專利名稱：絕緣襯底、其制作方法及具有絕緣襯底的模塊半導體器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由具有適當的擊穿電壓的絕緣陶瓷層組成的絕緣襯底、此種絕緣襯底的制作方法以及采用此種絕緣襯底的半導體器件。本發(fā)明還涉及模塊半導體器件，如具有控制大電流的半導體芯片的功率半導體器件。
半導體芯片用于控制數毫安至數安的小電流。當前，半導體芯片可控制數十安至大約100安的大電流?，F在還有將半導體芯片結合于絕緣樹脂殼體內的模塊半導體器件可控制電流達數百安至大約1000安。模塊半導體器件廣泛用作驅動車輛或軋鋼廠及化工廠中大型馬達的功率源。
模塊半導體器件不僅能夠處理大電流，而且能夠提供高擊穿電壓，比如5kV(千伏)。將來將會需要10kV或更高的擊穿電壓。更高的電流值意味著更高的發(fā)熱量。模塊半導體器件必須能夠有效地將半導體芯片的熱量散發(fā)出去，因此它們必須是由高熱導率材料構成。


圖1B為示出根據現有技術的模塊半導體器件65的剖視圖。絕緣襯底51借助焊接層59接合在半導體芯片57的頂面上。絕緣襯底51的底面借助焊接層61連接到基底60的頂面。基底60由金屬或金屬和陶瓷的復合材料構成。半導體芯片57、焊接層59及61以及絕緣襯底51用絕緣密封樹脂63密封并填裝于絕緣樹脂殼體64之內而形成模塊半導體器件65。利用螺栓67將水冷或氣冷散熱器66固定于基底60的底面上。
圖1A示出圖1B的模塊半導體器件65的絕緣襯底51。絕緣襯底51的構成包括絕緣陶瓷層52及導電層55及56。導電層55及56分別通過采用活性金屬釬焊材料的直接銅焊連接到絕緣陶瓷層52的頂面及底面上。
現有技術的模塊半導體器件65將半導體芯片57的熱量散發(fā)到絕緣襯底51、基底60及散熱器66。因此，絕緣襯底51，特別是，導電層55及56必須具有良好的熱導率。為此，導電層55及56通常由銅、鋁、其合金或其復合材料構成。
模塊半導體器件65的擊穿電壓由半導體芯片57的擊穿電壓確定，而半導體芯片57的擊穿電壓又由絕緣襯底51的擊穿電壓確定。為提高模塊半導體器件65的擊穿電壓，必須提高絕緣襯底51的擊穿電壓。提高絕緣襯底51的擊穿電壓可通過加厚絕緣陶瓷層52而得到。絕緣陶瓷層52可由具有良好介電性質的氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)構成。
模塊半導體器件具有由低熱膨脹系數的半導體芯片和絕緣陶瓷層及具有高熱膨脹系數的導電層和基底形成的分層結構。當向半導體芯片供能時，半導體芯片發(fā)熱而反復對這些元件施加很大的應力，并能使陶瓷層產生裂紋造成介電擊穿。
為解決這一問題，在日本公開專利說明書No.9-275166中在陶瓷層的頂面和底面都形成一個難熔金屬(如鎢及鉬)層，其熱膨脹系數接近絕緣襯底的絕緣陶瓷層的熱膨脹系數，以使陶瓷層上的熱應力釋放并使其強化。然而，難熔金屬具有比銅及鋁低的熱導率，因而在冷卻半導體芯片方面并非總是最佳。此外，通常的銅及鋁實際上會發(fā)生變形而釋放絕緣陶瓷層上的熱應力。另一方面，難熔金屬具有很高的彈性系數及屈服強度，因此不會提供應力釋放效果。對難熔金屬層上的熱應力的分析顯示在難熔金屬層上出現高熱應力。另外，難熔金屬層的斷裂韌性不高。由于這些因素，難熔金屬層極可能由于熱應力而引起裂紋。
在日本專利公開說明書No.89-195450和8-195458中應用氧化鋁來形成絕緣陶瓷層以防止裂紋。氧化鋁強度可比氮化鋁高，但熱導率比氮化鋁低。如在氧化鋁中添加增強元素會使氧化鋁的該低熱導率進一步降低。
