔助端31間之金屬線117所 連接至外部。再者，雖然未示於圖中，但環氧爲主樹脂殻20 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -39轉 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •^^衣. 、?! 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7_五、發明説明（ 係以矽酮黏著樹脂35所固定至支撐件125。一空腔25係提 供於環氧爲主樹脂蓋21的壁部中，及一孔30’係提供於主端 30中，使得一用以連接絕緣半導體裝置900至外部接線的螺 絲（未示出）被放置於其中。主終端30及輔助端31已經藉由 施加鍍鎳至銅板而備製，該銅板係藉由剪斷而形成爲想要形 狀，並以傳遞模塑法附著至環氧爲主樹脂殼20上。 第11圖例示絕緣半導體元件900之電路。兩行具有 MOSFET元件101(四個元件）之方塊910被並聯排列，方塊 910係串聯連接，及一主輸入端30in及一主輸出端30out及 一輔助端30係被由預定部份所拉出，以構成絕緣半導體裝置 900的主要部份。另外，於電路操作時之溫度檢測的熱敏電 阻34係獨立地位於絕緣半導體裝置900中。此實施例的絕 緣半導體裝置900係最後被加入一變頻器裝置中，用以控制 如第A1N燒結材料12圖所示之馬達950的轉動數。 再者，於本實施例中，一具有構件結構類似於第一先前技 藝者之絕緣半導體裝置（組合A1N陶瓷絕緣基材及銅支撐件， 具有如此實施例的尺寸）係被準備作比較用。 於此實施例之絕緣半導體裝置900之MOSFET元件基 材101及支撐件125之熱阻爲0.028°C /W。此値係大於參考 樣品的熱阻（0.024°C /W)，但滿足一想要規格，其定義熱阻應爲 0.042t/W或更小（熱阻到達一大於1.5倍之啓始値）。再者， 對於此實施例之絕緣半導體裝置，熱阻値到達啓始値的1.5 倍的熱循環的次數被界定爲壽命。熱阻滿足想要規格的第 一因素爲在熱流通道中之陶瓷絕緣基材122、支撐件125等 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -40- 569412 A7 B7 _ 五、發明説明（‘ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 係由高導熱率構件所構成。同時，高導熱率的銅層125D係 形成於支撐件125上，此銅層125D係藉由擴散而緊緊地結合 至鍍鎳層125C上作爲一金屬層，以平順地傳送熱流。此方面 爲第二因素。另外，可以爲第三因素的是於焊錫層113及 124中之孔隙係被降低，因爲以Sn-5wt%Sb焊錫113及124 的焊接係同時在低真空條件下執行，使用一含助焊劑之錫 膏。 當[MOSFET元件基材101M陶瓷絕緣基材122]-[支撐元 件125]之沉積單體形成時，彎曲量（波腹高度）最大30微米。 另一方面，對於參考樣品之半導體基材-陶瓷絕緣基材-銅支 撐件之沉積單體，彎曲量約200微米，這顯示彎曲量可以於本 實施例之架構中大量降低。這是基於支撐件125的熱膨脹 率匹配合絕緣基材122的熱膨脹率。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第1 3圖爲一圖表顯示絕緣半導體裝置之熱阻及支撐件 的導熱率的關係。當支撐件125的導熱率增加時，熱阻値變 小。當於高導熱率時，熱阻與導熱率之相依性很小，但於低導 熱率時，其依附於導熱率係相當大。這是因爲於熱流之橫向 膨脹被控制，及熱膨脹的控制在低導熱率區域係特別顯著 的。吾人想要半導體裝置的散熱品質係儘可能地高，以維持 其穩定操作，以及，吾人想要高品質的散熱可以提供，而無關 於製程的變化。參考第13圖，可以說支撐件125的導熱率係 較佳爲70W/m.K或更大。因此，參考第3圖，應作一調整，使 得於複合材料件125中之Cu2〇的含量係70體積％或更小， 以取得70W/m.K或更大之導熱率。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -41 - 569412 A7 B7 五、發明説明（‘ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第14圖爲一圖表，顯示於一熱循環測試中之絕緣半導體 裝置之熱阻的轉換。於此測試中，溫度係被重覆地改變於由-55°C至150°C的範圍內。於本實施例之絕緣半導體裝置900 中，啓始値爲0.028°C/W，而於1000循環後，熱阻顯示幾乎相 等之値。於1000循環後，熱阻逐漸地增加，但顯示一小於或 等於可接受値〇.〇42°C /W之値（壽命），最高至6000循環。另 一方面，參考樣品之熱阻具有一 0.024°C /W之小啓始値，但於 100循環後增加並於完成250循環時，到達0.036°C /W之値 (壽命）。於銅支撐件及陶瓷絕緣基材間之焊接層係負責增加 參考樣品之熱阻。爲何絕緣半導體裝置900顯示一熱循環 阻之優良程度，在於陶瓷絕緣基材122的熱膨脹率係匹配於 支撐件125者，因此，作用於焊接層124上之應變被限定於一 低位準，即使溫度係重覆地變化於_55至150°C的範圍內。另 外，散熱路徑完全未發生的原因是支撐件125之鍍鎳層125C 與銅層125D的強力結合，也是熱循環阻的優良位準的理 由。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第15圖爲一表，顯示支撐件125之熱膨脹率對熱循環壽 命的影響。其顯示壽命傾向於當支撐件125的熱膨脹率增 加時降低。於此，本實施例的絕緣半導體裝置900最後被安 裝於一車上，並想要以具有3000循環或更高之熱循環壽命。 參考第14圖，支撐件125的熱膨脹率應爲A1N燒結材料 12.5ppm/°C或更小。爲了取得此熱膨脹率，於支撐件125中 之Cu2〇的含量應爲24體積％或更大，如同於第3圖所示。 第16圖爲一表，顯示於用以安裝陶瓷絕緣基材之焊錫層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -42- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（& 中之應變與支撐件之熱膨脹率間之關係。發生於焊錫層中 之應變當支撐件125之熱膨脹率增加時成長。再次檢查第 15圖之表，可以看出支撐件125之熱膨脹率應爲14ppm/°C或 更小，用以提供3000循環或更多之熱循環壽命，及發生於焊 鍚層124中之應變的位準應限制於2· 5 %或更低，以提供3000 循環或更多之熱循環壽命。 然後，一間歇施加電流至絕緣半導體裝置900及重覆改 變支撐件125之溫度於範圍30至100°C內。第17圖顯示依 據間歇電流施加測試之熱阻轉換。於此測試中，電流係被重 覆地施加至M〇S FET元件基材101，以記錄熱阻，使得支撐件 的溫度係在由30至100°C的範圍內改變。於本實施例之絕 緣半導體裝置900中，熱阻的啓始値爲0·028°C /W，而即使在 30000循環後，仍保持爲幾乎相同之値。於30000循環後，熱 阻逐漸增力卩，但直到130000循環時，仍顯示可接受之値0.042 °C/W(壽命）或更小。另一方面，參考樣品的熱阻具有〇.〇24t /W的小啓始値，但於5000循環後增加，當完成10000循環時， 到達約0.036°C/W(壽命）値。檢查於銅支撐件及陶瓷絕緣基 材間之焊錫層，於陶瓷絕緣基材及MOS FET元件基材間之破 裂係負責於參考樣品之熱阻增加。絕緣半導體裝置900爲 何顯示一優良之熱循環阻抗是陶瓷絕緣基材1 22的熱膨脹 率係匹配支撐件125者，因此，作用於焊錫層124上之應變被 限制爲一低位準，即使間歇地施加電流，溫度重覆地改變。同 時，因爲陶瓷絕緣基材122及支撐件125之單體的視在熱膨 脹率係小於參考樣品者，所以作用於M〇S FET元件基材1〇1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -43- 569412 A7 _B7____ 五、發明説明（^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 及陶瓷絕緣基材122間之焊錫層113之應變被限定至一低 位準。可以了解，對於電流的間歇性施加，這些環境對阻抗造 成一相輔相乘的作用。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於上述之間歇電流施加測試中，同時也追求由銅丰反 13a、13b及13b延伸至支撐件125之沉積結構的介電強 度。第1 8圖顯示其結果，該圖爲爲間歇電流施加測試之電極 及支撐件間之電暈放電啓始電壓的暫態。電暈放電啓始電 壓係爲電荷量爲lOOpC之電壓値所代表。對於本實施例之 絕緣半導體裝置900,啓始値約8千伏，其在130000循環後仍 保持不變。另一方面，參考樣品之放電啓始電壓之啓始値幾 乎相同於本實施例之絕緣半導體裝置900者，但當測試循環 數量增加時，逐漸增加，其大約到達lkV並於30000循環後幾 乎保持不變。以此方式，對於本實施例之絕緣半導體裝置 900,相較於參考樣品仍穩定地保有高絕緣品質。爲何參考樣 品的絕緣品質劣化之主要原因在於該於陶瓷絕緣基材122 中作爲絕緣器之A1N燒結材料12係機械地破裂於相當於電 極13a、13b及13c的部份。若絕緣器被機械破裂，則電場將 會於破裂部份劇烈增加，造成放電發生。燒結材料的機械破 裂發生爲在銅支撐件及陶瓷絕緣基材間之熱膨脹率差所造 成之過量應力或應變作用的結果。相反於此，對於本實施例 之絕緣半導體裝置900之支撐件125及陶瓷絕緣基材122之 合體部份並未施加過量應力或應變，因此，A1N燒結材料12 從未機械破裂過。因此，在絕緣器內電場並未斷續地顯示一 大値。爲了上述理由，本實施例之絕緣半導體裝置900穩定 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ' 一 -44- 569412 A7 _____________ B7 ____ 五、發明説明（& 地展現一優良絕緣品質。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本實施例之絕緣半導體裝置900係被加入於第A1N燒 結材料12圖中之變頻器裝置中，並被用以控制一馬達90的 旋轉數。另外，變頻器及馬達係被加入於一電動車中作爲其 主要電源。於此車中，因爲由電源至車輪之驅動機構可以被 簡化，所以，相較於傳統使用配對比差以執行齒輪變速之車輛 齒輪變化時之震動被免除。再者，此車能夠以0.259公里每 小時之速度平順地行駛，啓源自電源之振動及雜音可以降低 至傳統汽缸引擎車輛的一半。 另外，加入有本實施例之絕緣半導體裝置900之變頻器 裝置係與一無刷直流馬達被加入一冷氣機（於冷卻時功率消 耗：5千瓦，於發熱時功率消耗：3千瓦，電源電壓：200伏）。馬 達展現高於傳統交流馬達10%之效率。