特開 2022-188583 半導体装置用基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022188583

(43)【公開日】2022-12-21

(54)【発明の名称】半導体装置用基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/12 20060101AFI20221214BHJP

   H01L 23/13 20060101ALI20221214BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20221214BHJP

【ＦＩ】

H01L23/12 Q

H01L23/12 C

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021096735

(22)【出願日】2021-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】391039896

【氏名又は名称】ＮＧＫエレクトロデバイス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100124039

【弁理士】

【氏名又は名称】立花 顕治

(72)【発明者】

【氏名】高井 智生

(57)【要約】

【課題】銅板に凹部が形成されていても、半田等の接合材の濡れ広がりの阻害を抑制することができる半導体装置用基板を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体装置用基板は、第１面及び第２面を有する絶縁板と、前記絶縁板の第１面に接合され、導電パターンを形成するための第１銅板と、前記絶縁板の第２面に接合される第２銅板と、を備え、前記第１銅板及び第２銅板の少なくとも一方に複数の凹部が形成され、前記各凹部の開口の径Ｄ１が、当該凹部の開口よりも内部の最大径Ｄ２よりも小さい。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面及び第２面を有する絶縁板と、
前記絶縁板の第１面に接合され、導電パターンを形成するための第１銅板と、
前記絶縁板の第２面に接合される第２銅板と、
を備え、
前記第１銅板及び第２銅板の少なくとも一方に複数の凹部が形成され、
前記各凹部の開口の径Ｄ１が、当該凹部の開口よりも内部の最大径Ｄ２よりも小さい、半導体装置用基板。

【請求項2】

前記凹部の開口縁部と対応する、前記第１銅板または前記第２銅板の縁部は、前記開口の径方向内方に突出し、且つ、断面円弧状に形成されている、請求項１に記載の半導体装置用基板。

【請求項3】

前記縁部の曲率半径が、２．０μｍ以上である、請求項２に記載の半導体装置用基板。

【請求項4】

前記径Ｄ１に対する前記最大径Ｄ２の割合が、１．０８以上である、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置用基板。

【請求項5】

前記凹部は、前記絶縁板まで達していない、請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置用基板。

【請求項6】

前記第１銅板及び第２銅板の少なくとも一方の周縁に沿って、複数の前記凹部が形成されている、請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置用基板。

【請求項7】

前記第１銅板の中央付近に、複数の前記凹部が形成されている、請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置用基板。

【請求項8】

前記第１銅板及び第２銅板の両方に、複数の前記凹部がそれぞれ形成されている、請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置用基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置用基板に関する。

【背景技術】

【0002】

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、セラミック焼結体等の絶縁板の表面に銅板を備えたＤＢＯＣ基板（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）が知られている。そして、銅板の周縁には、例えば、特許文献１に示すような凹部を形成することができる。これにより、半導体装置の温度変化による熱応力が絶縁板に作用しても、複数の凹部により、銅板の周縁に生じる熱応力を緩和することができる。その結果、絶縁板の割れ、銅板の剥がれを防止することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公報第２０１９／１６７５０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、凹部を形成すると、上記のように銅板の周縁に生じる熱応力を緩和できるものの、銅板主面における半田等の接合材の濡れ広がりが凹部で阻害される恐れがあった。本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、銅板に凹部が形成されていても半田等の接合材の濡れ広がりの阻害を抑制することができる、半導体装置用基板を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る半導体装置用基板は、第１面及び第２面を有する絶縁板と、前記絶縁板の第１面に接合され、導電パターンを形成するための第１銅板と、前記絶縁板の第２面に接合される第２銅板と、を備え、前記第１銅板及び第２銅板の少なくとも一方に複数の凹部が形成され、前記各凹部の開口の径Ｄ１が、当該凹部の開口よりも内部の最大径Ｄ２よりも小さい。

【0006】

上記半導体装置用基板において、前記凹部の開口縁部と対応する、前記第１銅板または前記第２銅板の縁部は、前記開口の径方向内方に突出し、且つ、断面円弧状に形成することができる。

