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公開番号2025038181
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-18
出願番号2024224299,2021513604
出願日2024-12-19,2020-04-02
発明の名称セラミックス銅回路基板、半導体装置、セラミックス銅回路基板の製造方法、及び半導体装置の製造方法
出願人株式会社東芝,東芝マテリアル株式会社
代理人弁理士法人iX
主分類H01L 23/13 20060101AFI20250311BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】回路をより微細にし、且つ、セラミックス回路基板の信頼性を向上可能な、セラミックス銅回路基板、その製造方法、半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス銅回路基板は、セラミックス基板と、その上に設けられた銅回路部と、セラミックス基板と銅回路部の間に設けられ、活性金属ろう材成分を含む第1接合層と、を含む。セラミックス基板から銅回路部に向かう第1方向に平行な銅回路部の断面において、第1方向D1に沿って引いた任意の線7が、複数の銅結晶粒10と交差する。第1方向に垂直な第2方向D2においてそれぞれの銅結晶粒の線から最も離れた端との間の第2方向における複数の距離12の平均値は、50μm以上300μm以下である。複数の銅結晶粒のそれぞれの外縁は線と交差する第1端10a及び第2端10bを含み、第1端と第2端との間の第1方向における長さ13の最大値は、301μm以上である。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
セラミックス基板と、
前記セラミックス基板の上に設けられた銅回路部と、
前記セラミックス基板と前記銅回路部の間に設けられ、活性金属ろう材成分を含む第１接合層と、
を備え、
前記セラミックス基板から前記銅回路部に向かう第１方向に平行な前記銅回路部の断面において、前記第１方向に沿って引いた任意の線が、複数の銅結晶粒と交差し、
前記線と、前記第１方向に垂直な第２方向においてそれぞれの前記銅結晶粒の前記線から最も離れた端と、の間の前記第２方向における複数の距離の平均値は、５０μｍ以上３００μｍ以下であり、
前記複数の銅結晶粒のそれぞれの外縁は、前記線と交差する第１端及び第２端を含み、
前記複数の銅結晶粒のそれぞれの前記第１端と前記第２端との間の前記第１方向における長さの最大値は、３０１μｍ以上であることを特徴とする、セラミックス銅回路基板。
続きを表示（約 830 文字）【請求項２】
前記複数の距離の最大値は、４００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項３】
前記複数の距離の最小値は、２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項４】
前記複数の距離の最大値と、前記複数の距離の最小値と、の差は、２２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項５】
前記複数の銅結晶粒のそれぞれの前記第１端と前記第２端との間の前記第１方向における長さの平均は、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項６】
複数の前記長さの最大値は、５１２μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項７】
複数の前記長さの最小値は、２００μｍ以下であることを特徴とする請求項５ないし請求項６のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項８】
複数の前記長さの最大値と、前記複数の長さの最小値と、の差は、２２０μｍ以下であることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項９】
前記セラミックス基板は、酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板、及び窒化珪素基板のいずれか１種であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項１０】
前記セラミックス基板の前記第１方向における厚さは、０．７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