這是有助於降低使 用冷氣機時之功率消耗。另外，於此實施例中，於操作啓始點 及到達一設定室溫點間之時間相較於傳統使用交流馬達者 節省了約2倍。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 類似於本實例之作用也可以當半導體裝置900加入於 用以攪動或流動其他流體的設備中，例如一洗衣機及流體循 環設備中。 [實施例3] 於此實施例中，將說明用於半導體裝置的複合材料件將 被應用爲樹脂絕緣結構絕緣之半導體裝置的中間金屬件。 第19A至19C圖係爲平面及剖面圖及一電路圖，分別例 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) "" " -45- 569412 A7 ____B7_ 五、發明説明（ 示本發明之一實施例的絕緣半導體裝置。絕緣半導體裝置 900具有一下述之架構。由Si(四個晶片大小7x7x〇.28mm) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 所構成之MOS FET元件基材1〇1係被焊錫113及124所安 裝於一 A1絕緣電路基材2上，同時，經由具有大小 8χ8χ〇·6mm之中間金屬件40而作爲一支撐件。中間金屬板 40包含本發明之複合材料件。該中間金屬件40構成一複合 材料件，具有一金屬層125C(鍍鎳層：厚度10微米）形成經以 公式2之還原反應所形成之銅層125D(厚度10微米），於一基 質材料125’上，具有氧化亞銅125B分佈於該銅基質125A 中。其具有l〇.〇ppm/°C之熱膨脹係數及14W/m.K之熱導 性。於A1絕緣電路基材2中，一銅配線層203(厚度70微米） 係選擇地經由一環氧樹脂絕緣層202(厚度150微米）形成於 A1板201之一主面上（大小40.7x29.4xl .5mm)，作爲一金屬 板。M〇S FET晶片101係以焊錫113被焊接至中間金屬材 料40,該焊錫具有Sn-5wt%Sb之組成（厚度70微米，溫度270 ± l〇°C )，及中間金屬件40係以焊錫124焊接至A1絕緣電路 基材2,該焊錫具有Sn-3wt%Ag-0.8wt%銅之組成（厚度70微 米，溫度240± l〇°C )。一晶片型電阻112係以焊錫124固定 至銅配線層203之間。此等焊接係執行於一錫膏係塗覆於 一預定部份之步驟中，一要件係安裝於此塗覆部份，隨後於一 氣氛中加熱。然後，爲環氧樹脂構成具有固定與由銅作成終 端30事先作成一體之外殻20係以一矽樹脂黏著劑35(未示 出）附著至A1絕緣電路基材2上。與A1線（直徑300微米） 之打線係應用至MOS FET元件基材2之每一閘極、源極及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -46- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 _五、發明説明（j4 汲極上。配線被安排成使得閘極端30a係爲MOS FET元件 基材101所整個共享，及源極端30c及汲極端30b係爲每一 M〇S FET元件基材101所專用。雖然未示於圖中，但環氧樹 脂22及矽膠樹脂22a係分別被點塗至晶片型電阻112及 M〇S FET元件基材101之安裝部份，每一樹脂係受到150°C 的熱處理2小時供固化用。最後，由環氧樹脂所構成之殻蓋 21(未示出）係附著至其上，以完成半導體裝置900。藉以，安 裝元件101及112,電路基材2等係緊密地爲模樹脂22及 22a所密封。 如上所述備製之本實施例之半導體裝置900具有如於（c) 所示之電路。 第20圖爲一圖表，顯示本實施例之絕緣半導體裝置之過 熱阻抗特性。熱阻隨著電流施加時間加以成長，但顯示於約 3秒之電流施加時間後有一穩定値（約2.7°C /W)。此値顯示 即使M〇S FET元件基材101於98°C消耗10瓦之功率，基材 101可以穩定地操作。此優良散熱品質的理由爲具有優良導 熱率之中間金屬件40被使用，以及，於中間金屬件40之鍍鎳 層125C及銅層125D間之強力黏結被維持，以完成熱流動的 平順移動。 第21圖顯示一熱循環測試之本實施例之絕緣半導體裝 置的熱阻轉換。一等於啓始値（約2.71 /W)之熱阻位準係被 維持至熱循環2000。在熱循環2000後，熱阻開始成長。若 熱阻到達啓始値的1.5倍大之値，則熱循環的次數被定義爲 壽命，本實施例之絕緣半導體裝置900的壽命相當於約 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -47- 569412 A 7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（j5 5000循環。如上所取得之本實施例之絕緣半導體裝置900 的毒叩具有以統S十表Tpc之由隨後所述之第2 3圖之線C所表 示之輪廓。由線c所取得之-3 σ位準壽命相當於1300循環 (-55至150°C )，其顯示本實施例之絕緣半導體裝置900具有 足夠可靠性作爲大量生產的產品。同時，於本實施例之絕緣 半導體裝置900中，完成一調整，使得中間金屬件40的熱膨 脹係數具有較佳値10.0ppm/°C。此歸因於任一焊錫層113 及124的防止先驅破裂的目的，以增加整個半導體裝置的壽 命。 於此，於本實施例之絕緣半導體裝置900之最重要點是 放置並固定於M〇S FET元件基材101及電路基材2被調整 爲7至A1N燒結材料12.5ppm/°C。第22圖爲具有MOS FET 元件基材固定於其中之於焊錫層中之熱應變。M〇S FET元 件基材101係藉由焊錫層113及124,經由中間金屬件40固 定至電路基材2上。於此，該圖顯示一模擬結果，其中假設應 變之位準爲在150°C之0%，發生於當焊錫層冷卻至55t至 150°C之焊接結果時之有效應變。另外，焊錫層113係由一材 料作成，該材料具有Sn-5wt%Sb(厚度70微米）的組成，及焊錫 層124係由一材料作成，該材料具有Sn-3wt%Ag-0.8wt%Cu(厚 度70微米）。於圖中之曲線A及b分別代表發生於焊錫層 11 3及124結束時之應變。於A部份之應變當中間金屬件 40的熱膨脹率增加時成長。爲了降低於A部份之應變，較佳 係爲中間金屬件40的較小熱膨脹率。另一方面，當中間件 40的熱膨脹率增加時，於B部份之應變降低。爲了降低此應 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -48- 569412 Α7 Β7 五、發明説明（ 變，中間金屬件40的較大熱膨脹率係較佳的。以此方式，提 供有於A及B部份之應變間有一交換關係，當熱膨脹率約 10ppm/°C時·，兩應變大致平衡。於此時，如下所述（第23及24 圖），當中間金屬件40的熱膨脹率約lOppm厂C時，可以取得最 優良之熱循環壽命。於此例子中A及B部份中之應變位準 均約1.5%。另外，如後所述（第24圖），若於A及B部份之位 準均等於或小於2.2%，則一-3 σ位準熱循環壽命相當於1000 循環或更高。當中間金屬件40之熱膨脹率範圍由7至Α1Ν 燒結材料12.5ppm/°C (第22圖）時，於Α及Β部份之位準係等 於或小於2.2%。因此，此範圍之熱膨脹率可以爲一較佳範 圍。 第23圖爲一圖表，顯不一威伯爾分佈圖，用於爲一熱循 環測試之M〇S FET元件基材之焊接部份之焊接層破裂壽 命。當用具有16.7ppm/°C之熱膨脹率之Cu作爲中間金屬件 時，形狀參數的壽命分佈m = 3.0及平均壽命// =1120循環。 於此時，由於破裂所造成之焊錫層113的破裂主宰壽命。具 有將大量生產產品列入考慮之-3 σ位準壽命（累積破裂缺陷= 約0.1%)相當於120循環，這係爲很低位準。同時，當使用 5. lppm/°C之熱膨脹率之Mo作爲中間金屬件時，一形狀參數 m = 5之壽命分佈及平均壽命// =800循環。於此時，焊錫層 124的破裂主管壽命，及-3 σ位準壽命相當於240循環，其相 較於Cu的例子係一改良。然而，對於Cu及Μο,均不能說提 供了足夠的可靠邊緣。應變的傾向係相符於第22圖者，其， 中若熱膨脹率過量小時，焊錫層113的破裂加速發展，及若熱 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 0 ^141 —II # 1.^1 II ϋ— ·ϋ-1 mu ϋ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -49- 569412 A7 B7 五、發明説明（ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 膨脹率太大時，則焊錫層124的破裂加速發展。這表示焊錫 層113及124之一的前驅破裂被防止，以確保壽命。另一方 面，對於本發明之使用包含本發明之複合材料件之中間金屬 件40之本發明絕緣半導體裝置，其熱膨脹率爲io.oppn^c， 可以顯不一形狀梦數ιη = 5·3之改良壽命分佈，平均壽命# = 4 300循環及-3 σ位準壽命= 1300循環。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第24圖爲一圖表，顯示一爲熱循環試之MOS FET元件 基材之焊接部份的-3 σ位準壽命。當小熱膨脹時，由於破裂 發生之焊接層124發生前驅破裂，因此，降低了半導體裝置的 尋命。當熱膨脹成長於由約5至10ppm/°C的範圍中時，壽命 增加，當熱膨脹率增加於由約10至約16.7ppm/°C的範圍內 時，壽命降低。更明確地說，當於大熱膨脹率的區域中，於於 破裂所造成之焊錫層1 1 3中的前驅破裂發生，因此，半導體的 壽命降低。使用本實施例之絕緣半導體裝置900的一般操 作條件，吾人想要熱循環壽命相當於1 〇〇〇循環或更多（條件-55至150°C)。由此觀點所選出之中間金屬件40的熱膨脹率 係於範圍7至12.5ppm/°C。當Cu2〇的含量係由24至70體 積百分比時（第2圖），可以取得範圍由7至12.5ppm/°C的熱 膨脹率。 於本發明中，產生極端大量之熱的M0S FET元件基材 101係藉由焊接安裝於電路基材2上，基材具有由銅所作成 之配線層203,其係選擇地形成於例如鋁之金屬板201之一 主面上，經過由環氧樹脂所作成之絕緣層202。於由M〇S FET元件基材101延伸至金屬板201的散熱通道中，環氧絕 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 50- 569412 A7 B7 五、發明説明（j8 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 緣層202大大地阻礙了散熱。於此時，半導體裝置的散熱品 質係取決於熱流係如何地發散於由MOS FET元件基材101 延伸至環氧絕緣層202的通道上而定。第25圖爲一圖表，顯 示當電源施加至絕緣半導體裝置時，半導體元件基材溫度的 上升。