WO2020115869A1 - 半導体装置用基板 - Google Patents

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WO2020115869A1
WO2020115869A1 PCT/JP2018/044943 JP2018044943W WO2020115869A1 WO 2020115869 A1 WO2020115869 A1 WO 2020115869A1 JP 2018044943 W JP2018044943 W JP 2018044943W WO 2020115869 A1 WO2020115869 A1 WO 2020115869A1
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ceramic sintered
semiconductor device
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Inventor
勇治 梅田
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日本碍子株式会社
Ｎｇｋエレクトロデバイス株式会社
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device substrate.
  • a DBOC substrate Direct Bonding of Copper Substrate
  • a DBOA Direct Bonding of Aluminum Substrate
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor device substrate including a ceramics sintered body containing alumina, partially stabilized zirconia, and magnesia.
  • the partially stabilized zirconia content is 1 to 30 wt% and the magnesia content is 0.05 to 0.50 wt%.
  • the molar fraction is 0.015 to 0.035, and 80 to 100% of the zirconia crystals contained in the ceramic sintered body is a tetragonal phase. According to the ceramics sintered body described in Patent Document 1, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the bonding interface between the ceramics sintered body and the circuit board or the aluminum plate, and to improve the thermal conductivity. There is.
  • Patent Document 2 discloses a semiconductor device substrate including a ceramics sintered body containing alumina, zirconia, and yttria.
  • the content of zirconia is 2 to 15% by weight, and the average particle diameter of alumina is 2 to 8 ⁇ m. It is said that the ceramic sintered body described in Patent Document 2 can improve the thermal conductivity.
  • Patent Document 1 Although the thermal conductivity of the ceramic sintered body alone is examined, the thermal resistivity of the entire semiconductor device substrate including the circuit board (circuit board or aluminum plate) is examined. It has not been.
  • Patent Document 2 the thermal resistivity of the semiconductor device substrate as a whole is not examined, and cracks at the bonding interface are not examined.
  • the present invention has an object to provide a substrate for a semiconductor device capable of both reducing thermal resistance and suppressing cracks.
  • a semiconductor device substrate includes a ceramics sintered body, a first circuit board, and a second circuit board.
  • the ceramic sintered body is formed in a plate shape and has a first main surface and a second main surface.
  • the first circuit board is arranged on the first main surface and is made of copper or aluminum.
  • the second circuit board is arranged on the second main surface and is made of copper or aluminum.
  • the ceramic sintered body contains Al, Zr, Y and Mg.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. 1.
  • 6 is a flowchart for explaining a method for manufacturing a semiconductor device substrate according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device 1 according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.
  • the semiconductor device 1 is an automobile, an air conditioner, an industrial robot, a commercial elevator, a household microwave oven, an IH electric rice cooker, power generation (wind power generation, solar power generation, fuel cells, etc.), electric railway, UPS (uninterruptible power supply). It is used as a power module in various electronic devices such as.
  • the semiconductor device 1 includes a semiconductor device substrate 2, a semiconductor chip 6, a bonding wire 7, a heat sink 8 and a heat dissipation portion 9.
  • the semiconductor device substrate 2 is a so-called DBOC substrate (Direct Bonding of Copper Substrate) or a DBOA substrate (Direct Bonding of Aluminum Substrate).
  • DBOC substrate Direct Bonding of Copper Substrate
  • DBOA substrate Direct Bonding of Aluminum Substrate
  • the size and the planar shape of the semiconductor device substrate 2 are not particularly limited, but may be, for example, a square or a rectangle having a vertical length P1 of 25 to 40 mm and a horizontal length Q1 of 35 to 50 mm.
  • the thickness of each component forming the semiconductor device substrate 2 will be described later.
  • the semiconductor device substrate 2 includes a ceramics sintered body 3, a first circuit board 4 and a second circuit board 4'.
  • the ceramic sintered body 3 is an insulator for the semiconductor device substrate 2.
  • the ceramic sintered body 3 is formed in a flat plate shape.
  • the ceramic sintered body 3 has a first main surface F1 and a second main surface F2 opposite to the first main surface. The constituent elements of the ceramic sintered body 3 will be described later.
  • the first circuit board 4 is arranged on the first main surface F1 of the ceramic sintered body 3.
  • the first circuit board 4 is made of copper or aluminum.
  • the first circuit board 4 is formed in a flat plate shape.
  • the first circuit board 4 is directly bonded to the first main surface F1 of the ceramic sintered body 3.
  • the 1st circuit board 4 which concerns on this embodiment is comprised from the board member of 3 sheets, and the transmission circuit is formed by this.
  • the planar shape of the first circuit board 4 is not particularly limited as long as a desired transmission circuit is formed by a plurality of plate members.
  • the coverage of the first main surface F1 by the first circuit board 4 is not particularly limited, but can be set to 85% or more and 95% or less, for example.
  • the coverage of the first main surface F1 by the first circuit board 4 is obtained by dividing the total area of the first circuit board 4 by the total area of the first main surface F1 in a plan view of the first main surface F1. ..
  • the second circuit board 4 ′ is arranged on the second main surface F2 of the ceramic sintered body 3.
  • the second circuit board 4' is made of copper or aluminum.
  • the second circuit board 4' is formed in a flat plate shape.
  • the second circuit board 4 ′ is directly bonded to the second main surface F2 of the ceramic sintered body 3.
  • the second circuit board 4' is a single plate member.
  • the coverage of the second main surface F2 with the second circuit board 4' is not particularly limited, but can be set to 90% or more and 96% or less, for example.
  • the coverage of the second main surface F2 by the second circuit board 4′ is obtained by dividing the total area of the second circuit board 4′ by the total area of the second main surface F2 in the plan view of the semiconductor device substrate 2. Desired.
  • the coverage of the second main surface F2 by the second circuit board 4′ may be the same as the coverage of the first main surface F1 by the first circuit board 4, or the first main surface by the first circuit board 4 may be used. It may be larger than the coverage of F1.