実施形態は、おおむね、セラミックス銅回路基板、半導体装置、セラミックス銅回路基板の製造方法、及び半導体装置の製造方法に関する。
続きを表示（約 7,600 文字）【背景技術】
【０００２】
セラミックス銅回路基板は、パワー素子などの半導体素子を搭載した半導体装置に用いられている。セラミックス基板と銅回路部は、接合層を介して互いに接合されている。接合層には、チタン（Ｔｉ）などの活性金属を含有する銀（Ａｇ）ろう材が用いられる。これにより、接合強度及びヒートサイクル特性を向上させている。信頼性の向上に伴い、セラミックス銅回路基板は、自動車（電気自動車含む）や、電鉄車両、太陽光発電設備、産業機械のインバータ等に使用されている。
パワーモジュールなどの半導体装置では、銅回路部に半導体素子が実装されている。また、半導体素子の導通のために、ワイヤボンディングや金属端子が接合されることもある。半導体装置の製造において、半導体素子、ワイヤボンディング、金属端子などが銅回路部に接合される。
パワーモジュールの小型化、軽量化、及び高密度実装化が進むにつれ、低熱抵抗化及び低インダクタンス化のために、銅回路部が厚くなってきている。銅回路部の厚いセラミックス銅回路基板は、国際公開ＷＯ２０１８－１８０９６５号公報（特許文献１）に記載されている。特許文献１は、銅回路板の表面の粒界の数を最適化することにより、セラミックス銅回路基板の組立性を向上させている。特許文献１のセラミックス銅回路基板によれば、半導体素子の接合性及び位置合わせ精度が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
国際公開第２０１８－１８０９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
その一方で、上記の接合性又は位置合わせ精度以外に、銅回路部が厚くなることによって発生する課題が明らかになってきた。たとえば、製品の信頼性を向上させるためには、銅回路部分のファインパターン化、回路基板全体としての応力緩和などの実現が望ましい。特許文献１では、銅回路部の表面における粒径を制御することに主眼がおかれているが、銅回路が厚くなることにより、表面と内部の粒径には差が生じることがわかった。すなわち銅回路の表面を制御すれば、銅板表面の接合性や位置合わせ精度を向上させることは可能であるが、ファインパターン化など他の特性を向上するには銅回路内部の制御が必要であることが判明した。
近年、パワー半導体モジュールは、小型化・軽量化・高密度実装化が進展している。これに伴い、金属回路部の熱抵抗の低減、金属回路部のインダクタンスの低減のために、金属回路部を厚くすることが求められている。また、実装の密度を高めるために、金属回路部のファインパターン化が求められている。
また、パワー半導体チップのジャンクション温度(Tj)上昇に伴い、セラミックス回路基板の信頼性向上も求められている。
実施形態は、このような問題を解決するためのものであり、回路をより微細にし、且つセラミックス回路基板の信頼性を向上できるセラミックス銅回路基板に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の上に設けられた銅回路部と、前記セラミックス基板と前記銅回路部の間に設けられ、活性金属ろう材成分を含む第１接合層と、を含む。前記セラミックス基板から前記銅回路部に向かう第１方向に平行な前記銅回路部の断面において、前記第１方向に沿って引いた任意の線が、複数の銅結晶粒と交差する。前記線と、前記第１方向に垂直な第２方向においてそれぞれの前記銅結晶粒の前記線から最も離れた端と、の間の前記第２方向における複数の距離の平均値は、５０μｍ以上３００μｍ以下である。前記複数の銅結晶粒のそれぞれの外縁は、前記線と交差する第１端及び第２端を含む。前記複数の銅結晶粒のそれぞれの前記第１端と前記第２端との間の前記第１方向における長さの最大値は、３０１μｍ以上である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の一例を示す図
銅回路部の断面の一例を示す図
銅回路部の断面の一例を示す図
銅回路のパターン寸法およびパターン間寸法の一例を示す図
実施形態にかかる半導体装置の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００７】