此表顯示一模擬結果，其中假設爲M〇S FE丁元件基材 101所消耗功率爲10瓦，則MOS FET元件基材101的表面係 於一糖尿病狀態，作爲散熱面之鋁板201之表面係被保持於 〇°C。其顯示於MOS FET元件基材101之溫度上升程度傾向 於當中間金屬件40的導熱度增加時上升。可以認爲M〇S FET元件基材101的維持穩定操作的溫度爲約1251。另外， 半導體裝置可以較佳維持於一最高可能環境溫度（鋁板201 之溫度）時穩定操作。參考圖表，爲了該裝置能在90°C的室 溫操作，應作出一調整，使得中間金屬件40的導熱度係爲 70W/m.K或更高。由此觀點所選出之中間金屬件40的導熱 度爲70W/m.K或更高。因此，以散熱品質觀點所選出之Cu2〇 含量係等於或小於70體積百分比（第3圖）。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 再者，上述電路基板2具有由銅作成之配線層203,其係 選擇地形成於由鋁所作成之金屬板201的一主面上，經過由 環氧樹脂作成之絕緣層202。然而，於本發明中之電路基板2 應不限定於具有配線層203經由絕緣層202提供於鋁板201 上之形式。其理由爲當半導體元件基材1藉由直接焊接安 裝在鋁板201上時，絕板並未有絕緣層202及配線層203,此 狀況係不同，在於一小熱膨脹率之安裝元件係焊接至一大熱 膨脹率的電路板上，以相同於第一及第二先前技藝方式進行， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -51 - 569412 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 A7 _B7 ___五、發明説明（‘ 因此，會有類似問題。第二理由爲即使當M〇S FET元件基材 101係以焊接經由中間金屬件中間金屬件40焊接於鋁板201 上，可靠性以如於在電路板2上提供絕緣層202及配線層 203般地改良。因此，於本發明中，如於後述之例子3中之沒 有電路形成於其上之基板2也被包含在內。 如上所述，此實施例的重點是完成一調整，使得固定於 M〇S FET元件基材101及電路板2間之中間金屬件40的熱 膨脹率及導熱度分別爲7至12.5ppm/°C及70W/m.K或更 高。滿足這些條件的中間金屬件40的Cu2〇含量爲24至70 體積百分比。 依據本實施例之絕緣半導體裝置900具有MOS FET元 件基材101經中間金屬件40安裝在電路板2上，具有配線層 203經由絕緣層202選擇地形成於金屬板201之一主面上。 於此時，MOS FET元件基材101係以具有成份Sn-5wt%Sb之 焊錫層113(厚度70微米）焊接至中間金屬件40上，及中間金 屬件40係以具有組成Sn-3wt%Ag-0.8wt%Cu之焊錫層 124(厚度70微米）焊接至A1絕緣電路基材2。其他由Sn、 Sb、Ag、Cu、Ni、P、Bi、Zn、Au及In所構成之群組中所 選出之至少一材料構成的焊錫也可以替換焊錫層11 3及 124。對於特定焊錫113及124,也可以使用一單一 Sn金 屬、一 Sn-Sb 爲主金屬，以 Sn-5wt%Sb-0.6wt%Ni-0.05wt%P 及 Sn-5wt%Sb、Sn-Ag 爲主金屬，以 Sn-3.5wt%Ag 及 Sn-3wt%Ag-0.8wt%Cu爲代表、一 Sn-Bi爲主金屬，以Sn-58wt%Bi爲代 表、一 Sn-Cu爲主金屬，以Sn-0.7wt%Cu爲代表、一 Sn-In爲 i紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） '~ -52- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 569412 A7 ____ B7_ 五、發明説明（如 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 主金屬，以Sn-52wt%In爲代表、一 Sn-Zn爲主金屬，以Sn-9wt%Zn爲代表、一 in_Ag爲主金屬，以In-i〇wt%Ag爲代表， 及一 Au-Sn爲主金屬，以Au-20wt%Sn爲代表。 功率半導體元件基材丨可以具有不同電氣功能，例如一 IGBT、一電晶體、一閘流體、一二極體及一 m〇S FET電晶 體。同時，不論半導體元件基材1係由Si(4.2PPM/°C )或Si以 外之材料（Ge:5.8ppm/°C，GaAs:6.5ppm/°C ’GaPJJppm/t；，SiC: 3.5ppm/°C等）所作成，也可以取得一類似作用。 第26圖爲加入有本實施例之絕緣半導體裝置900之電 源電路裝置的方塊圖。此電源電路裝置整流交流電以供給 電壓控制電力至一負載電路。於此，此實施例中之負載電路 係爲一電腦的算術電路。 [實施例4] 於此實施例中，一裝有一功率半導體元件基材及一控制 電路，用以控制功率半導體元件基材的操作及一用於使用本 半導體裝置之車輛之點火裝置將被描述。 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 第27A及27B圖爲此實施例之絕緣半導體裝置的立體 及剖面圖。絕緣半導體裝置900已經在一支撐件2上安裝 有一 IGBT元件基材101，其係由Si作成爲一功率半導體元 件基材及一控制電路10,用以控制該IGBT元件基材101的 電氣操作。IGBT元件基材（晶片尺寸：5x5x〇.25mm)係以焊錫 113及焊錫124經由一中間金屬件40(尺寸：6x6x0.6mm)被固 定於具有厚度1mm及25 X 20mm之面積的A1支撐件2上，焊 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公釐） -53- 569412 A7 B7
五、發明説明（A 錫 113 具有 Sn-5wt%Sb-0.6wt%Ni-0.05wt%P(厚度：200 微米， 溫度：270± 1(TC)，焊錫 124 組成爲 Sn-3wt%Ag-0.8wt%Cu。中 間金屬件40構成一具有金屬層125C(鍍鎳層：厚度1〇微米） 之複合材料件，該金屬層係由公式2之還原反應，經由銅層 125D(厚度：50微米）加以形成，於基質材料125’上，其具有氧 化亞銅125B分佈於銅基質125A中。其具有7.5ppm/°C之熱 膨脹率及100W/m.K之導熱率。同時，A1支撐件2的表面係 被塗覆以鎳鍍層43(厚度3至7微米）。於基質材料125,中 之氧化亞銅粒子125B的濃度爲60體積百分比。 另一方面，備製有一具有一大小19xl〇x〇.8mm之氧化鋁 陶瓷基材5,其上具有一厚約15微米之厚膜銅接線203(未示 出）、一厚膜電阻15及一塗覆玻璃層（未示出）。然後，氧化 鋁基材5之想要面積係被塗覆以錫膏，其含有粉末焊錫最後 成爲焊錫113’，具有成份有Sn-3wt%Ag-0.8wt%Cu，及晶片元件 例如1C晶片基材16、電容晶片17及玻璃套管型齊納二極 體晶片18係被安裝於此塗覆部份上，並被加熱於250± 10°C 的溫度中。藉以，晶片元件16、17及18及厚膜電阻15係被 以焊錫113’電氣連接至厚膜銅配線203,及一用以控制IGBT 元件基材101之操作的控制電路10係形成於該氧化鋁基材 5上。此氧化錦基材5係被以一砂樹脂黏劑9 (未示出）所固 定安裝至A1支撐件2上。IGBT元件基材101的射極電極及 閘極電極係經由具有直徑300微米之A1細線117而電氣連 接至控制電路10。IGBT元件基材101的集極電極係經由A1 支撐件2及A1細線117連接至一終端· 30。控制電路1〇同 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _身衣·
、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -54- 569412 A7 ___B7 五、發明説明（‘ 時也經由一 A1細線117’連接至終端30。終端30係由一相 同於A1支撐件2之特性的材料作成，其表面係被鍍鎳（未示 出，厚度3至7微米）。 具有上述結構的組件已經以環氧樹脂22受到轉移鑄模， 其包含A1支撐件2及終端30的部份，使得IGBT元件基材 1 〇 1之安裝部份、具有晶片元件安裝於其上之氧化鋁基材5 的安裝部份、及鋁細線117及1171系較佳被密封，如同於第 27B圖中之剖面圖之虛線所示。環氧樹脂22具有16ppm/°C 之熱膨脹率，155 °C之玻璃轉變點，9χΙΟ15 Ω .M(RT)之體電阻率， 及15.7GPa(1600kgf/mm2)之彎曲彈性。轉移鑄模係被執行於 180°C，及熱處理係被執行於15CTC 2小時，以提升樹脂的固 化。 第28圖顯示一熱循環測試中之半導體裝置的轉變熱 阻。於圖中之曲線A爲相關於此實施例之絕緣半導體裝置 900,及曲線B爲比較用半導體裝置（使用由Mo構成之中間 金屬件）。爲了絕緣半導體裝置900之熱阻，一啓始値（約1.1 °C/W)係被保持爲5000循環作爲熱循環數。如上所述，可以 確認此實施例的絕緣半導體裝置900具有優良的可靠性。 IGBT元件基材101的焊錫部份係於5000循環後加檢測，吾 人發現焊錫層11 3或1 24均未破裂。這是基於因爲中間金 屬件40的熱膨脹率被調整爲i〇.〇ppm/°c，其係爲熱膨脹的較 佳範圍（由7至12.5ppm/°C)，任一焊錫層113或124的前驅 破裂均被防止發生，以作爲焴加整個半導體裝置的壽命的目 的。另一方面，於比較用半導體裝置中，熱阻於100熱循環後， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210'〆297公釐） 0 ϋϋ· If —«ml I mu mi n^i ϋ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -55- 569412 A7 B7 五、發明説明（‘ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 開始成長。這表示於IGBT元件基材的焊接部份中，發生了 阻礙熱導電的破裂。於分解比較用之半導體裝置後，在測試 IGBT元件基材的焊接部份後，發現破裂發生於對應於焊接層 124的一部份中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 再者，用於此實施例的絕緣半導體裝置900的熱阻的啓 始値約1.1 °C /W。此値表示基材IGBT元件基材101可以穩 定地操作，即使IGBT元件基材101於114°C的環境溫度中， 消耗了 10瓦的電力。以此方式，優良散熱品質表示可以維持 穩定效能，即使半導體900係實施於具有例如引擎室的嚴格 溫度條件的區域中，這構成了用於車輛之半導體裝置的特別 最佳優點。於本實施例的絕緣半導體裝置900中，雖然，中間 金屬件40包含基質材料125’，其含60體積％之氧化亞銅粒 子125B，並具有100W/m.K之低熱膨脹率，但其啓始熱阻係特 於比較用之半導體裝置者，其使用具有約150W/m.K之導熱 率之Mo中間金屬件。