  • the total area of the second circuit board 4 ′ may be the same as the total area of the first circuit board 4 or may be larger than the total area of the first circuit board 4.
  • the method for producing the semiconductor device substrate 2 is not particularly limited, but it can be produced, for example, as follows. First, the first circuit board 4 is arranged on the first main surface F1 side of the ceramics sintered body 3, and the second circuit board 4'is arranged on the second main surface F2 side of the ceramics sintered body 3 to form a laminated body. To do. Next, the laminated body is heated under a nitrogen atmosphere condition of 1070° C. to 1075° C. for about 10 minutes.
  • a Cu—O eutectic liquid phase is generated at the interface where the ceramic sintered body 3 and the first and second circuit boards 4 and 4′ are joined (hereinafter collectively referred to as “joint interface”), and the ceramics The first and second main surfaces F1 and F2 of the sintered body 3 get wet.
  • the Cu—O eutectic liquid phase is solidified by cooling the laminated body, and the first and second circuit boards 4 and 4 ′ are joined to the ceramic sintered body 3.
  • the first copper plate 4 on which the electric transmission circuit is formed is bonded to the surface of the ceramic sintered body 3, but the electric transmission circuit may be formed by a subtractive method or an additive method. ..
  • the semiconductor chip 6 is bonded to the first circuit board 4.
  • the bonding wire 7 connects the semiconductor chip 6 and the first circuit board 4.
  • the heat sink 8 is joined to the second circuit board 4'.
  • the heat sink 8 absorbs heat of the semiconductor chip 6 transmitted through the semiconductor device substrate 2.
  • the heat sink 8 can be made of, for example, copper.
  • the size and shape of the heat sink 8 are not particularly limited.
  • the heat radiation part 9 is attached to the heat sink 8.
  • the heat radiating portion 9 radiates the heat of the semiconductor chip 6 transferred through the semiconductor device substrate 2 and the heat sink 8 to the outside air.
  • the heat dissipation part 9 can be made of, for example, aluminum.
  • the size and shape of the heat dissipation part 9 are not particularly limited.
  • the heat dissipation part 9 preferably has a plurality of fin parts 9a. Thereby, the heat dissipation efficiency of the heat dissipation part 9 can be improved.
  • the plane size and the plane shape of the heat sink 8 and the heat radiating portion 9 are not particularly limited, but for example, the length P2 can be a square or a rectangle having a length P2 of 25 to 40 mm and a width Q2 of 35 to 50 mm.
  • the ceramic sintered body 3 contains Al (aluminum), Zr (zirconium), Y (yttrium), and Mg (magnesium).
  • the content of Al in the ceramic sintered body 3 can be 75% by mass or more and 92.5% by mass or less in terms of Al 2 O 3 .
  • the Al content in the ceramic sintered body 3 is preferably 75% by mass or more and 85% by mass or less in terms of Al 2 O 3 .
  • the content of Zr in the sintered ceramic body 3 may be a less 27.5 wt% 5% or more in terms of ZrO 2, in terms of ZrO 2 7.5 wt% to 25 wt% The following is preferable, and 17.5 mass% or more and 23.5 mass% or less in terms of ZrO 2 is more preferable.
  • the Y content in the ceramic sintered body 3 can be 0.3% by mass or more and 2.0% by mass or less in terms of Y 2 O 3 .
  • the content of Y in the ceramic sintered body 3 is preferably 0.7% by mass or more and 2.0% by mass or less in terms of Y 2 O 3 .
  • the Y content By setting the Y content to 0.3% by mass or more in terms of Y 2 O 3 , the peak intensity ratio of the monoclinic phase among the ZrO 2 crystal phases contained in the ceramic sintered body 3 as a crystal phase becomes excessive. It is thought that this can be suppressed. As a result, it is considered that the mechanical strength of the ceramics sintered body 3 can be improved, which contributes to the suppression of cracking at the bonding interface.
  • the Y content By setting the Y content to 2.0% by mass or less in terms of Y 2 O 3 , the peak intensity ratio of the monoclinic phase of the ZrO 2 crystal phases contained as a crystal phase in the ceramic sintered body 3 becomes too small. It is thought that this can be suppressed. As a result, it is considered that the mechanical strength of the ceramics sintered body 3 can be improved, which contributes to the suppression of cracking at the bonding interface.
  • the content of Mg (S1 described later) in the ceramic sintered body 3 can be set to more than 0.08 mass% and less than 1.18 mass% in terms of MgO.
  • the ceramic sintered body 3 can be sintered without raising the firing temperature excessively, and Al 2 O 3 particles and ZrO 2 particles can be formed. It is considered that coarsening can be suppressed. As a result, it is considered that the mechanical strength of the ceramics sintered body 3 can be improved, which contributes to the suppression of cracking at the bonding interface. Further, it is considered that a sufficient amount of MgAl 2 O 4 (spinel) crystals can be generated in the ceramic sintered body 3 and the wettability with the Cu—O eutectic liquid phase at the time of joining the circuit boards can be improved. .. As a result, it is considered that it contributes to the suppression of the occurrence of voids at the bonding interface.
  • the ceramic sintered body 3 may include Hf (hafnium), Si (silicon), Ca (calcium), at least one of Na (sodium) and K (potassium), and the balance other than these. ..
  • the element contained in the balance may be an element intentionally added or an element inevitably mixed.
  • the element contained in the balance is not particularly limited, but examples thereof include Fe (iron), Ti (titanium), Mn (manganese), and the like.
  • the content of the constituent elements of the ceramic sintered body 3 is calculated as oxide as described above, but the constituent elements of the ceramic sintered body 3 exist in the form of oxide. Or may not be present in the oxide form.
  • at least one of Y, Mg, and Ca may not exist in the form of oxide and may be solid-dissolved in ZrO 2 .