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の上に設けられた銅回路部と、前記セラミックス基板と前記銅回路部の間に設けられ、活性金属ろう材成分を含む第１接合層と、を含む。前記セラミックス基板から前記銅回路部に向かう第１方向に平行な前記銅回路部の断面において、前記第１方向に沿って引いた任意の線が、複数の銅結晶粒と交差する。前記線と、前記第１方向に垂直な第２方向においてそれぞれの前記銅結晶粒の前記線から最も離れた端と、の間の前記第２方向における複数の距離の平均値は、５０μｍ以上３００μｍ以下である。前記複数の銅結晶粒のそれぞれの外縁は、前記線と交差する第１端及び第２端を含む。前記複数の銅結晶粒のそれぞれの前記第１端と前記第２端との間の前記第１方向における長さの最大値は、３０１μｍ以上である。
図１は、セラミックス銅回路基板の一例を示す。図１において、１は、セラミックス銅回路基板である。２は、セラミックス基板である。３は、銅回路部である。４は、ろう材を含む接合層である。５は、裏銅板である。セラミックス基板２は、表面２ａ（第１面）及び裏面２ｂを有する。銅回路部３は、接合層４（第１接合層の一例）を介して、セラミックス基板２の表面２ａに接合されている。図１の例では、複数の銅回路部３が、複数の接合層４を介して表面２ａにそれぞれ接合されている。実施形態は、図示した形に限定されない。１つの銅回路部３又は３つ以上の銅回路部３が、表面２ａに接合されても良い。また、図１の例では、裏銅板５が、裏面２ｂに接合されている。裏銅板５は、回路ではなく放熱板として機能する。裏銅板５は、必要に応じて適宜設けられる。裏銅板５に代えて、パターン化された銅回路部が裏面２ｂに設けられても良い。
【０００８】
セラミックス基板２は、酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板、及び窒化珪素基板のいずれか１種であることが好ましい。これ以外には、アルジル基板も挙げられる。アルジルは、酸化アルミニウム２０～８０％に対して残部が酸化ジルコニウムである焼結体である。
窒化アルミニウム基板又は酸化アルミニウム基板の三点曲げ強度は、３００～４５０ＭＰａ程度である。アルジル基板の強度も、５５０ＭＰａ前後である。
窒化珪素基板の三点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上に高めることができる。また、窒化珪素基板の熱伝導率は、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、さらには８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上に高めることができる。特に、近年は、高強度と高熱伝導の両方を併せ持つ窒化珪素基板もある。窒化珪素基板の厚さは、０．６３５ｍｍ以下が好ましく、０．３ｍｍ以下がより好ましい。窒化珪素基板は、高強度であるため薄くすることができ、より放熱性を高めることが可能である。厚さの下限値は特に設定するものではないが、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。これは、窒化珪素基板の電気絶縁性を確保するためである。ここでは、厚さは、セラミックス基板２と銅回路部３とを結ぶ方向における寸法を指す。
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板は、１つのセラミックス基板を備えても良いし、２つ以上のセラミックス基板を備えても良い。例えば、複数のセラミックス基板と複数の銅回路部が、第１方向において交互に積層されても良い。
【０００９】
図２は、銅回路部の断面の一例を示す図である。図２は、図１のＡ部分の拡大断面図である。図２において、７は、仮想上の任意の線を示す。この線は、セラミックス基板２から銅回路部３に向かう第１方向に平行である。図２において、Ｄ１は、第１方向を示す。また、当該線は、表面２ａ及び裏面２ｂに対して垂直である。８は、サイドエッチング量を示す。サイドエッチング量は、銅回路部の表面３ａの外周と、銅回路部の裏面３ｂの外周と、の間の、第１方向に垂直な一方向における距離である。
銅回路部は、銅の多結晶体からなる。線７を引く方法は、以下の通りである。まず、セラミックス銅回路基板を、第１方向Ｄ１に平行に切断する。断面の拡大写真を撮影する。このとき、拡大写真は、セラミックス基板が写り、かつ粒界が確認できる程度に拡大して撮影する。次に、拡大写真において、表面２ａに垂直な任意の直線を引くことで、線７が得られる。また、セラミックス基板面の表面２ａの状態が曖昧であり、かつ銅回路部３の裏面３ｂが表面２ａと平行な面とみなせる場合には、裏面３ｂに垂直な任意の直線を線７として扱っても良い。