這是因爲由公式2之還原反應所生產 之銅層125D具有50微米的大厚度，此層允許熱流以有效地 發散於側向方向中。此特性爲使用本發明之複合材料件之 半導體裝置所帶來之一重大優點。 第29圖爲此實施例之絕緣半導體裝置900之電路。 IGBT元件基材101之射極及閘極係電氣連接至控制電路1〇, 元件101之操作係爲此電路10所控制。電阻1 5、1C晶片基 材1 6、電容晶片17及齊納二極體晶片1 8係安裝於控制電 路10上，這些元件均爲厚膜銅配線203所連接。終端30係 由分別IGBT元件101及控制電路10所拉出。絕緣半導體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一~" -56- 569412 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（^ 裝置90包含IGBT元件基材1〇1及電路10,用以控制元件 101，並用以將電源供給車用引擎點火裝置的線圈。包含這些 電路的絕緣半導體裝置900係用以於ll〇°C之最大環境溫度 下，作爲車用引擎的點火。已經證實此實施例的絕緣半導體 裝置900即使在相當於爲車輛行經一百萬公里的操作條件 下，仍可保有其電路功能。 [實施例5] 於此實施例中，將描述一裝有功率半導體元件基材之絕 緣半導體裝置及用以控制此功率半導體元件基材之電氣操 作之控制電路，及使用此半導體裝置之車用點火裝置。 第30圖爲此實施例的例示半導體裝置的剖面圖。因爲 絕緣半導體裝置900具有一基本上類似於上述實施例4的 絕緣半導體裝置的操作，所以重覆的部份將被省，略只有有改 變的部份被說明如下。 與上述實施例不同的此實施例的第一點爲免除了中間 金屬件。第二區別點爲本發明之複合材料件係用以作爲一 支撐件2。此複合材料件具有一金屬層125C(鍍鎳層厚10微 米）形成經公式2之還原反應所形成之銅層125D(厚150微 米），於基質材料125’上，其具有氧化亞銅粒子分佈於銅基質 125A中，並具有12ppm/°C之熱膨脹率及220W/m.K之導熱 率。另外，支撐件2的表係被塗覆以鍍鎳層43(厚度3至7微 米）。於基質材料125’中之氧化亞銅125B之濃度爲60體積 百分比。第三區別點爲IGBT元件基材101 (晶片大小 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣· 訂 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -57- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A 7 _ B7_五、發明説明（‘ 5x5x〇.25mm)係爲一焊錫層113(厚200微米，溫度240± 10°C) 所固定，焊錫層具有組成爲Sn-3wt%Ag-0.8wt%Cu。因此，焊錫 層124被免除。 第3 1圖爲一圖表，顯示爲一熱循環測試之此實施例的絕 緣半導體裝置的熱阻轉變。首先，應注意的是，熱阻啓始値等 於0.9 5°C /W。比較絕緣半導體裝置900與上述實施例的絕 緣半導體裝置（於支撐件2及IGBT元件基材101間存在中 間金屬件中間金屬件40,約1.1°C/W)，此實施例之絕緣半導體 裝置900之散熱品質高於15%。可以取得優良散熱品質的理 由爲：（1)基於支撐件2之公式2的還原反應之銅層125D具 有150微米的大厚度，及熱流係爲此層所大量地加寬，（2)基質 材料125’具有220W/m.K之導熱率，及（3)中間金屬件40及焊 錫層124由散熱通道中免除。另外（4)爲銅層125D及金屬層 (鍍鎳層）1 25C係緊密地結合在一起，因此，於其間傳送之熱量 並未被阻擋，這也提供良好之散熱品質。 現在，注意熱阻的轉變，可以看出此實施例的絕緣半導體 裝置9 0 0係筒度可靠的。IG B T兀件基材101之焊接部份係 於5000循環後加以檢視。於焊接層11 3的凸緣中看到略微 之破裂。然而，此破裂並未很大而足以作動於熱阻中之變化 (增加）。這是基於焊錫層11 3的破裂因爲支撐件2的熱膨脹 率被調整爲12ppm/°C而加以防止，該値係於較佳熱膨脹率範 圍（由7至12.5ppm/°C)內。另外，這是基於銅層125D係藉由 擴散結合而緊密地結合至金屬層125C(鍍鎳層），而防止了於 其間之界面的剝離破裂。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣· 、11 -58- 569412 A7 B7__ 五、發明説明（1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此實施例之絕緣半導體裝置900包含IGBT元件1及用 以控制IGBT元件1之電路10,其具有如第29圖所示之電路， 並被用以供電給車用之引擎點火裝置的線圈。此半導體裝 置900係用以於最大環境溫度ll〇°C中，點火一車用引擎。 已經證實本實施例之絕緣半導體裝置900於相當於100萬 公里的行車距離後仍能保有其電路功能。 [實施例6] 於此實施例中，將描述一具有M〇S FET功率半導體元件 基材加入其中之用於直流/直流轉換器之絕緣半導體裝置，及 使用此半導體裝置的直流/直流轉換器裝置。 因爲此實施例之絕緣半導體裝置900具有一類似於實 施例3中之絕緣半導體裝置之結構，所以重覆部份的說明將 被省略，只有說明變化的部份如下。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 有別於上述實施例3之第一點爲此實施例之複合材料 件係被用作爲絕緣電路基材2之金屬板201 (大 小：68x46x1.5mm)同時也作爲一支撐件。此複合林料件具有 一金屬層125C(鍍鎳層，厚10微米）形成經由公式2之還原反 應所形成之銅層125D(厚50微米），於一基質材料125’上，具 有氧化亞銅粒子125B分佈於銅基質125A之中，並具有 10ppm/°C的熱膨脹率及140W/m.K之導熱率。於基質材料 125’中之氧化亞銅的濃度爲50體積百分比。另外，絕緣電路 基材2具有一銅配線層203(厚70微米），並被選擇地經由環 氧樹脂絕緣層202(厚150微米）形成於複合材料件201之- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐1 ' ' ' -59- 569412 A7 B7___ 五、發明説明（‘ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 作爲金屬板的主面上。與上述實施例3的第二點不同在於 由Si作爲一功率半導體元件基材之MOS FET元件基材 1〇1(八基材，晶片大小：9x9x〇.28mm)係用一焊錫層113(組 成：311-3^^%八2-0.8^^%(：11)而直接安裝於鋁絕緣電路板2之銅 配線層203上.。即，中間金屬件40及焊錫層124均被免除。 如上所述所備製之本實施例之絕緣半導體裝置900構 成了如第32圖所示之電路。對於閘極終端30a，一專用終端 係用於每對並聯連接之M〇S FET元件101，並且，源極端 30c、輸入端30A及輸出端30B均被接線使得其共享MOS FET 元件 101。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 用於本實施例之絕緣半導體裝置900之MOS FET元件 101的穩定熱阻約1.5°C /W。此値表示即使MOS FET元件 101於環境溫度ll〇°C中消耗10瓦之電力，則元件101可以 穩定操作（元件101之A溫度並不超過125°C )。可以取得此 優良散熱品質的理由是本發明之具有140W/m.K之高導熱率 的複合材料件被使用於絕緣電路板2之金屬板201中。同 時，具有厚度被調整至50微米之銅層125D促成了複合材料 件的導熱率的改良。 此實施例之絕緣半導體裝置900之熱阻的變化係以熱 循環測試（-55至150°C )加以檢測。直到5000熱循環，熱阻幾 乎相等於啓始値（約1.5°C/W)。於此實施例中，因爲本發明之 複合材料件係用以作爲絕緣電路板2的金屬板201，以及，金 屬板210之熱膨脹率係被調整爲l〇ppm/°C，其係於較佳範圍 內（由7至12.5ppm/°C)，所以，焊錫層113的破裂係被抑制，因 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） '^ -60- 569412 A7 B7 五、發明説明（‘ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 而，整個半導體裝置的壽命被加長。同時，由於藉由相互擴散 銅層125D被強力地黏結至金屬層125C(鍍鎳層）造成了優良 散熱品質被取得同時具有穩定性。 第33圖爲一電子裝置作爲一直流/直流轉換器的方塊圖， 其具有本實施例之絕緣半導體裝置加入於其中。直流/直流 轉換器90之中被提供有一絕緣半導體裝置900、一控制電 路10A，用以驅動絕緣半導體裝置900、一變壓器81、整流 電路82及一平滑及控制電路83,並供給具有上升及下降輸 入電源84之電壓給電池85,此電源係最後被傳送室負載電 路86。於此，負載電路表示馬達，作爲一電燈、雨刷、電動 窗、冷氣等等之電源、一用於引擎、感應器等之激勵裝 置。上述直流/直流轉換器裝置90係連接至一車輛，其效能 已在相當於一車輛行進一百萬公里的距離的操作條件下被 驗證。結果，確認即使於行駛超出一百萬公里後，此實施例的 半導體裝置30及轉換器裝置90仍保有啓始電路功能。 [實施例7] 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於此實施例中，具有一半導體元件基材直接安裝於一複 合支撐件上，其間沒有絕緣件之非絕緣半導體裝置將加以說 明。 第34 A及34B圖爲具有一半導體元件基材直接安裝於 一支撐件上之非絕緣半導體裝置的立體及剖面圖。其上安 裝有半導體元件基材之支撐件125已經被處理爲一導線架， 並使用本發明的複合材料件。此複合材料件具有一金屬層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNsTa4規格（210X297公董) ' " -61 - 569412 A7 B7 五、發明説明（‘ 125C(鍍鎳層:厚10微米）形成經銅層125D(厚50微米），該銅 層係由公式2之還原反應所形成，金屬層在基質材料125’上， 具有氧化亞銅粒子125B分佈於銅基質125A中，並具有 10ppm/°C之熱膨脹率及140W/m.K之導熱率。於基質材料 125’中之氧化亞銅粒子125B的濃度爲50體積百分比。同時， 終端30係爲一導線架被與支撐件125之相同材料處理並具 有一金屬層125C(鍍鎳層：厚10微米）形成經由公式2之還原 反應所形成之銅層125D(厚50微米），於該基質材料125’上， 具有氧化亞銅粒子125B分佈於銅基質125A中，並具有 10ppm/°C之熱膨脹率及140W/m.K之導熱率。