  • the content of the constituent elements of the ceramic sintered body 3 in terms of oxide is calculated as follows. First, the constituent elements of the ceramic sintered body 3 are qualitatively analyzed using an X-ray fluorescence analyzer (XRF) or an energy dispersive analyzer (EDS) attached to a scanning electron microscope (SEM). Next, each element detected by this qualitative analysis is quantitatively analyzed using an ICP emission spectroscopic analyzer. Next, the content of each element measured by this quantitative analysis is converted into an oxide.
  • XRF X-ray fluorescence analyzer
  • EDS energy dispersive analyzer
  • SEM scanning electron microscope
  • composition of ceramic sintered body 3 and thickness of each constituent member Next, the combination of the composition of the ceramic sintered body 3 and the thickness of each of the ceramic sintered body 3, the first circuit board 4 and the second circuit board 4'will be described.
  • the thickness of the first circuit board is T1 mm
  • the thickness of the second circuit board is T2 mm
  • the thickness of the ceramic sintered body is T3 mm
  • the thickness T1mm of the first circuit board may be the same as the thickness T2mm of the second circuit board, or may be greater than the thickness T2mm of the second circuit board.
  • the ceramic sintered body 3 may be concavely deformed toward the second circuit board 4'when the circuit boards are joined. is there. Therefore, when the total area of the second circuit board 4'is larger than the total area of the first circuit board 4, the thickness T1mm of the first circuit board is preferably larger than the thickness T2mm of the second circuit board.
  • the mechanical strength of the ceramic sintered body 3 can be further increased, and thus cracks can be further suppressed from occurring at the joint interface.
  • the mechanical strength of the ceramic sintered body 3 can be further increased, and thus cracks can be further suppressed from occurring at the joint interface.
  • the mechanical strength of the ceramic sintered body 3 can be further increased, so that the occurrence of cracks at the joint interface can be further suppressed.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the ceramic sintered body 3.
  • step S1 in addition to Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 and MgO, if desired, a powder material such as HfO 2 , SiO 2 , CaO, Na 2 O and K 2 O is prepared.
  • each of ZrO 2 and Y 2 O 3 may be a single powder material, or a ZrO 2 powder material partially stabilized with Y 2 O 3 may be used. Further, Mg, Ca, and alkali metals (Na and K) may be carbonate powder.
  • step S2 the prepared powder material is pulverized and mixed by, for example, a ball mill.
  • step S3 an organic binder (for example, polyvinyl butyral), a solvent (xylene, toluene, etc.) and a plasticizer (dioctyl phthalate) are added to the pulverized and mixed powder material to form a slurry-like substance.
  • organic binder for example, polyvinyl butyral
  • solvent xylene, toluene, etc.
  • plasticizer dioctyl phthalate
  • step S4 the slurry-like substance is formed into a desired shape by a desired forming means (for example, a die press, a cold isostatic press, injection molding, a doctor blade method, an extrusion molding method, etc.) to form a ceramic molded body.
  • a desired forming means for example, a die press, a cold isostatic press, injection molding, a doctor blade method, an extrusion molding method, etc.
  • the thickness of the ceramic molded body is adjusted in consideration of the firing shrinkage in S5.
  • step S5 the ceramic molded body is fired (150 to 1620° C., 0.7 to 1.0 hour) in an oxygen atmosphere or an air atmosphere.
  • polyvinyl butyral as an organic binder xylene as a solvent, and dioctyl phthalate as a plasticizer were added to the pulverized and mixed powder material to form a slurry-like substance.
  • the slurry-like substance was formed into a sheet by the doctor blade method to produce a ceramic compact.
  • the thickness of the ceramic molded body was adjusted for each sample so that the thickness T3 of the ceramic sintered body 3 became the value shown in Table 1 by changing the gate height of the blade.
  • the ceramic sintered body 3 had a vertical length P1 of 40 mm and a horizontal length Q1 of 40 mm.
  • the first circuit board 4 made of oxygen-free copper conforming to JIS C1020 (one vertical length 37.4 mm x horizontal length 19.8 mm, two vertical length 37.4 mm x horizontal length 7.8 mm) And a second circuit board 4′ (one having a length of 37.4 mm ⁇ a width of 37.4 mm) were prepared.
  • the thickness T1 of the first circuit board 4 and the thickness T2 of the second circuit board 4' were different for each sample.
  • the laminated body in which the ceramic sintered body 3 was sandwiched between the first and second circuit boards 4 and 4′ was heated at 1070° C. for 10 minutes in a nitrogen (N 2 ) atmosphere.
  • the first and second circuit boards 4 and 4 ′ were joined to the ceramic sintered body 3 by cooling the laminated body.
  • the coverage of the first main surface F1 by the first circuit board 4 was 82.7%, and the coverage of the second main surface F2 by the second circuit board 4'was 87.4%.
  • a copper heat sink 8 (vertical length 60 mm ⁇ horizontal length 60 mm ⁇ thickness 3 mm) to which an aluminum heat dissipation portion 9 (vertical length 60 mm ⁇ horizontal length 60 mm ⁇ thickness 6.5 mm) is attached using solder was joined to the second circuit board 4'.
  • the Si semiconductor chip 6 is bonded to the first circuit board 4 by using solder, and the Si semiconductor chip 6 (vertical length 10 mm ⁇ horizontal length 10 mm ⁇ thickness 0.35 mm) and the first circuit board 4 are joined together.
  • the bonding wire 7 was attached.
  • sample No. that does not satisfy the formula (1).
  • the mechanical strength of the ceramic sintered body 3 was insufficient, so cracks were generated at the bonding interface. It was easy.
  • the sample No. which does not satisfy the upper limit of the equation (2) Even with 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, the mechanical strength of the ceramic sintered body 3 was not sufficient, so that cracks were likely to occur at the bonding interface.
  • the ceramic sintered body 3 having low thermal conductivity and the first and second ceramics having high thermal conductivity. Since the relative thickness with respect to the circuit boards 4 and 4'is not optimized, the thermal resistivity of the semiconductor device substrate 2 as a whole was high.