【0007】

上記半導体装置用基板において、前記縁部の曲率半径は、２．０μｍ以上とすることができる。

【0008】

上記半導体装置用基板において、前記径Ｄ１に対する前記最大径Ｄ２は、１．０８以上とすることができる。

【0009】

上記半導体装置用基板において、前記凹部は、前記絶縁板まで達しないように形成することができる。

【0010】

上記半導体装置用基板においては、前記第１銅板及び第２銅板の少なくとも一方の周縁に沿って、複数の前記凹部を形成することができる。

【0011】

上記半導体装置用基板においては、前記第１銅板の中央付近に、複数の前記凹部を形成することができる。

【0012】

上記半導体装置用基板においては、前記第１銅板及び第２銅板の両方に、複数の前記凹部をそれぞれ形成することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、銅板に凹部が形成されていても、半田等の接合材の濡れ広がりの阻害を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る半導体装置用基板を有する半導体装置の一実施形態を示す断面図である。

【図2】半導体装置用基板の平面図である。

【図3】半導体装置用基板の拡大断面図である。

【図4】凹部の他の例を示す断面図である。

【図5A】実施例１の凹部の断面図である。

【図5B】実施例１の凹部の縁部の拡大断面図である。

【図6A】実施例３の凹部の断面図である。

【図6B】実施例３の凹部の縁部の拡大断面図である。

【図7A】実施例４の凹部の断面図である。

【図7B】実施例４の凹部の縁部の拡大断面図である。

【図8A】実施例６の凹部の断面図である。

【図8B】実施例６の凹部の縁部の拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係る半導体装置用基板の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る半導体装置用基板を有する半導体装置の断面図である。

【0016】

＜１．半導体装置の概要＞
本実施形態に係る半導体装置は、例えば、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。

【0017】

図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、半導体装置用基板２、第１接合材５、第２接合材５’、半導体チップ６、ボンディングワイヤ７、及びヒートシンク８を備えている。

【0018】

半導体装置用基板２は、いわゆるＤＢＯＣ基板（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）であり、絶縁体である板状の絶縁板３と、その第１面（上面）に接合された第１銅板４と、第２面（下面）に接合された第２銅板４’とを備える。

【0019】

絶縁板３は、熱伝導性に優れた、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等の熱伝導性が高いセラミックスにより構成されている。絶縁板３の厚みは、例えば、０．２５～０．６３５ｍｍであることが好ましく、０．２５～０．３８ｍｍであることがさらに好ましい。

【0020】

第１銅板４には、導電パターン等の伝送回路が形成されている。一方、第２銅板４’は、平板状に形成されている。これらの銅板４，４’の厚みは、例えば、０．１～２．０ｍｍであることが好ましく、０．２～０．４ｍｍであることがさらに好ましい。銅板４，４’が厚いと半導体装置用基板２の放熱性が高まるが、一方で熱応力が大きくなり信頼性が低下する恐れがある。よって半導体装置１の用途や絶縁板３の機械的強度などにより銅板４，４’の厚みが設定される。また、第２銅板４’には、後述するように凹部が形成されている。

【0021】

この半導体装置用基板２の上面、つまり第１銅板４の上面の一部には、第１接合材５を介して半導体チップ６が接合されている。また、ボンディングワイヤ７により、半導体チップ６と第１銅板４とが接続されている。

【0022】

一方、半導体装置用基板２の下面、つまり第２銅板４’の下面には、第２接合材５’を介してヒートシンク８が接合されている。ヒートシンク８は、公知のものであり、例えば銅などの金属によって構成することができる。

【0023】

なお、接合材５，５’は、半田や銀ろうなどで形成することができる。接合材５，５’が半田である場合には、例えば、錫－銀－銅からなる合金、錫－亜鉛－ビスマスからなる合金、錫－銅からなる合金、錫－銀－インジウム－ビスマスからなる合金のうち少なくともいずれかの合金を主成分とする鉛フリー半田を採用することができる。

【0024】

＜２．第２銅板に形成される凹部＞
上述したように、第２銅板４’には凹部が形成されている。この点について、詳細に説明する。図２は第２銅板から見た半導体装置用基板の平面図、図３は図２の拡大断面図である。図２及び図３に示すように、第２銅板４’には、複数の凹部９が、所定間隔をおいて、第２銅板４’の周縁に沿って形成されている。各凹部９は半球状に形成されており、開口の平面形状は円形に形成されている。そして、各凹部９には、上述した第２接合材５’が流れ込むようになっている。

【0025】

各凹部９は平面視して円形となっており、円の中心を通る、第２銅板４’の厚み方向の断面図が図３である。平面視して円形である各凹部９の開口の直径はＤ１で表される。各凹部９は第２銅板４’内部で球体に近い空洞となっている。そのため各凹部９の断面形状は図３のように円形の一部を切り取った形状になる。第２銅板４’の厚み方向に垂直な方向の各凹部９の寸法のうち、最大の寸法をＤ２とする。また第２銅板４’の厚み方向の各凹部９の寸法のうち、最大の寸法をＤ３とする。Ｄ３は各凹部９の深さ寸法である。