一電晶體元件 基材M〇S FET元件101 (大小：6x6x0.3mm)係直接藉由焊錫層 113(組成：Sn-5wt%Sb-0.6wt%Ni-0.05wt%P，厚 70 微米）所焊接 至支撐件125上。電晶體元件基材101之射極電極及基極 電極分別經由細線117(直徑300微米）連接至發射端30c及 基極端30a。另外，電晶體元件基材1〇1的集極電極係經由 焊接層113及支撐件125所連接至集極端30b。最後，電晶 體元件基材MOS FET元件101、支撐件125、終端30a、30b 及3 0 c及銘細線11 7係以環氧樹脂2 2 (未示於立體圖中）以轉 移鑄模加以緊密密封。於此，支撐件1 25並未完全覆蓋以環 氧樹脂22。此實施例之非絕緣半導體裝置900大致具有上 述結構。 以散熱品質看來，上述非絕緣半導體裝置900之熱阻係 0· 14°C /W，並於其與銅材料（〇· 1 rc /W)構成之支撐件之非絕緣 半導體裝置者略差。然而，相較比較用之非絕緣半導體裝置， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 衣· *11 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -62· 569412 A7 _ B7_ 五、發明説明（晶 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 即使電晶體元件基材101已消散100瓦之電力，電晶體元件 基材101的溫度只增加3°C。由此實施例之非絕緣半導體裝 置900所展現之優良散熱品質的原因是具有高導熱率 140W/m.K之本發明複合材料件被使用作爲支撐件125。同 時，銅層125D之厚度被調整爲50微米也改良了複合材料件 的導熱率。 以熱循環測試（-55至150°C )之此實施例之非絕緣半導 體裝置900的熱阻轉變係被檢測。幾乎等於啓始値（約0.14 °C /W)之熱阻係被維持直到5000熱循環。另一方面，對於比 較用非絕緣半導體裝置，於1000循環後觀察到熱阻之增加。 於焊錫層中之破裂負責比較用之非絕緣半導體裝置的熱阻 的增加。相反地，對於本實施例之非絕緣半導體裝置900,因 爲本發明之複合材料件係用於支撐件125,及其熱膨脹率被 調整爲10ppm/°C，其係於較佳範圍內（由7至12.5ppm/°C)，焊 錫層11 3的破裂被抑制，因而整個半導體裝置的壽命被加 長。同時，由於銅層125D被強力地以相互擴散而結合至金 屬層125C(鍍鎳層），而取得了優良散熱品質，及穩定性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 [實施例8] 於此實施例中，一具有半導體元件基材爲複合材料件電 極所壓焊之玻璃套管密封/非絕緣半導體裝置將加以說明。 第35圖爲一以複合材料件電極壓焊之半導體元件基材 的非絕緣半導體裝置的剖面圖。一由矽作爲半導體元件基 材101(大小0.8x〇.8x〇.28mm)之齊納二極體基材係爲電極 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） •63· 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7五、發明説明（A 1 25所壓焊，該電極係由本發明之複合材料件所構成。此複 合材料件具有一金屬層125C(鍍鎳層：厚7微米）形成經銅層 125D(厚10微米），該銅層係由公式2之還原反應所形成，金 屬層在基質材料125’上，具有氧化亞銅粒子125B分佈於銅基 質125A中，並具有7·5ρριηΓ(：之熱膨脹率及l〇〇W/m.K之導 熱率。於基質材料125’中之氧化亞銅粒子125B的濃度爲60 體積百分比。鎳層係形成於接觸電極1 25之齊納二極體基 材101之表面上。這些件101及125係被設定於具有內徑 1.2mm及外徑1.5mm之玻璃套管222中，並被密封並於氮中 加以加熱（54(TC )。於此，玻璃套管222係爲一矽酸鉛玻璃，具 有8.3ppm/°C之熱膨脹率及2.06克/立公分之密度。玻璃套 管222係經由上述加熱加以熔化並結合至電極125,並於後 續冷卻處理中收縮。齊納二極體基材101係藉由此收縮力 量，而被壓焊至電極1 25。以此方式所取得之非絕緣半導體 裝置900具有一圓筒形，其長度爲3.5mm及外徑爲1.5mm，並 被用以形成其他形式之半導體裝置，例如作爲於第27圖中之 玻璃套管型齊納二極體晶片元件1 8。此實施例之非絕緣半 導體裝置900受到一熱循環測試（-55至15CTC，2000循環）並 顯示7.1伏之齊納電壓値（於1〇毫安），其於測試後係與啓始 値相同。同時，有關此測試，並未看到玻璃套管222的破裂及 齊納二極體基材101由電極125剝離。這是由於使用本發 明之複合材料件於電極125,其熱膨脹率被調整爲8.3ppmrc， 其係在較佳熱膨脹率範圍內（7至12.5ppm/°C )，其係相當配合 於齊納二極體基材101及玻璃套管222。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •弟衣·
、1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -64- 569412 at Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（4 受到上述熱循環測試之樣品係隨後受到一高溫/濕度測 試（1000小時）在85°C及85%RH的條件下。於測試後，反相電 流洩漏位準被量測，及0.1微安之値（6.5伏）係被取得，其係幾 乎相同於啓始値。這表示於高溫/濕度測試前，所執行之熱循 環測試中，玻璃套管222及電極125間之密封係被保持於一 較佳位準。爲何能保持此高程度密封的理由爲於電極125 中之銅125D及金屬層（鍍鎳層）125C係以相互擴散強力結合 在一起，以防止於其間發生剝離。 [實施例9] 於此實施例中，將說明一絕緣半導體裝置作爲射頻功率 放大裝置，用以作爲一行動電話等之發射單元。 本實施例中之絕緣半導體裝置900(大小：10.5x4x1.3mm) 具有以下架構。第36圖爲此實施例之絕緣半導體裝置的剖 面圖。於此，包含一 MOSFET元件基材1〇1(大 小：2.4xl.8x〇.24mm)、一晶片電阻 15(約 7ppm/°C )及一晶片 電容17(約11.5ppm/°C)之晶片型元件係被安裝於一複合玻 璃陶瓷基材上，作爲支撐件2(大小：1〇·5χ4χ〇·5mm，三層配線， 熱膨脹率6.2ppm/°C，導熱率2.5W/m.K，抗彎強度〇.25GPa，楊 氏模量：110GPa，介電常數：5·6(1ΜΗζ))。一由本發明之複合材 料件所構成之中間金屬件40存在於M〇S FET元件基材1〇1 及複合玻璃陶瓷基材2之間。此中間金屬件40具有一金屬 層125C(鍍鎳層厚5微米）形成經由公式2之還原反應所形 成之銅層125D(厚10微米），並於一具有氧化亞銅粒子125Β (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -65- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（‘ 分佈於銅基質125A中之基質材料125’上，並具有熱膨脹率 10ppm/°C及導熱率140W/m.K。於基質材料125,中之氧化亞 銅粒子125B的濃度爲50體積百分比。雖然未示於圖中，但 一厚膜內部配線層（Ag-lwt%Pt厚15微米）、一厚膜貫孔導 體，用以電連接於複合線（A g -1 w t % P t，直徑14 0微米）間、及一 作爲散熱路徑之厚膜熱改道（A g -1 w t % P t直徑14 0微米）係被 提供於複合玻璃陶瓷基材2中。另外，一厚膜配線圖案 203(Ag-lwt%Pt，厚15微米）被提供複合玻璃陶瓷基材2的主 要面上，及包含晶片電阻15及晶片電容17之晶片型元件係 被焊錫層113所導電固定於此薄膜配線圖案203上，焊錫層 具有成份爲Sn-5wt%Ag-0.8wt%Cu。MOS FET元件基材 101(矽，3.5ppm/°C )係經由中間金屬件40安裝於複合玻璃陶 瓷基材2的一主要面上的坑部份上。中間金屬件40的大小 爲2·8χ2·2X0.2mm。於此，建立於MOS FET元件基材101及 中間金屬件40間之連接的焊錫113,以及，建立於中間金屬件 40及複合玻璃陶瓷基材2間之連接的焊錫124爲具有成份 爲 Sn-5wt%Ag-0.8wt%Cu 的焊錫。於 MOS FE丁元件基材 101 及厚膜配線圖案203間之預定部份間被提供有由Au作成之 細線117(直徑50微米）之結合。一厚膜外部電極層203’（Ag-lwt%Pt，厚15微米）係被提供於複合玻璃陶瓷基材2的另一 主要面上。厚膜外部電極層203’係經由於複合玻璃陶瓷基 材2中之內部配線層及貫孔配線，而電氣連接至厚膜配線圖 案203。一環氧樹脂層22係提供於複合陶瓷基材2的主面 上，藉以密封安裝晶片型元件等。 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐1 ~一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) P装· 訂 -66- 569412 A7 B7 五、發明説明（& (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第37圖顯示一此實施例之絕緣半導體裝置基本放大電 路的方塊圖。於一射頻區域中，除了電阻15及電容17外，一 分配定値電路係爲輸配線203(於複合玻璃陶瓷基材2上之 厚膜配線圖案）所使用。對於用於放大器之輸入匹配及用於 輸出電路的負載匹配，一由輸送線203及兩電容（電容17)所 構成之π型電路也可以使用。輸入阻抗匹配係使用並聯電 容値及其連接位置加以執行。基本放大電路方塊901具有 以上架構。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第38圖爲此實施例的絕緣半導體裝置之電路方塊圖。 絕緣半導體裝置900被模組化，使得基本放大電路塊901爲 三重連接。於此，因爲電源端爲基本放大電路塊901中之所 有級所共享，所以電路的架構被簡化。上述絕緣半導體裝置 900直接反射MOS FET元件101的特性，以及，具有優點爲⑴ 增益很大，得其以1至4毫瓦的輸入功率操作，（2)包含周圍電 路的功率放大結構係被簡化，因爲增益控制可以以幾伏的電 壓加以執行，所以不需要於GaAs FET元件中所需之負電壓， 主電流係以0.5伏或更小之控制電壓切斷，用於電源及控制 的終端係於所有級中爲電路所共享，（3)斷裂容量大；及（4)熱 穩定性高。更明確地說，上述優點（3)及（4)均可歸因於由本發 明之複合材料件構成之中間金屬件40的應用，其具有高散熱 品質。 第39圖爲使用此實施例之絕緣半導體裝置的行動電話 的電路方塊圖。