  • sample No. 1 and sample No. As can be seen by comparing 8 and 18, in the sample satisfying the above formula (5), it is found that cracks are generated at the bonding interface between the ceramic sintered body 3 and the first and second circuit boards 4 and 4'. I was able to suppress more.
  • the present invention it is possible to achieve both reduction of thermal resistivity and suppression of cracks in the semiconductor device substrate, so that the semiconductor device substrate according to the present invention can be used in various electronic devices.

Abstract

半導体装置用基板（２）は、セラミックス焼結体（３）と、第１回路板（４）と、第２回路板（４'）とを備える。セラミックス焼結体（３）において、ＭｇのＭｇＯ換算での含有量をＳ１質量％とし、ＺｒのＺｒＯ２換算での含有量をＳ２質量％とした場合、下記の式１が成立する。第１回路板（４）の厚さをＴ１ｍｍとし、第２回路板（４'）の厚さをＴ２ｍｍとし、セラミックス焼結体（３）の厚さをＴ３ｍｍとした場合、下記の式２、３、４が成立する。　－０．００４×Ｓ２＋０．１７１＜Ｓ１＜－０．０３２×Ｓ２＋１．４２７・・・（１）　１．７＜（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ３＜３．５・・・（２）　Ｔ１≧Ｔ２・・・（３）　Ｔ３≧０．２５・・・（４）

Description

半導体装置用基板
　本発明は、半導体装置用基板に関する。
　パワートランジスタモジュールなどに用いる半導体装置用基板として、セラミックス焼結体の表裏面に回路板を備えたＤＢＯＣ基板（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）や、セラミックス焼結体の表裏面にアルミニウム板を備えたＤＢＯＡ基板（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　ｏｆ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）が知られている。
　特許文献１には、アルミナと部分安定化ジルコニアとマグネシアとを含むセラミックス焼結体を備える半導体装置用基板が開示されている。特許文献１に記載のセラミックス焼結体において、部分安定化ジルコニアの含有量は１～３０ｗｔ％であり、マグネシアの含有量は０.０５～０.５０ｗｔ％であり、部分安定化ジルコニアにおけるイットリアのモル分率は０.０１５～０.０３５であり、セラミックス焼結体に含まれるジルコニア結晶のうち８０～１００％が正方晶相である。特許文献１に記載のセラミックス焼結体によれば、セラミックス焼結体と回路板又はアルミニウム板との接合界面にクラックが生じることを抑制できるとともに、熱伝導率を向上させることができるとされている。
　特許文献２には、アルミナとジルコニアとイットリアとを含むセラミックス焼結体を備える半導体装置用基板が開示されている。特許文献２に記載のセラミックス焼結体において、ジルコニアの含有量は２～１５重量％であり、アルミナの平均粒径は２～８μｍである。特許文献２に記載のセラミックス焼結体によれば、熱伝導率を向上させることができるとされている。
特許４７１７９６０号公報 特表２０１５－５３４２８０号公報
　しかしながら、特許文献１では、セラミックス焼結体単体での熱伝導率については検討されているものの、回路板（回路板又はアルミニウム板）を含めた半導体装置用基板全体としての熱抵抗率については検討されていない。
　同様に、特許文献２でも、半導体装置用基板全体としての熱抵抗率については検討されておらず、また、接合界面におけるクラックについても検討されていない。
　そこで、本発明者が鋭意検討した結果、セラミックス焼結体の組成と各構成部材の厚みとの組み合わせが、半導体装置用基板の熱抵抗率及び接合界面におけるクラックに影響を与えるという新たな知見を得た。
　本発明は、熱抵抗率の低減とクラックの抑制とを両立可能な半導体装置用基板の提供を目的とする。
　本発明に係る半導体装置用基板は、セラミックス焼結体と、第１回路板と、第２回路板とを備える。セラミックス焼結体は、板状に形成され、第１主面と第２主面とを有する。第１回路板は、第１主面上に配置され、銅又はアルミニウムによって構成される。第２回路板は、第２主面上に配置され、銅又はアルミニウムによって構成される。セラミックス焼結体は、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙ及びＭｇを含む。セラミックス焼結体において、ＭｇのＭｇＯ換算での含有量をＳ１質量％とし、ＺｒのＺｒＯ２換算での含有量をＳ２質量％とした場合、下記の式（１）が成立する。第１回路板の厚さをＴ１ｍｍとし、第２回路板の厚さをＴ２ｍｍとし、セラミックス焼結体の厚さをＴ３ｍｍとした場合、下記の式（２）、（３）、（４）が成立する。
　－０．００４×Ｓ２＋０．１７１＜Ｓ１＜－０．０３２×Ｓ２＋１．４２７・・・（１）
　１．７＜（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ３＜３．５・・・（２）
　Ｔ１≧Ｔ２・・・（３）
　Ｔ３≧０．２５・・・（４）
　本発明によれば、熱抵抗率の低減とクラックの抑制とを両立可能な半導体装置用基板を提供することができる。
実施形態に係る半導体装置の構成を示す斜視図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 実施形態に係る半導体装置用基板の製造方法を説明するためのフローチャートである。