【0026】

各凹部９の開口の径Ｄ１は、開口よりも内部の最大径Ｄ２よりも小さくなっている。そのため、各凹部９の開口縁部と対応する、第２銅板４’の縁部９１は、開口の径方向内方に突出している。また、本実施形態では、この縁部９１の先端が断面円弧状に形成されている。

【0027】

各凹部９の径Ｄ１は、３００～７００μｍであることが好ましく、４００～６００μｍであることがさらに好ましい。また、最大径Ｄ２は、３２０～７００μｍであることが好ましく、４５０～７００μｍであることがさらに好ましい。径Ｄ１に対する最大径Ｄ２の割合は、１．０５～１．２０であることが好ましく、１．０８～１．１５であることが好ましい。

【0028】

凹部９の深さＤ３は、第２銅板４’の厚みよりも小さく、１００～４００μｍであることが好ましく、２５０～３９０μｍであることがさらに好ましい。凹部９の径Ｄ１に対する凹部９の深さＤ３の割合は、０．５～０．８であることが好ましく、０．６～０．８であることがさらに好ましい。

【0029】

また、第２銅板４’の縁部９１の断面の曲率半径は、１．５～１０．０μｍであることが好ましく、２．０～８．０μｍであることがさらに好ましい。但し、縁部９１の断面形状は必ずしも円弧状でなくてもよく、鋭角状に形成されていてもよい。

【0030】

凹部９の間隔Ｗは、狭すぎると第２接合材５’の濡れ広がりが悪くなる一方、間隔Ｗが大きすぎると、凹部の応力緩和効果が得られないおそれがある。そのため、凹部９の間隔Ｗは、好ましくは、０．１～０．５ｍｍであることが好ましく、０．１５～０．３ｍｍであることがさらに好ましい。

【0031】

＜３．半導体装置用基板の製造方法＞
次に、上述した半導体装置用基板２の製造方法の一例について説明する。まず、絶縁板３の上面及び下面に第１及び第２銅板４，４’を配置した積層体を形成する。ここで、用いられる各銅板の表面は酸化されている。次に、この積層体を１０６５℃～１０８３℃の窒素雰囲気条件下で１０分程度加熱する。これによって、絶縁板３と第１及び第２銅板４，４’とが接合する界面にＣｕ－Ｏ共晶液相が生成され、絶縁板３の各面が濡れる。続いて、この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、絶縁板３に第１及び第２銅板４，４’が接合される。なお、第１及び第２銅板４，４’は真空中においてチタンなどの活性金属を含むロウ材で絶縁板３に接合されてもよい。

【0032】

次に、第２銅板４’に凹部９を形成する。まず、第２銅板４’の凹部９と対応する円形の貫通孔が形成されたマスク層を第２銅板４’に積層する。これら貫通孔の内径は、凹部９の開口の径Ｄ１よりも小さく、例えば、径Ｄ１の３５～５５％とすることができる。そして、０．５～５ｍ／ｍｉｎのエッチングスピードでエッチングを行い、凹部９を形成する。

【0033】

なお、第１銅板４に形成されている伝送回路は、例えば、サブトラクティブ法又はアディティブ法によって形成することができる。

【0034】

＜４．特徴＞
上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）半導体装置１の温度変化による熱応力が半導体装置用基板２に作用しても、複数の凹部９により、第２銅板４’の周縁に生じる熱応力を緩和することができる。その結果、半導体装置用基板２の割れ、第２銅板４’の剥がれを防止することができる。

【0035】

（２）凹部９の開口の径Ｄ１が、凹部９の内部の最大径Ｄ２よりも小さいため、凹部９を形成しながらも、第２銅板４’の主面の面積を増やすことができる。これにより、平坦な第２銅板４’の主面上を流れてきた半田などの接合材５’の濡れ広がりが凹部９で阻害されることを低減できる。その結果、第２銅板４’とヒートシンク８の間に接合材５’の空洞が生じることが抑制され、半導体チップ６で生じた熱を良好にヒートシンク８まで伝えることができる。

【0036】

（３）凹部９の開口縁部における第２銅板４’の縁部９１が、開口の径方向内方に突出しているため、突出部の分だけ第２銅板４’の体積が増える。このため半導体装置用基板２の放熱性が向上する。