一輸入聲音信號係被於混波器500中被發 射器501所轉換爲射頻信號，並被由天線發射經由絕緣半導 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) •67- 569412 A7 B7 五、發明説明（‘ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 體裝置900成爲一電波，該半導體裝置係爲一功率放大器及 一天線共用裝置502。發射功率係爲一耦合器所監視，並爲 一控制信號所保持爲定値送至該作爲功率放大器之絕緣半 導體裝置900。於此，天線共享裝置502及天線係爲本發明 中之負載。對於此行動電話，使用800至1000MHz之電波。 [實施例10] 於此實施例中，將描繪一使用一複合材料件作爲熱緩衝 板，用於電源之大直徑閘流體元件基材的電極之一非絕緣半 導體裝置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第40圖爲此實施例之非絕緣半導體裝置的剖面圖。此 非絕緣半導體裝置900具有以下架構。參考數1〇1表示閘 極關閉（GTO)聞流體兀件基材（砂，直徑100mm)，參考號40A 表示用於陽極電極之環形熱緩衝板，參考號40B表示用於陰 極電極之熱緩衝板，參考號40a表示用於由銅作成之陽極之 後電極，參考號40b爲用於由銅作成之陰極的後電極，參考號 60表示一閘極接腳，參考號61爲一用於閘極接腳之圓柱絕 緣體，參考號600表耶一聞極電極，參考號601表示用於聞極 電極之壓合機構，參考號650表示由氧化鋁瓷作成之圓柱絕 緣體，參考號660A表示一陽極側凸緣，及參考號660B表示一 陰極側凸緣。雖然未示於圖中，但一 pn接合部份被提供於聞 流體元件基材101中，及由鋁作成預定圖案之金屬層係被形 成於閘流體元件基材1 〇 1之陽極區域、陰極區域及閘極區 域中。閘流體元件基材1 〇 1之邊緣區域係被塗覆以由矽樹 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐） " -68- 569412 A7 B7 五、發明説明（‘ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 脂作成之保護件。於此，用於陽極電極4〇A之熱緩衝板及用 於陰極電極40B及閘極電極600之熱緩衝板均由本發明之 複合材料件所構成，具有一金屬層125C(鍍鎳層：厚5微米）， 形成經過由公式2之還原反應所形成之銅層125D(厚10微 米），並形成於基質材料125,上，具有氧化亞銅粒子125B分佈 於銅基質125A中，並具有i〇ppm/°c之熱膨脹率及i40W/m.K 之導熱率。於基質材料125,中之氧化亞銅的濃度爲50體積 百分比。另外，用於陽極電極40A之熱緩衝板存在於形成於 陽極區域中之鋁金屬層及用於陽極40a之後電極間，及用於 陰極電極40B之熱緩衝板存在於形成於陰極區域中之鋁金 屬層及用於陰極40b之後電極間。閘極電極600接觸形成 於閘極區域中之鋁金屬層並電氣連接至爲用於閘接腳之圓 柱絕緣體61所包圍之閘接腳60,因此，藉由閘極電極壓合機 構601而給予力量以壓焊至鋁金屬層。例如以上閘流體元 件基材101、用於陽極電極40A之熱緩衝板、用於陽極40a 之後電極、用於陰極電極40B之熱緩衝板、用於陰極40b 及閘極電極600之後電極均插入圓柱絕緣體650中。陽極 側凸緣660A被結合至用於陽極40a及圓柱絕緣體650之後 電極，及陰極側凸緣660B係結合至用於陰極40b及圓柱絕緣 體650之後電極，其中這些凸緣660A及660B扮演著一屏蔽 被插入圓柱絕緣體650中之主構件101、40A、40a、40B、 40b，600等離開外來空氣的角色。因爲此實施例之非絕緣半 導體裝置900之閘流體元件基材101係藉由壓焊而電氣連 接至用於陽極40a之後電極及用於陰極的後電極40b，所以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -69- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7___五、發明説明（士 3000公斤之焊壓係被施加至用於陽極40a之後電極及用於 陰極40b之後電極之間。 具有上述之結構之此實施例的非絕緣半導體裝置900 顯示低位準之熱阻0.006°C/W。這是歸因於用於陽極電極 40A之熱緩衝板及用於陰極電極40B之熱緩衝板係由本發 明之高散熱品質的複合材料件構成。另外，對於執行3000次 之熱循環測試（-55至150°C )之非絕緣半導體裝置900,及一 間歇性施加電流至閘流體元件基材101的測試，以改變用於 陰極電極40B之熱緩衝板之溫度由30°C至100°C執行90000 次，但並未看到熱阻成長或電氣功能劣化。這是由於用於陽 極電極40A之熱緩衝板及用於陰極電極40B之熱緩衝板具 有一降低閘流體元件基材101及用於陽極40a間之熱膨脹率 差及降低於閘流體元件基材101及用於陰極40b之後電極 間之熱膨脹率差的作用。另外，這也是由於因爲具有高導熱 率之銅層125D被公式2之還原反應所形成於用於陽極40A 之熱緩衝板及用於陰極40B之熱緩衝板上，所以於銅層125D 及金屬層（鍍鎳層）125C係爲相互擴散所加強，而可以確保散 熱通道。 於此實施例中，描述了本發明之複合材料件被使用作爲 用於陽極40A之熱緩衝板及用於陰極40B之熱緩衝板，但本 發明之複合材料件被使用作爲陽極40a之後電極及陰極40b 之後電極結構，及用於陽極40A之熱緩衝板及用於陰極40B 之熱緩衝板係被組合爲單體之結構，及陰極電極40B之熱緩 衝板及用於陰極40b之後電極組合在一起成爲單體之結構 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -70- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____ B7_五、發明説明（‘ 均可以如所需地加以採用。 [實施例11] 於此實施例中，將說明使用複合材料件作爲小模型電晶 體之導線架之一非絕緣半導體裝置。 第4 1圖爲一小模型非絕緣半導體裝置的剖面圖。一由 矽作成之電晶體基材（大小lx 1 x〇· 3mm)作爲半導體元件基材 101係以由Sn-7wt%Sb合金作成之焊錫113安裝在由本發明 之複合材料件作成之導線架中間金屬件40(厚0.3mm)。此複 合材料件具有一金屬層125C(鍍鎳層：厚7微米），形成經過由 公式2之還原反應所形成之銅層125D(厚10微米），並形成於 基質材料125’上，具有氧化亞銅粒子125B分佈於銅基質 125A中，並具有7.5ppm/°C之熱膨脹率及l〇〇W/m.K之導熱 率。於基質材料125’中之氧化亞銅粒子125B之濃度爲60 體積百分比。導線架40及40’均作爲電極及終端，並在每一 電極及終端執行其獨立功能前在啓始級中形成爲一單體。 電晶體基材101之集極係放置於基材爲焊錫113所安裝的 位置。射極及基極係提供於相對於基材被焊接的位置處並 被由電晶體基材101所抽出之鋁細線117所連接至導線架 40’ °另外，安裝有電晶體基材1〇1並提供有鋁細線117接線 之主要部份被以轉移鑄模法覆蓋以環氧樹脂22。當以環氧 樹脂22鑄模完成時，導線架40及40’係彼此分隔，並給予一 獨立終端。此實施例之具有上述架構的非絕緣半導體裝置 900具有尺寸爲3x4x3mm，並用於其他形式之半導體裝置，作 曝 - —II· ϋϋ —^ϋ ϋ— I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -71 - 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（‘ 爲一予以安裝之晶片型元件，例如如於第27圖中之氧化鋁基 材5及於第36圖之玻璃陶瓷基材2。 於一熱循環測試（-55至150°C ,2000循環）後，此實施例之 非絕緣半導體裝置900之電流放大因數爲30。此値係幾乎 相等於測試前之啓始電流放大因數。另外，於測試進行時，均 未看到於電晶體基材101及導線架40間之剝離及於焊錫層 113中之破裂。這是歸因於本發明之複合材料件被使用作爲 導線架40,其熱膨脹率被調整爲8.3ppm/°C，其係在較佳熱膨 脹率內，其係配合電晶體基材1〇1之熱膨脹率。 受到上述熱循環測試之樣品隨後受到一高溫/濕度測試 (1000小時）在85°C及85%RH的條件下。於射極及集極間之 電流洩漏位準在測試後被量測，並取得0.1微米（於30伏）之 値，這係大致相同於啓始値。這表示於高溫/濕度測試前，於 環氧樹脂22及導線架40及40’間之密封在熱循環測試中保 持於一較佳位準。保有此高度密封之理由在導線架40及 40’中之銅層125D及金屬層（鍍鎳層）125C係藉由相互擴散而 強力黏結在一起，以防止於其界面間發生剝離。 [實施例12] 將說明一使用複合材料件作爲雷射二極體安裝熱膨脹 放大材料之非絕緣半導體裝置。 第42圖爲一具有雷射二極體安裝於其上之非絕緣半導 體裝置的示意圖。一作爲半導體元件基材1 0 1之雷射二極 體基材（尺寸：〇.8x〇.5x〇.2mm)係以由Au-20wt%Sn合金構成 fc ! --*-- - fm ϋ— 1 --- ϋ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 72- 569412 A7 B7 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（)0 之焊錫113被結合至一由本發明之複合材料件所作成之中 間金屬件40(厚〇.3mm)。雷射二極體基材ι〇1包含一 GaAl As區磊晶成長於Ga As基材上，並藉由—積層金屬層而 給焊錫113濕潤，該金屬層係由形成於雷射二極體基材ι〇1 之結合面上之Ti(厚0.1mm)-Pt(0.3微米）-Au(〇.l微米）所構 成。此複合材料件具有一金屬層125C(積金屬層，具有厚丄 微米之鍍Au層形成於厚度7微米之鍍鎳層上，彼此一層一 層相疊）形成經過由公式2還原反應所形成之銅層i25D(厚 10微米），於具有氧化亞銅粒子125B分佈於銅基質i25A中 之基質材料125'上，並具有7.5ppm/°C之熱膨脹率及 100W/m.K之導熱率。於基質材料125’中之氧化亞銅粒子 125B的濃度爲60體積百分比。中間金屬件40係藉由一由 Sn-3wt%Ag-0.7wt%Cu合金構成之焊錫124所焊接至由銅所 作成之支撐件2上。雖然未示於圖中，但一由上述之Ti(厚 0·1微米）-Pt(0.3微米）-Au(0.1微米）所構成的積層金屬層係 提供於雷射二極體基材101之非結合側的上表面上，及Au 線係結合於此積層金屬層上。具有此結構之此實施例之非 絕緣半導體裝置900係特別用於組合一光接收元件。 對於此實施例的非絕緣半導體裝置900,熱阻的啓始値 爲0.31 °C /W並且於-55至150°C (2000循環）的熱循環測試後 的熱阻値爲0.32°C /W，幾乎相等於啓始値。這是歸因於本發 明的複合材料件係用於作爲中間金屬件40,其熱膨脹率係被 調整爲8.3ppm/t，在較佳熱膨脹率範圍（7至12.5ppm/t：)內， 這係匹配於電晶體基材101之熱膨脹率。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 舞衣· 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -73- 569412 A7 B7