　以下、本発明に係る半導体装置の構成について、図面を参照しながら説明する。
　（半導体装置１の構成）
　図１は、実施形態に係る半導体装置１の断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。
　半導体装置１は、自動車、空調機、産業用ロボット、業務用エレベータ、家庭用電子レンジ、ＩＨ電気炊飯器、発電（風力発電、太陽光発電、燃料電池など）、電鉄、ＵＰＳ（無停電電源）などの様々な電子機器においてパワーモジュールとして用いられる。
　半導体装置１は、半導体装置用基板２、半導体チップ６、ボンディングワイヤ７、ヒートシンク８及び放熱部９を備える。
　半導体装置用基板２は、いわゆるＤＢＯＣ基板（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、又は、ＤＢＯＡ基板（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　ｏｆ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）である。
　半導体装置用基板２のサイズ及び平面形状は特に制限されないが、例えば、縦長さＰ１が２５～４０ｍｍ、横長さＱ１が３５～５０ｍｍの正方形又は長方形とすることができる。半導体装置用基板２を構成する各構成部材の厚みについては後述する。
　半導体装置用基板２は、セラミックス焼結体３、第１回路板４及び第２回路板４’を備える。
　セラミックス焼結体３は、半導体装置用基板２用の絶縁体である。セラミックス焼結体３は、平板状に形成される。セラミックス焼結体３は、第１主面Ｆ１と、第１主面の反対側の第２主面Ｆ２とを有する。セラミックス焼結体３の構成元素については後述する。
　第１回路板４は、セラミックス焼結体３の第１主面Ｆ１上に配置される。第１回路板４は、銅又はアルミニウムによって構成される。第１回路板４は、平板状に形成される。第１回路板４は、セラミックス焼結体３の第１主面Ｆ１と直接的に接合される。本実施形態に係る第１回路板４は、３枚の板部材から構成されており、これによって電送回路が形成されている。ただし、第１回路板４の平面形状は特に制限されず、複数の板部材によって所望の電送回路が形成されていればよい。
　第１回路板４による第１主面Ｆ１の被覆率は特に制限されないが、例えば８５％以上９５％以下とすることができる。第１回路板４による第１主面Ｆ１の被覆率は、第１主面Ｆ１の平面視において、第１回路板４の合計面積を第１主面Ｆ１の全面積で除することによって求められる。
　第２回路板４’は、セラミックス焼結体３の第２主面Ｆ２上に配置される。第２回路板４’は、銅又はアルミニウムによって構成される。第２回路板４’は、平板状に形成される。第２回路板４’は、セラミックス焼結体３の第２主面Ｆ２と直接的に接合される。第２回路板４’は、単一の板部材である。
　第２回路板４’による第２主面Ｆ２の被覆率は特に制限されないが、例えば９０％以上９６％以下とすることができる。第２回路板４’による第２主面Ｆ２の被覆率は、半導体装置用基板２の平面視において、第２回路板４’の全面積を第２主面Ｆ２の全面積で除することによって求められる。第２回路板４’による第２主面Ｆ２の被覆率は、第１回路板４による第１主面Ｆ１の被覆率と同様であってもよいし、第１回路板４による第１主面Ｆ１の被覆率より大きくてもよい。第２回路板４’の全面積は、第１回路板４の全面積と同様であってもよいし、第１回路板４の全面積より大きくてもよい。
　半導体装置用基板２の作製方法は特に制限されないが、例えば次のように作製することができる。まず、セラミックス焼結体３の第１主面Ｆ１側に第１回路板４を配置し、セラミックス焼結体３の第２主面Ｆ２側に第２回路板４’を配置した積層体を形成する。次に、積層体を１０７０℃～１０７５℃の窒素雰囲気条件下で１０分程度加熱する。これによって、セラミックス焼結体３と第１及び第２回路板４，４’とが接合する界面（以下、「接合界面」と総称する。）にＣｕ－Ｏ共晶液相が生成され、セラミックス焼結体３の第１及び第２主面Ｆ１，Ｆ２が濡れる。次に、積層体を冷却することによってＣｕ－Ｏ共晶液相が固化されて、セラミックス焼結体３に第１及び第２回路板４，４’が接合される。
　なお、半導体装置用基板２では、電送回路が形成された第１銅板４がセラミックス焼結体３の表面に接合されているが、電送回路は、サブトラクティブ法又はアディティブ法によって形成されてもよい。
　半導体チップ６は、第１回路板４に接合される。ボンディングワイヤ７は、半導体チップ６と第１回路板４とを接続する。
　ヒートシンク８は、第２回路板４’に接合される。ヒートシンク８は、半導体装置用基板２を介して伝達される半導体チップ６の熱を吸収する。ヒートシンク８は、例えば銅などによって構成することができる。ヒートシンク８のサイズ及び形状は特に制限されない。
　放熱部９は、ヒートシンク８に取り付けられる。放熱部９は、半導体装置用基板２及びヒートシンク８を介して伝達される半導体チップ６の熱を外気中に放熱する。放熱部９は、例えばアルミニウムなどによって構成することができる。放熱部９のサイズ及び形状は特に制限されない。放熱部９は、複数のフィン部９ａを有することが好ましい。これにより、放熱部９の放熱効率を向上させることができる。
　ヒートシンク８及び放熱部９の平面サイズ及び平面形状は特に制限されないが、例えば、縦長さＰ２が２５～４０ｍｍ、横長さＱ２が３５～５０ｍｍの正方形又は長方形とすることができる。
　（セラミックス焼結体３の構成元素）
　セラミックス焼結体３は、Ａｌ（アルミニウム）と、Ｚｒ（ジルコニウム）と、Ｙ（イットリウム）と、Ｍｇ（マグネシウム）とを含む。
　セラミックス焼結体３におけるＡｌの含有量は、Ａｌ２Ｏ３換算で７５質量％以上９２．５質量％以下とすることができる。セラミックス焼結体３におけるＡｌの含有量は、Ａｌ２Ｏ３換算で７５質量％以上８５質量％以下であることが好ましい。
　セラミックス焼結体３におけるＺｒの含有量（後述する、Ｓ２）は、ＺｒＯ２換算で５％以上２７．５質量％以下とすることができ、ＺｒＯ２換算で７．５質量％以上２５質量％以下が好ましく、ＺｒＯ２換算で１７．５質量％以上２３．５質量％以下がより好ましい。