図３は、銅回路部内部の断面図の一例を示す。図３は、図２のＢ部分の断面を拡大している。１０は銅結晶粒、１１は銅結晶粒の粒界である。銅回路部の断面において、セラミックス基板面に対して垂直方向（基板の厚さ方向）に任意の線７を引く。図３において、１２は、線７が交差した銅結晶粒１０のうち、任意の線７から最も離れた銅結晶粒１０の外縁（粒界１１）までの第２方向Ｄ２における距離ＬＨを示す。１３は、線７と銅結晶粒１０の外縁との交点である第１端１０ａ及び第２端１０ｂの間の長さＬＶを示す。第２方向は、第１方向に垂直であり、断面に平行である。
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板において、距離ＬＨの平均は、３００μｍ以下である。長さＬＶの平均は、３００μｍ以下が好ましい。
セラミックス基板と、セラミックス基板に銅回路部が接合されたセラミックス銅回路基板においては、セラミックス基板の全面または一部に銅板を接合した後に、銅板部分をエッチングすることにより回路を形成することが多い。エッチングによる銅板の溶解では、銅板の結晶粒界に沿って溶解が進む。このため、銅結晶粒の形状が、エッチングに大きく影響する。すなわち、結晶粒径が大きい場合には、エッチング液が掘り進んでいく厚さ方向のみならず、面方向にも溶解が進みやすくなる。面方向は、第１方向に垂直な方向である。第２方向は、面方向に平行な一方向である。
第１方向に平行な線と交差する複数の銅結晶粒について、それらの距離ＬＨの平均が３００μｍ以下であるということは、第２方向における寸法が比較的小さい銅結晶粒が、厚さ方向に並んでいることを示す。これにより、面方向へのエッチングの進行を抑制でき、エッチングによるサイドエッチング量を小さくできる。この結果、ファインパターン回路の形成が容易となる。
ここでいうファインパターン回路とは、パターン間寸法が通常の回路より６０～８０％程度の回路基板を指す。また、回路の少なくとも一部がこの範囲のパターン間寸法を満足するものが、ファインパターン回路である。図４にセラミックス銅回路基板１のパターン寸法１４とパターン間寸法１５を示す。パターン寸法１４は、接合層４を含めた電気導通部分の幅を示す。パターン間寸法１５は、セラミックス表面に形成された接合層４の間の寸法距離を示す。図４の例では、セラミックス基板２の表面２ａに、複数の銅板３が接合されている。複数の銅板３は、第２方向Ｄ２において互いに並び、複数の接合層４を介してセラミックス基板２にそれぞれ接合されている。第２方向Ｄ２において隣り合う接合層４同士の間の第２方向Ｄ２における距離が、パターン間寸法１５に対応する。
パターンの幅（パターン寸法）は、電気の導通、半導体素子や金属端子の接合、ワイヤボンディングなどのために、所定の値以上であることが求められる。例えば、銅板厚さが０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ未満の場合のパターン寸法は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。銅板厚さが０．５ｍｍ以上０．７ｍｍ未満の場合のパターン寸法は、０．７ｍｍ以上であることが好ましい。銅板厚さが０．７ｍｍ以上０．８ｍｍ未満の場合のパターン寸法は、１．０ｍｍ以上であることが好ましい。
ここで、銅板厚さが０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ未満の場合、通常の銅回路基板では、パターン間寸法０．６ｍｍ以上である。これに対して、ファインパターン回路では、パターン間寸法が０．４ｍｍ以上である。同様に、銅板厚さが０．５ｍｍ以上０．７ｍｍ未満の場合、通常の銅回路基板では、パターン間寸法は１．０ｍｍ以上である。これに対して、ファインパターン回路では、パターン間寸法は０．６ｍｍ以上である。銅板厚さが０．７ｍｍ以上０．８ｍｍ未満の場合、通常の銅回路基板では、パターン間寸法は１．８ｍｍ以上である。これに対して、ファインパターン回路では、パターン間寸法は１．１ｍｍ以上である。
また、銅回路部における長さＬＶの平均を３００μｍ以下としたことにより、銅板は塑性変形しやすくなる。これにより、接合体であるセラミックス銅回路基板に生じる応力が緩和され、接合強度、基板曲げ強度、及び耐熱サイクル性が向上し、信頼性の高いセラミックス回路基板を得ることができる。
また、セラミックス銅回路基板では、接合時の熱処理により銅板の粒径が大きくなる。粒子の粗大化を制御するような銅への添加物や加工、及び接合条件を調整することによる粒径の粗大化の制御も可能であるが、制御により製造コストが高くなる可能性がある。例えば、距離ＬＨおよび長さＬＶを５０μｍ以上にすることにより、コストパフォーマンスの良いセラミックス銅回路基板を得ることができる。ただし、これ以下の距離ＬＨ及び長さＬＶでも製造することは可能であり、下限値は規定されない。