五、發明説明（A
[實施例13] 於此實施例中，將說明使用一複合材料件作爲一整流二 極體的非絕緣半導體裝置，該二極體被安裝在熱膨脹緩和材. 料。 第43圖例示一其上安裝有一非絕緣半導體裝置的全波 整流器。第43A圖爲一全波整流的平面圖，第43B圖爲A-B 剖面的，及第43C圖爲全波整流器的電路圖。首先，參考第 43B圖，於此所示之非絕緣半導體裝置900係用於一汽車交 流發電機。參考號125表示一由鍍有鎳之銅所作成之容器 (厚度0.8mm)，一由本發明之複合材料件所構成之中間金屬 件 40(直徑 5mm，厚 0.6mm)係以由 Sn-3wt%Ag-0.7wt%Cu 合金 構成之焊錫124(厚100微米）而附著至容器125的底部。一 二極體元件基材101(直徑4mm，厚0.3mm)係以由Sn-5wt%Sb 合金構成之焊錫113(厚100微米）藉由焊接而安裝於中間金 屬件40上，及一由鍍有鎳之銅所構成之接腳7係以由311-3wt%Ag-0.7wt%Cu合金構成之焊錫770所固定至二極體元件 基材101上。中間金屬件40、接腳7及二極體元件基材1 〇 1 係被塗覆以砂樹脂2 2。作爲中間金屬件中間金屬件4 〇 (其詳 細圖未示出）之複合材料件具有一金屬層125C(鍍鎳層，厚7 微米），其係形成經過由公式2之還原反應所形成之銅層 125D(厚10微米），並形成於基質材料125,上，其具有氧化亞銅 粒子125B分佈於銅基質125A中，並具有7.5ppm/°c之熱膨 脹率及100W/m.K之導熱率。於基質材料125,中之氧化亞銅 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -74 - 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A 7 B7 _五、發明説明（ 粒子1 25B之濃度爲60體積百分比。於此實施例中之中間 金屬件40的角色係降低於容器125及二極體元件基材101 間之熱膨脹率的差，以提供焊錫1 24以對熱疲勞有良好之抵 抗，並有效地傳遞由二極體元件基材1〇1所產生之熱至一散 熱板2,藉以長時間維持半導體裝置900或全波整流裝置950 之電氣功能。上述非絕緣半導體裝置900係爲一由311-3wt%Ag-4.5wt%Bi合金所構成之焊錫771所固定於由銅所作 成之散熱板2上，散熱板2同時也作爲一支撐件。一由環氧 樹脂等所構成之終端墊217係爲一安裝件218所固定至散 熱板2,及接腳7係結合至由銅作成之金屬終端21 5,終端215 係事先經由一焊錫21 6附著至終端墊217。 現將使用第43 A圖說明全波整流器950。三個絕緣半導 體裝置900係經由一結合層771結合至第一散熱板2A。以 一類似方式，三個非絕緣半導體裝置900係附著至一第二散 熱板2B。明確地說，多數非絕緣半導體裝置900係安裝於彼 此呈對排列之第一及第二散熱板2A及2B上，使得在每一散 熱板中之整流方向均勻，及對於每一散熱板之整流方向係可 以區分出來。於此，第一及第二散熱板2A及2B的角色係有 效地傳遞爲非絕緣半導體裝置900發射之熱至外側及作爲 電源。由此觀點看來，一鋁材料可以用於第一及第二散熱板 2A及2B。以此方式所取得之全波整流器950具有如第43C 圖所不之電路。 此實施例之非絕緣半導體裝置900之熱阻値爲〇.7°C /W。高導熱率之中間金屬件40放置於主散熱通道中，有利 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) 一 -75- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 569412 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（A 於提供此優良之散熱品質。能提供優良散熱品質的另一理 由爲中間金屬件40的焊錫面係爲事先執行之熱處理所淸洗， 以執行一少量孔隙的焊接。同時，於間歇地施加電流至非絕 緣半導體裝置900之電力循環測試中，使得容器125的溫度 由30變化至125°C，直到50000循環時，其熱阻値仍幾乎相等 於啓始値。這是由於具有中間熱膨脹率之中間金屬件40係 被放置於容器125及二極體元件基材101之間。然而，除此 之外，也歸因於具有氧化亞銅粒子125B分佈於銅基質125A 中之基質材料125’係強力地結合至由公式2之還原反應所 形成之銅層125D上，以及，銅層125D及金屬層125C係藉由 相互擴散而強力地結合在一起。 上述全波整流器950係附著至車輛之三相馬達上。由 汽車引擎所送出之電力係被傳送至一轉子，附著至此轉子之 轉子線圏以爲激磁繞組線所產生之場互鏈，藉以於轉子線圏 中產生一交流電。全波整流器950之U、V及W端係連接 至上述轉子線圈。因此，經由U、V及W終端之交流電係被 每一半導體裝置900所轉換爲一直流，並經由終端A及B供 給至一負載。 全波整流950係被放置於車輛之引擎室中，具有全波整 流器950附著其上之三相馬達。此車輛受到距離320000公 里的駕駛測試。三相馬達及全波整流器950於此駕駛測試 時均一直於操作狀況下，但電氣功能係一直保持於幾乎相等 於啓始位準之位準。如此耐用之原因是如上述提供之優良 散熱品質及連接可靠性所造成。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •β等 訂 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X297公釐） -76- 569412 A7 B7 五、發明説明（)4 本發明之實施例已經如上述加以說明。本發明之半導 體裝置900應不被限定於所述實施例的範圍內。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第44至46圖爲例不本發明之半導體裝置的各種變化 例剖面圖。基於這些形式之絕緣及非絕緣半導體裝置係有 效以提一半導體裝置，其能免除於生產或操作時所產生之熱 應力或熱應變，並且每一構件並不會變形、再生及破裂，並爲 高度可靠及便宜的。 第44圖爲一絕緣半導體裝置的剖面圖，其中應用樹脂鑄 模。於此絕緣半導體裝置900中，一 1C晶片基材1 〇 1係以一 焊錫113所安裝於由本發明之複合材料件所構成之支撐件 125上，具有一導線架40經由一絕緣聚醯亞胺帶70而結合 至其上。1C晶片基材101係爲一金屬細線117所連接至導 線架40。這些元件之合體係整個被覆蓋以環氧樹脂22,除了 導線架40最後被彎成終端的部份之外。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第45圖爲具有樹脂模應用至其上之非絕緣半導體裝置 的剖面圖。於此非絕緣半導體裝置900中，一 1C晶片基材 101係以由焊錫11 3而焊接至一支撐件1 2 5上，該支擦件係 由本發明之複合材料件所構成，並具有一導線架40經由一絕 緣聚醯亞胺帶70結合至其上。1C晶片基材101係爲一金屬 細線117所連接至導線架40。這些元件之合體係整個被覆^ 蓋以環氧樹脂22,除了導線架40最後被彎成終端的部份及 支撐件125之部份之外。雖然未示於圖中，一用以冷卻之機 構，例如鋁翼片可以附著至支撐件125,以更進一步加強散熱 效果。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ' -77- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（4 第46圖爲一非絕緣半導體裝置的剖面圖，其具有一 ic 晶片基材包裝於一針格式陣列封裝中。封裝件5係爲一多 層配線氧化鋁基材，其被提供有一 Ag-Pt厚膜導體層，其具有 由本發明之複合材料件所構成之支撐件1 25及一金屬接腳 7.1，其係事先以銀焊錫附著至其上。1C晶片基材1〇1係以焊 錫113安裝於支撐件125上，並將Au線打線，以連接至封裝 件5的配線上。同時，於包含有1C晶片基材1 〇 1之空間係藉 由以A u - S η爲主之焊錫結合封裝件5至科伐鐵錬銘合金板 72加以密封。 再者，例如具有本發明之半導體裝置900裝於其中之變 頻器裝置（見第12圖）可以加入於一具無刷直流馬達之冷氣 機（於冷卻時功率消耗3千瓦，電源電壓200伏）中。於此時， 可以取得高效能，其係有利於使用冷氣機時之功率消耗。於 到達一設定室溫之開始點及到達點間之時間，相較於傳統使 用交流馬達者可以節省約一半。 當半導體裝置900加入於攪拌或流動液體之其他設備 中，例如一洗衣機或流體循環設備中，也可以達到類似作用。 於本發明中，半導體係被加入一供給電力之電路中。於 此時，類似於上述實施例之作用也可以取得，當（1)半導體裝置 被加入用以供給電力至一轉動齒輪之電路，以控制上述轉動 齒輪的轉速，或半導體裝置加入一系統本身與轉動齒輪一起 移動（例如火車、電梯、手扶電梯、輸送帶）之中，以控制上 述移動系統之移動速度，（2)用以供電至上述轉動齒輪之電路 爲變頻器電路時，（3)半導體裝置被加入用以攪拌或流動流體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） ' ' •78- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 569412 A7 —_B7 五、發明説明（& (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 的設備中，以控制攪拌或流動材料的速度，（4)半導體裝置係被 加入於處理材料的設備中，以控制處理材料的硏磨速度，（5)半 導體裝置被加入於一發射器中，以控制由上述發射器所射出 之光數量，及（6)半導體裝置操作於50Hz至30kHz之輸出頻 率中〇 於本發明中，提供於複合材料件125上之電鍍層.125A不 應只限定於鎳。爲了改良軟焊及硬焊材料的可濕潤性，表面 較佳係被塗覆以 Cu、Ni、Ag、Au、Pt、Pd、Sn、Sb、A卜 Zn、或其合金。於此時，不只電鍍，也可以使用氣相沉積或濺 鍍。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於本發明中，焊錫113及124並不限定於實施例所揭示 之材料。具有各種組成/成份之材料也可以取決於半導體裝 置所備製的製程及半導體裝置所需之特性加以選擇，特別是 對熱疲勞之抵抗的可靠性加以選擇。