　Ｚｒの含有量をＺｒＯ２換算で７．５質量％以上とすることによって、セラミックス焼結体３の線熱膨張係数αが過小になることを抑制でき、セラミックス焼結体３と第１及び第２回路板４，４’との線熱膨張係数差を小さくできると考えられる。その結果、接合界面に生じる熱応力を小さくでき、接合界面にクラックが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。この効果は、Ｚｒの含有量をＺｒＯ２換算で１７．５質量％以上とすることによって更に向上させることができる。
　Ｚｒの含有量をＺｒＯ２換算で２５質量％以下とすることによって、回路板接合時の接合界面における反応が過剰になることを抑制でき、接合界面にボイドが生じることを抑制できると考えられる。その結果、接合界面にクラックが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。この効果は、Ｚｒの含有量をＺｒＯ２換算で２３．５質量％以下とすることによって更に向上させることができる。
　セラミックス焼結体３におけるＹの含有量は、Ｙ２Ｏ３換算で０．３質量％以上２．０質量％以下とすることができる。セラミックス焼結体３におけるＹの含有量は、Ｙ２Ｏ３換算で０．７質量％以上２．０質量％以下であることが好ましい。
　Ｙの含有量をＹ２Ｏ３換算で０．３質量％以上とすることによって、セラミックス焼結体３が結晶相として含むＺｒＯ２結晶相のうち単斜晶相のピーク強度比が過大になることを抑制できると考えられる。その結果、セラミックス焼結体３の機械的強度を向上でき、接合界面にクラックが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。
　Ｙの含有量をＹ２Ｏ３換算で２．０質量％以下とすることによって、セラミックス焼結体３が結晶相として含むＺｒＯ２結晶相のうち単斜晶相のピーク強度比が過小になることを抑制できると考えられる。その結果、セラミックス焼結体３の機械的強度を向上でき、接合界面にクラックが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。
　セラミックス焼結体３におけるＭｇの含有量（後述する、Ｓ１）は、ＭｇＯ換算で０．０８質量％より大きく１．１８質量％未満とすることができる。
　Ｍｇの含有量をＭｇＯ換算で０．０８質量％より大きくすることによって、焼成温度を過剰に高くしなくてもセラミックス焼結体３を焼結させられ、Ａｌ２Ｏ３粒子及びＺｒＯ２粒子の粗大化を抑制できると考えられる。その結果、セラミックス焼結体３の機械的強度を向上でき、接合界面にクラックが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。また、セラミックス焼結体３中に十分な量のＭｇＡｌ２Ｏ４（スピネル）結晶を生成でき、回路板接合時におけるＣｕ－Ｏ共晶液相との濡れ性を向上させることができると考えられる。その結果、接合界面にボイドが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。
　Ｍｇの含有量をＭｇＯ換算で１．１８質量％未満とすることによって、アルミナ及びジルコニア結晶の過剰な成長を抑制でき、セラミックス焼結体３の機械的強度を向上できると考えられる。その結果、接合界面にクラックが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。また、セラミックス焼結体３中にＭｇＡｌ２Ｏ４結晶が過剰に生成されることを抑制でき、回路板接合時の接合界面における反応が過剰になることを抑制できると考えられる。その結果、接合界面にボイドが生じることの抑制に寄与するものと考えられる。
　セラミックス焼結体３は、Ｈｆ（ハフニウム）と、Ｓｉ（ケイ素）と、Ｃａ（カルシウム）と、Ｎａ（ナトリウム）及びＫ（カリウム）の少なくとも一方と、これら以外の残部とを含んでいてもよい。残部に含まれる元素は、意図的に添加する元素であってもよいし、不可避的に混入する元素でもよい。残部に含まれる元素は特に制限されないが、例えば、Ｆｅ(鉄)、Ｔｉ（チタン）、Ｍｎ（マンガン）などが挙げられる。
　本実施形態において、セラミックス焼結体３の構成元素の含有量は、上記のとおり酸化物換算にて算出されるが、セラミックス焼結体３の構成元素は、酸化物の形態で存在していてもよいし、酸化物の形態で存在していなくてもよい。例えば、Ｙ、Ｍｇ及びＣａのうち少なくとも１種は、酸化物の形態で存在せず、ＺｒＯ２中に固溶していてもよい。
　セラミックス焼結体３の構成元素の酸化物換算での含有量は、以下のように算出される。まず、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）、又は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付設のエネルギー分散型分析器（ＥＤＳ）を用いて、セラミックス焼結体３の構成元素を定性分析する。次に、この定性分析により検出された各元素につき、ＩＣＰ発光分光分析装置を用いて定量分析を行う。次に、この定量分析により測定された各元素の含有量を酸化物に換算する。
　（セラミックス焼結体３の組成と各構成部材の厚み）
　次に、セラミックス焼結体３の組成と、セラミックス焼結体３、第１回路板４及び第２回路板４’それぞれの厚みとの組み合わせについて説明する。
　セラミックス焼結体３におけるＭｇのＭｇＯ換算での含有量をＳ１質量％とし、ＺｒのＺｒＯ２換算での含有量をＳ２質量％とした場合、下記の式（１）が成立する。
　－０．００４×Ｓ２＋０．１７１＜Ｓ１＜－０．０３２×Ｓ２＋１．４２７・・・（１）
　第１回路板の厚さをＴ１ｍｍとし、第２回路板の厚さをＴ２ｍｍとし、前記セラミックス焼結体の厚さをＴ３ｍｍとした場合、下記の式（２）、（３）、（４）が成立する、
　１．７＜（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ３＜３．５・・・（２）
　Ｔ１≧Ｔ２・・・（３）
　Ｔ３≧０．２５・・・（４）