銅回路部３は、半導体素子などが接合される。熱抵抗の低減とインダクタンスの低減のために、銅回路部の厚さは、０．５ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは０．８ｍｍ以上である。このとき、銅回路部内部の距離ＬＨの平均が小さいと、サイドエッチング量が抑制される。これにより、ファインパターンの形成が可能となる。また、接合体の応力が緩和することにより、接合強度、基板曲げ強度、及び耐熱サイクル性が向上する。
銅回路部内部における距離ＬＨの平均が３００μｍより大きいと、銅回路部内部の銅結晶粒が横方向に大きくなり、サイドエッチング量が多くなる。このため、回路パターンの寸法精度が低下する。
銅回路部内部における長さＬＶの平均が３００μｍより大きいと、銅回路部の塑性変形が小さくなる。この結果、接合体の応力が大きくなり、接合強度などの特性が低下しやすくなる。
また、それぞれの距離ＬＨおよびそれぞれの長さＬＶが５０μｍより小さくなるように調整すると、工程制御による負荷のために製造コストがかかる。
また、距離ＬＨの平均が３００μｍ以下のときでも、距離ＬＨが４００μｍより大きい銅結晶粒が多く存在すると、サイドエッチング量にばらつきが生じる。距離ＬＨは、４００μｍ以下であることが好ましい。同様に、長さＬＶの平均が３００μｍ以下のときでも、長さＬＶが４００μｍより大きい銅結晶粒が多く存在すると、接合強度にばらつきが生じる。長さＬＶは、４００μｍ以下であることが好ましい。
以上の通り、銅回路内部の銅結晶粒の距離ＬＨの平均および長さＬＶの平均の少なくとも一方が３００μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、距離ＬＨの平均及び長さＬＶの平均の両方が３００μｍ以下であることが好ましい。さらには、それぞれの距離ＬＨおよびそれぞれの長さＬＶが４００μｍ以下であることが好ましい。このとき、それぞれの距離ＬＨは、５０μｍ以上であることが好ましい。それぞれの長さＬＶは、５０μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは、それぞれの距離ＬＨが５０μｍ以上であり、且つそれぞれの長さＬＶが５０μｍ以上である。
また、それぞれの距離ＬＨは、３００μｍ以下であることが好ましい。それぞれの長さＬＶは、３００μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、それぞれの距離ＬＨが３００μｍ以下であり、且つそれぞれの長さＬＶが３００μｍ以下である。このとき、それぞれの距離ＬＨは、７０μｍ以上であることが好ましい。それぞれの長さＬＶは、７０μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは、それぞれの距離ＬＨは７０μｍ以上であり、それぞれの長さＬＶは７０μｍ以上である。
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板では、銅回路部３の断面に第１方向に沿う任意の直線を引いたときに、その直線と交差する複数の銅結晶粒について、距離ＬＨ及び長さＬＶが上述した範囲内にある。すなわち、銅回路部３の断面において、どの部分に直線を引いたとしても、距離ＬＨ及び長さＬＶが上述した範囲内にある。この銅回路部３によってセラミックス基板上に回路を形成することで、優れた信頼性を得ることができる。
【００１０】
銅回路部が、銅板の加工によって形成される場合、銅板の厚さを調整する圧延工程において、結晶サイズを調整して距離ＬＨおよび長さＬＶを調整しても良い。また、銅板内に微量の元素を添加することにより結晶サイズを調整することも可能である。このとき、予め銅板内に錫（Ｓｎ）又はジルコニウム（Ｚｒ）などの粒成長を制御する元素を微量添加しておくことも可能である。セラミックス銅回路基板を製造する際の接合などの工程において、銅板内の粒成長を抑制する元素を銅板内に拡散することも可能である。さらに、セラミックス銅回路基板の製造工程中の熱処理工程を利用しても良い。銅の再結晶温度は、約２２０℃である。後述するように、銅板は、セラミックス基板に活性金属接合される。活性金属接合法では、セラミックス基板及び銅板が７００～９００℃で加熱される。この工程において、銅板が再結晶される。再結晶されると、銅結晶粒が成長する。この現象を制御することにより、銅結晶粒の大きさを調整することもできる。
（【００１１】以降は省略されています）

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