例如，可以使用由卩^ 5wt%Sb、Pb-52wt%Sn-8wt%Bi、Au-12wt%Ge、Au-6wt%Si、 Au-20wt%Si、Al-ll，7wt%Si、Ag-4.5Si、Au-85wt%Pb、Au-26wt%Sb、Cu-69.3wt%Mg、Cu-35wt%Mn、Cu-36wt%Pb、Cu-76.5wt%Sb、Cu-16.5wt%Si、Cu-28wt%Ti、Cu-10wt%Zr，或其 任一組合之焊錫。 於本發明中，可以替代半導體基材1〇1之材料包含 Si:4.2ppm/〇C Λ Ge:5.8ppm/〇C ' GaAs:6.5ppm/°C,GaP:5.3ppm/ °C、SiC:3.5ppm/t：等等。對於含這些材料的半導體元件的 安裝並沒有任何限定。於此時，半導體基材可以具有未於實 施例中所述之例如閘流體及電晶體的電氣功能。同時，予以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -79- 569412 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（a 安裝於金屬結合電路基材122上之元件也並不限定於半導 體基材，也可以例如爲一例如電容、電阻及線圈之被動元 件。 以下係揭示於本說明書中。 U)—種用於半導體裝置的複合材料件，該複合材料件係 爲一複合金屬板，具有由氧化亞銅所構成之粒子分佈於一銅 基質中，其中該複合金屬板的表面係被覆蓋以一金屬層，及一 具有厚度0.5微米或更大之銅層係存在於由該複合金屬板及 金屬層所形成之界面中。 (2) 依據（1)之複合材料件，其中該複合金屬板之熱膨脹率 係爲 7 至 12.5ppm/°C。 (3) 依據（1)之複合材料件，其中該複合金屬板之導熱率係 7〇W/m.K或更大。 (4) 依據（1)之複合材料件，其中該分佈於銅基質中之由氧 化亞銅所構成之粒子的濃度爲24至7〇體積百分比。 (5) 依據（1)之複合材料件，其中該金屬層包含由Ni、 Sn、Ag、Au、Pt、Pd及Zn所構成之群組中所選出之至少一 類型之金屬，及該金屬層的厚度爲〇·4至1〇〇微米。 (6) 依據（1)之複合材料件，其中該金屬層及銅層藉由擴散 形成一結合界面。 (7) —種絕緣半導體裝置，爲一具有半導體基材經由一絕 緣件安裝於一支撐件上之半導體裝置，或爲一具有半導體基 材經由一連續之絕緣件及中間金屬件安裝於一支撐件上之 半導體裝置，其中，該半導體裝置包含一複合材料件，其中至 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇><297公羡） -80- 569412 A 7 _____B7_ 五、發明説明（τ>8 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 少該支撐件及該中間金屬件之一係爲一複合金屬板，具有由 氧化亞銅構成之粒子分佈於一銅基質中，該複合金屬板的表 面係被覆蓋以一金屬層，及一具有0.5微米或更厚之銅層係 存在於由複合金屬板及金屬層所形成之界面中。 (8) 依據（7)之絕緣半導體裝置，其中該支撐件係由陶瓷構 成，及該半導體元件基材係經由一中間金屬件而安裝於陶瓷 上。 (9) 一種非絕緣半導體裝置，係爲一具有一半導體基材安 裝於一支撐件上之半導體裝置或爲一經由一中間金屬件安 裝半導體基材於一支撐件上之半導體裝置，其中該半導體裝 置包含一複合材料件，其中，該支撐件及該中間金屬件之至少 之一係爲一複合金屬板，其具有氧化亞銅構成之粒子分佈於 一銅基質中，該複合金屬板之表面係被覆蓋以一金屬層，及一 具有厚度0.5微米或更厚之銅層係存在於由複合金屬板及金 屬層所形成之界面中。 (10) 依據（9)之非絕緣半導體裝置，其中該支撐件係爲一 構件，以安裝該半導體元件基材及一終端。 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 (11) 一種非絕緣半導體裝置，係爲一具有一半導體基材 放置於一對彼此相對放置的電極構件間之半導體裝置，或者， 具有該半導體基材接觸於其一主面之中間金屬件並放置於 g亥對電極構件間的半導體裝置，其中該電極構件及該中間金 屬件之至少之一係爲一複合金屬，其具有氧化亞銅所構成之 粒子分佈於一銅基質中，該複合金屬之表面係被覆蓋以一金 屬層，及一具有〇· 5微米厚或更厚之銅層存在於由複合金屬 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ：297公釐) ^ - -81 - 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（ 及金屬層所形成之界面中。 (12) 依據（11)之絕緣或非絕緣半導體裝置，其中，該支撐 件或該中間金屬件之熱膨脹率係爲7至12.5ppm/°C。 (13) 依據（7)至（11)之任一項所述之絕緣或非絕緣半導體 裝置，其中該支撐件或該中間金屬件之導熱率係爲70W/m.K 或更大。 (14) 依據（7)至（11)之任一項所述之絕緣或非絕緣半導體 裝置，其中該分佈於銅基質中之氧化亞銅構成之粒子的濃度 爲24至70體積百分比。 (15) 依據（7)至（11)之任一項所述之絕緣或非絕緣半導體 裝置，其中該金屬層包含由Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd及Zn 所構成之群組所選出之至少一類型金屬，以及，該金屬層的厚 度爲0.4至100微米。 (16) 依據（7)至（11)之任一項所述之絕緣或非絕緣半導體 裝置，其中該金屬層及銅層藉由擴散形成一結合界面。 更應爲熟習於本技藝者所了解的是，前述說明係針對本 發明之實施例，各種變化及修改可以在不脫離本發明之精神 及隨附之申請專利範圍下加以完成。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -82-

Claims (1)

  1. 569412 Α8 Β8 C8 D8 ，經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 公告本 、申請專利範圍 1 1 一*種用於半導體裝置的複合材料件，其中_胃合·材· 料件係爲一複合金屬板，具有由氧化亞銅所構成之|立子^分 <布 於一銅基質中， 其中該複合金屬板的表面係被覆蓋以一金屬胃，及_胃 有厚度0·5微米或更厚之銅層係存在於由該複合金屬板及金 屬層所形成之界面中。 2 ·如申目靑專利範圍弟1項所述之複合材料件宜中該 複合金屬板之熱膨脹率係爲7至12.5ppm/°C。 3 .如申g靑專利範圍弟1項所述之複合材料件宜中該 複合金屬板之導熱率係70W/m.K或更大。 4 .如申請專利範圍第1項所述之複合材料件，其中該 分佈於銅基質中之由氧化亞銅所構成之粒子的濃度爲24至 7〇體積百分比。 5 .如申g靑專利範圍第1項所述之複合材料件宜中該 金屬層包含由Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd及Zn所構成之群 組中所選出之至少一類型之金屬，及該金屬層的厚度爲〇·4 至100微米。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之複合材料件，其中該 金屬層及銅層藉由擴散形成一結合界面。 7 . —種絕緣半導體裝置，爲一具有半導犟基材經由一 絕緣件安裝於·一支撐件上之半導體裝置，或爲〜具有半導體 基材經由一連續之絕緣件及中間金屬件安裝於一支撐件上 之半導體裝置，其中， . 該半導體裝置包含一複合材料件，其中至少該支撐件及 本紙張又度適用中國國家梂準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
    -83- 569412 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2 該中間金屬件之一係爲一複合金屬板，具有由氧化亞銅構成 之粒子分佈於一銅基質中，該複合金屬板的表面係被覆蓋以 一金屬層，及一具有0.5微米或更厚之銅層係存在於由複合 金屬板及金屬層所形成之界面中。 8 .如申請專利範圍第7項所述之絕緣半導體裝置，其 中該支撐件係由陶瓷構成，及該半導體元件基材係經由一中 間金屬件而安裝於陶瓷上。 9 · 一種非絕緣半導體裝置，係爲一具有一半導體基材 安裝於一支撐件上之半導體裝置或爲一經由一中間金屬件 安裝半導體基材於一支撐件上之半導體裝置， 其中該半導體裝置包含一複合材料件，其中，該支撐件及 .該中間金屬件之至少之一係爲一複合金屬板，其具有氧化亞 銅構成之粒子分佈於一銅基質中，該複合金屬板之表面係被 覆蓋以一金屬層，及一具有厚度0.5微米或更厚之銅層係存 在於由複合金屬板及金屬層所形成之界面中。 1 〇 .如申請專利範圍第9項所述之非絕緣半導體裝 置，其中該支撐件係爲一構件，以安裝該半導體元件基材及一 終端。 1 1 . 一種非絕緣半導體裝置，係爲一具有一半導體基 材放置於一對彼此相對放置的電極.構件間之半導體裝置，或 者，具有該半導體基材接觸於其一主面之中間金屬件並放置 於該對電極構件間的半導體裝置， 其中該電極構件及該中間金屬件之至少之係爲一複 合金屬，其具有氧化亞銅所構成之粒子分佈於一銅基質中，該 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
    -84- 569412 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 3 複合金屬之表面係被覆蓋以一金屬層，及一具有0.5微米厚 或更厚之銅層存在於由複合金屬及金屬層所形成之界面 中。 1 2 .如申請專利範圍第7項所述之絕緣或非絕緣半 導體裝置，其中，該支撐件或該中間金屬件之熱膨脹率係爲7 至 12.5ppm/°C。 1 3 ·如申請專利範圍第7項所述之絕緣或非絕緣半 導體裝置，其中該支撐件或該中間金屬件之導熱率係爲 70W/m.K或更大。 1 4 _如申請專利範圍第7項所述之絕緣或非絕緣半 導體裝置，其中該分佈於銅基質中之氧化亞銅構成之粒子的 濃度爲24至70體積百分比。 1 5 ·如申請專利範圍第7項所述之絕緣或非絕緣半 導體裝置，其中該金屬層包含由Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd及 Zn所構成之群組選出之至少一類型金屬，以及，該金屬層的 厚度爲0.4至100微米。 1 6 .如申請專利範圍第7項所述之絕緣或非絕緣半導 體裝置，其中該金屬層及銅層藉由擴散形成一結合界面。 I:-IL------^II (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 .丨線 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210X297公釐） - 85-
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