　以上の式（１）～（４）が成立することによって、セラミックス焼結体３に熱サイクルがかかったとしても接合界面にクラックが生じることを抑制できるとともに、半導体装置用基板２全体としての熱抵抗率を低減させることができる。このような効果が得られる機序は必ずしも明らかではないが、式（１）、式（２）の上限値及び式（４）を満たすことでセラミックス焼結体３の機械的強度が高まることと、式（２）の下限値及び式（３）が成立することで熱伝導率の低いセラミックス焼結体３と熱伝導率の高い第１及び第２回路板４，４’との相対的な厚さが至適化されることとの相乗効果であると考えられる。
　式（３）に示すように、第１回路板の厚さＴ１ｍｍは、第２回路板の厚さＴ２ｍｍと同じであってもよいし、第２回路板の厚さＴ２ｍｍより大きくてもよい。ただし、第２回路板４’の全面積が第１回路板４の全面積より大きい場合、回路板接合時にセラミックス焼結体３が第２回路板４’側に向かって凹状に変形するおそれがある。そのため、第２回路板４’の全面積が第１回路板４の全面積より大きい場合には、第１回路板の厚さＴ１ｍｍは、第２回路板の厚さＴ２ｍｍより大きいことが好ましい。
　セラミックス焼結体３におけるＺｒのＺｒＯ２換算での含有量をＳ２については、下記の式（５）が成立することが好ましい。
　７．５≦Ｓ２≦２５・・・（５）
　式（５）が成立することによって、上述のとおり、セラミックス焼結体３の機械的強度をより高めることができるため、接合界面にクラックが生じることをより抑制できる。
　セラミックス焼結体３におけるＺｒのＺｒＯ２換算での含有量をＳ２については、下記の式（６）が成立することが更に好ましい。
　１７．５≦Ｓ２≦２３．５・・・（６）
　式（６）が成立することによって、セラミックス焼結体３の機械的強度を更に高めることができるため、接合界面にクラックが生じることを更に抑制できる。
　セラミックス焼結体３におけるＭｇのＭｇＯ換算での含有量Ｓ１については、下記の式（７）が成立することがより好ましい。
　０．０８＜Ｓ１＜１．１８・・・（７）
　式（７）が成立することによって、上述のとおり、セラミックス焼結体３の機械的強度をより高めることができるため、接合界面にクラックが生じることをより抑制できる。
　（セラミックス焼結体３の製造方法）
　図２を参照しながらセラミックス焼結体３の製造方法について説明する。図２は、セラミックス焼結体３の製造方法を示すフローチャートである。
　ステップＳ１において、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３及びＭｇＯのほか、所望によりＨｆＯ２、ＳｉＯ２、ＣａＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏなどの粉体材料を調合する。
　なお、ＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３のそれぞれは単独の粉体材料でもいいが、Ｙ２Ｏ３で部分安定化されたＺｒＯ２の粉体材料を用いてもよい。また、Ｍｇ、Ｃａ、及びアルカリ金属(Ｎａ及びＫ）は、炭酸塩粉体であってもよい。
　ステップＳ２において、調合した粉体材料を、例えばボールミルなどにより粉砕混合する。
　ステップＳ３において、粉砕混合した粉体材料に、有機質バインダー（例えば、ポリビニルブチラール）、溶剤（キシレン、トルエンなど）及び可塑剤（フタル酸ジオクチル）を添加してスラリー状物質を形成する。
　ステップＳ４において、所望の成形手段（例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、ドクターブレード法、押し出し成型法など）によって、スラリー状物質を所望の形状に成形してセラミックス成形体を作製する。この際、セラミックス焼結体３の厚さＴ３が、第１回路板の厚さＴ１及び第２回路板の厚さＴ２との関係において上記（２）～（４）が成立するように、ステップＳ５における焼成収縮率を考慮して、セラミックス成形体の厚さを調整する。
　ステップＳ５において、セラミックス成形体を、酸素雰囲気又は大気雰囲気で焼成（１５０～１６２０℃、０．７～１．０時間）する。
　サンプルＮｏ．１～７２として、図１及び図２に示した構成を有する半導体装置１を作製して、半導体装置１の熱抵抗とクラックが発生する熱サイクル数とを測定した。
　（半導体装置１の作製）
　まず、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３及びＭｇＯの粉体材料を調合して、ボールミルで粉砕混合した。この際、ＺｒＯ２の含有量Ｓ２とＭｇＯの含有量Ｓ１とを表１に示すようにサンプルごとに変更し、残りはＡｌ２Ｏ３とした。
　次に、粉砕混合した粉体材料に、有機質バインダーとしてのポリビニルブチラールと、溶剤としてのキシレンと、可塑剤としてのフタル酸ジオクチルとを添加してスラリー状物質を形成した。
　次に、ドクターブレード法によって、スラリー状物質をシート状に成形してセラミックス成形体を作製した。この際、ブレードのゲート高さを変更することによって、セラミックス焼結体３の厚さＴ３が表１に示す値になるように、セラミックス成形体の厚さをサンプルごとに調整した。
　次に、セラミックス成形体を、大気雰囲気において焼成（１６００℃、０．８時間）してセラミックス焼結体３を作製した。セラミックス焼結体３の縦長さＰ１は４０ｍｍであり、横長さＱ１は４０ｍｍであった。
　次に、ＪＩＳ　Ｃ１０２０に準拠した無酸素銅からなる第１回路板４（縦長さ３７．４ｍｍ×横長さ１９．８ｍｍが１枚、縦長さ３７．４ｍｍ×横長さ７．８ｍｍが２枚、）と第２回路板４’（縦長さ３７．４ｍｍ×横長さ３７．４ｍｍが１枚）とを準備した。第１回路板４の厚さＴ１と第２回路板４’の厚さＴ２は、表１に示すようにサンプルごとに異ならせた。
　次に、大気中で３００℃に加熱することによって、第１及び第２回路板４，４’それぞれの外表面を酸化させた。
　次に、セラミックス焼結体３を第１及び第２回路板４，４’で挟んだ積層体を、窒素（Ｎ２）雰囲気中において１０７０℃で１０分加熱した。
　次に、積層体を冷却することによって、セラミックス焼結体３に第１及び第２回路板４，４’を接合した。第１回路板４による第１主面Ｆ１の被覆率は８２．７％であり、第２回路板４’による第２主面Ｆ２の被覆率は８７．４％であった。