【0037】

（４）開口縁部における第２銅板４’の縁部９１の断面形状が円弧状であるため、第２接合材５’を第２銅板４’の主面から凹部９内にスムーズに案内することができ、凹部９に流れ込みやすくなる。特に、縁部９１の曲率半径が大きいほど、第２接合材５’が流れ込みやすくなる。このため、凹部９内にボイドが形成されることを抑制できる。よってボイド内部での部分放電を抑制でき、また、ボイドによる放熱性の低下を抑制できる。

【0038】

＜５．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。なお、以下の変形例は適宜、組み合わせることができる。

【0039】

（１）上記実施形態では、第２銅板４’の周縁に沿って１列の凹部９を形成しているが、２列以上形成することもできる。

【0040】

（２）上記実施形態では、第２銅板４’にのみ凹部９を形成しているが、第１銅板４にも凹部９を形成することができる。この場合、第２銅板４’と同様に、第１銅板４の周縁に沿って１列以上の凹部９を形成することができる。また、第１銅板４の中央付近に凹部９を形成することもできる。この凹部９は、例えば、半導体チップ６の位置決めに用いることができる。

【0041】

（３）凹部９の開口の形状は特には限定されず、上記のような円形のほか、楕円状、あるいは矩形の角部を丸くした形状等にすることもできる。この場合、開口の径Ｄ１は、最大径とすることができる。最大径としては、開口の形状に対する外接円相当径を設定することができる。また、凹部９の断面形状は略円形の一部であるほか、楕円の一部であってもよい。

【0042】

（４）上記実施形態では、凹部９は第２銅板４’内に形成され、絶縁板３まで達していないが、例えば、図４に示すように、第２銅板４’を貫通し、絶縁板３まで達していてもよい。この場合は凹部９による熱応力緩和効果が高まる。一方、凹部９が絶縁板３まで達している場合に比べ、凹部９が絶縁板３に達していない場合の方が第２銅板４’の体積が相対的に増える。このため放熱性が高まる。さらに凹部９の体積が小さくなるため第２接合材５’の流れ込み不足によるボイドの形成も抑制できる。

【実施例0043】

以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されない。

【0044】

絶縁板として厚みが０．３２ｍｍのアルミナを準備した。そして、この絶縁板の両面に厚みが０．４ｍｍの表面が酸化された銅板を配置し、１０７０℃の窒素雰囲気条件下で１０分程度加熱して絶縁板に銅板を接合した。こうして得られた半導体装置用基板の一方の銅板の周縁に沿って、以下のような凹部を形成し、実施例１～６に係る半導体装置用基板を得た。

【0045】

凹部は、エッチングにより形成した。凹部用のマスクに形成する貫通孔の径、及びエッチンクスピードは以下の表１の通りである。絶縁板と銅板を接合した接合体の銅板表面に、エッチングレジスト、あるいはドライフィルムによるマスキングを施し、マスキングされていない銅板部分を化学的にエッチングすることで、所望の形状の回路パターンが形成される。エッチングスピードは長さ約５ｍのエッチングエリアに接合体を通過させるスピードを示す。エッチングエリアではエッチング液が接合体に向けて噴射され、銅板がエッチングされる。

【表1】

このようなエッチングにより、実施例１～６においては、以下の表２に示すような凹部が形成された。このうち、実施例６の凹部は、銅板を貫通し、絶縁板まで達している。こうして、実施例１～６に係る半導体装置用基板が得られた。なお、以下の表２における縁部の長さとは、凹部の最大径Ｄ２よりも突出している部分の長さであり、（Ｄ２－Ｄ１）／２により算出される。

【表2】

【0046】

また、実施例１，３，４，６において形成された凹部の断面形状、及び縁部の拡大図を、それぞれ、図５～図８に示す。

【0047】

以上のように、実施例１～６においては、いずれも最大径Ｄ２が開口の径Ｄ１よりも大きい凹部を形成することができた。そのため、凹部を形成しながらも銅板の主面の面積を増大することができた。したがって、例えば、ヒートシンクを接合材によって銅板に接合する際には、平坦な銅板の主面上を流れてきた接合材の濡れ広がりが凹部で阻害されることを低減できる。また、銅板の体積が増えるため、放熱性を高めることができる。さらに、いずれの凹部も、縁部の断面を円弧状に形成されている。したがって、接合材を銅板の主面から凹部に内部に向かって回り込みやすくすることができる。

【符号の説明】

【0048】

２…半導体装置用基板
３…絶縁板
４，４’…銅板
９…凹部
９１…縁部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】