　次に、半田を用いて、アルミニウム製の放熱部９（縦長さ６０ｍｍ×横長さ６０ｍｍ×厚さ６．５ｍｍ）が取り付けられた銅製のヒートシンク８（縦長さ６０ｍｍ×横長さ６０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）を第２回路板４’に接合した。
　次に、半田を用いて、Ｓｉ半導体チップ６を第１回路板４に接合するとともに、Ｓｉ半導体チップ６（縦長さ１０ｍｍ×横長さ１０ｍｍ×厚さ０．３５ｍｍ）と第１回路板４とにボンディングワイヤ７を取り付けた。
　（熱抵抗の測定）
　サンプルＮｏ．１～７２について、Ｓｉ半導体チップ６に通電して発熱させることによって、下記の式（８）から半導体装置１の熱抵抗ＲＪ－ａ（℃／Ｗ）を測定した。ただし、式（８）において、ＴｊはＳｉ半導体チップ６の素子温度（℃）であり、ＴａはＳｉ半導体チップ６の周囲温度（℃）であり、ＱはＳｉ半導体チップ６に供給した電力（Ｗ）である。
　ＲＪ－ａ＝（Ｔｊ－Ｔａ）／Ｑ・・・（８）
　表１では、サンプルＮｏ．１～７２それぞれについて、１０ピースの熱抵抗率の平均値が記載されている。表１では、熱抵抗率（℃／Ｗ）が０．８０５以上のサンプルが「×」と評価され、０．７９０以上０．８０５未満のサンプルが「△」と評価され、０．７９０未満のサンプルが「○」と評価されている。
　（クラック発生率）
　サンプルＮｏ．１～７２について、セラミックス焼結体３にクラックが発生するまで、「－４０℃×３０分→２５℃×５分→１２５℃×３０分→２５℃×５分」のサイクルを繰り返した。
　表１では、サンプルＮｏ．１～７２それぞれについて、１０ピースのいずれかにクラックが発生したサイクル数がクラック発生サイクル数として記載されている。表１では、クラック発生サイクル数（回）が５１以上のサンプルが「○」と評価され、３１以上５０以下のサンプルが「△」と評価され、３０以下のサンプルが「×」と評価されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　表１に示すように、上述した式（１）～（４）のすべてが成立するサンプルでは、セラミックス焼結体３に熱サイクルがかかったとしても接合界面にクラックが生じることを抑制できたとともに、半導体装置用基板２全体としての熱抵抗率を低減させることができた。
　一方、式（１）を満たさないサンプルＮｏ．２，５，１２，１５，２２，２５，３２，３５，４２，４５，５２，５５，６２，６５では、セラミックス焼結体３の機械的強度が十分でなかったため、接合界面にクラックが生じやすかった。また、式（２）の上限値を満たさないサンプルＮｏ．１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０でも、セラミックス焼結体３の機械的強度が十分でなかったため、接合界面にクラックが生じやすかった。また、式（２）の下限値を満たさないサンプルＮｏ．６，１１，１６，２１，２６，３１，３６，４１，４６，５１，５６，６１，７７，７１では、熱伝導率の低いセラミックス焼結体３と熱伝導率の高い第１及び第２回路板４，４’との相対的な厚さが至適化されていないため、半導体装置用基板２全体としての熱抵抗率が高かった。
　また、サンプルＮｏ．１とサンプルＮｏ．８，１８とを比較すると分かるように、上述した式（５）が成立するサンプルでは、セラミックス焼結体３と第１及び第２回路板４，４’との接合界面にクラックが生じることをより抑制することができた。
　更に、上述した式（６）が成立するサンプルでは、セラミックス焼結体３と第１及び第２回路板４，４’との接合界面にクラックが生じることを更に抑制することができた。なお、この効果は、ＺｒのＺｒＯ２換算での含有量を１７．５質量％以上２３．５質量％以下としたサンプルにおいて特に向上させることができた。
　本発明によれば、半導体装置用基板における熱抵抗率の低減とクラックの抑制とを両立させることができるため、本発明に係る半導体装置用基板は、種々の電子機器において利用することができる。
１…半導体装置
２…半導体装置用基板
３…セラミックス焼結体
４，４’…回路板
６…半導体チップ
７…ボンディングワイヤ
８…ヒートシンク
９…放熱部
 

Claims (4)

  1. 　板状に形成され、第１主面と第２主面とを有するセラミックス焼結体と、
    　前記第１主面上に配置され、銅又はアルミニウムによって構成される第１回路板と、
    　前記第２主面上に配置され、銅又はアルミニウムによって構成される第２回路板と、
    を備え、
    　前記セラミックス焼結体は、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙ及びＭｇを含み、
    　セラミックス焼結体におけるＭｇのＭｇＯ換算での含有量をＳ１質量％とし、ＺｒのＺｒＯ２換算での含有量をＳ２質量％とした場合、下記の式（１）が成立し、
    　第１回路板の厚さをＴ１ｍｍとし、第２回路板の厚さをＴ２ｍｍとし、前記セラミックス焼結体の厚さをＴ３ｍｍとした場合、下記の式（２）、（３）、（４）が成立する、
    半導体装置用基板。
    　－０．００４×Ｓ２＋０．１７１＜Ｓ１＜－０．０３２×Ｓ２＋１．４２７・・・（１）
    　１．７＜（Ｔ１＋Ｔ２）／Ｔ３＜３．５・・・（２）
    　Ｔ１≧Ｔ２・・・（３）
    　Ｔ３≧０．２５・・・（４）
  2. 　前記セラミックス焼結体において、下記の式（５）が成立する、
    請求項１に記載の半導体装置用基板。
    　７．５≦Ｓ２≦２５・・・（５）
  3. 　前記セラミックス焼結体において、下記の式（６）が成立する、
    請求項１に記載の半導体装置用基板。
    　１７．５≦Ｓ２≦２３．５・・・（６）
  4. 　前記セラミックス焼結体において、下記の式（７）が成立する、
    請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置用基板。
    　０．０８＜Ｓ１＜１．１８・・・（７）
    　　 
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