用來形成絕緣陶瓷層的材料通常具有低斷裂韌性和高裂紋敏感度。甚至絕緣陶瓷層上一個很小的缺陷也可能萌生一個穿過其厚度的裂紋。本發(fā)明的發(fā)明人研究了絕緣襯底經過熱循環(huán)的斷裂行為的細節(jié)并發(fā)現絕緣陶瓷層的斷裂韌性與金屬材料的斷裂韌性相比是很低的，并且一旦在絕緣陶瓷材料層中出現裂紋，就會迅速沿該層的整個厚度傳播。絕緣陶瓷材料的擊穿電壓為10kV以上/1mm厚度。然而，即使是一個穿過1mm厚度的小裂紋也會使擊穿電壓劣化降低到空氣的擊穿電壓，即3～4kV。這可能立即導致應用陶瓷層的模塊半導體器件發(fā)生介電擊穿。在高濕度的情況下，空氣的擊穿電壓會進一步惡化而導致在低于3kV或4kV的低壓下出現介電擊穿。
如1mm厚的絕緣陶瓷層沒有穿透其厚度的裂紋，它就可以保持10kV或更高的擊穿電壓。因此，防止絕緣陶瓷層中出現裂紋很重要。
陶瓷材料的強度值因材料不同而變化很大。因此，對于一種給定陶瓷材料的強度測試數據在確定該種陶瓷材料的應力門檻值之前必須利用標準偏差和韋伯(Weibull)分布進行統(tǒng)計處理。一旦確定了應力門檻值之后，就利用該值來設計應用該陶瓷材料的模塊半導體器件。
在多個絕緣陶瓷層之中，某些的強度可能低于設計強度。為防止由此種陶瓷材料構成的模塊半導體器發(fā)生介電擊穿，必須徹底消除陶瓷層中的裂紋。為了做到這一點，陶瓷層的設計應力必須設定為盡可能地小。然而，要做到這一點實際上是行不通的。這樣，陶瓷材料就發(fā)生可靠性的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高擊穿電壓的絕緣襯底以獲得高可靠性。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種制作具有高擊穿電壓并且可靠性高的絕緣襯底的方法。
為實現上述目的，本發(fā)明的第一方面可提供一種絕緣襯底，其構成包括絕緣陶瓷層、位于互相鄰接的陶瓷層之間將其接合在一起的中間層、與陶瓷層頂層的頂面接合的第一導電層以及與陶瓷層底層的底面接合的第二導電層。
第一方面將具有預定擊穿電壓的各絕緣陶瓷層互相接合并使第一導電層處于陶瓷層頂層的頂面，而使第二導電層處于陶瓷層底層的底面。中間層由不同于陶瓷層的材料構成。
即使襯底的陶瓷層中任何一個具有低于可能由于熱應力而引起擊穿的設計值的強度，但其余的陶瓷層將完好無損不會導致介電擊穿。
一般講，絕緣襯底具有擊穿電壓低的爬電表面(creepage surface解釋見下文)。因此，絕緣陶瓷層具有可保證所要求的擊穿電壓的厚度是不夠的。即陶瓷層必須具有即使在爬電表面時也足以保證所要求的擊穿電壓的厚度。本發(fā)明用多個絕緣陶瓷層來解決這一問題而無需大大增加絕緣襯底的厚度。制作薄絕緣陶瓷層比制作厚絕緣陶瓷層生產效率高并且節(jié)約成本。薄陶瓷層體積小，而這又可減少出現缺陷的幾率并提高可靠性。
為防止絕緣襯底由于熱應力等發(fā)生擊穿，第一方面選擇形成絕緣襯底的材料。對這些材料將在下文中說明。絕緣襯底的絕緣陶瓷層可由金屬氧化物和金屬氮化物組成的組中選擇的材料構成。絕緣襯底的中間層可由屈服強度為絕緣陶瓷層材料的斷裂強度一半或一半以下的金屬構成，或是由熱膨脹系數在絕緣陶瓷層材料的熱膨脹系數±2×10-6/K范圍內的金屬或陶瓷構成。絕緣襯底的第一和第二導電層可由銅、鋁及銅和鋁的合金組成的一組材料中選擇的材料構成。如絕緣襯底的組成包含3層或更多層的絕緣陶瓷層，陶瓷層的頂層和底層可由強度和斷裂韌性比其余各層的材料的強度和斷裂韌性為高的材料構成。絕緣襯底可通過將銅層接合到各絕緣陶瓷層的各頂面和底面并將銅層互相接合而生成。絕緣陶瓷層、中間層以及第一和第二導電層可通過從焊接、活性金屬釬焊及直接銅焊組成的一組中選擇一種方法進行接合。
為提高絕緣襯底的擊穿電壓，第一方面采用特殊結構。對這些結構將予以說明。各絕緣陶瓷層的各端面從第一和第二導電層及中間層的端面突出0.5mm以上，最好是突出1.0mm以上。絕緣陶瓷層的各邊緣可在絕緣陶瓷層的厚度的1/5或以上的大小范圍進行倒角處理，角度為與垂直線成30至60度的范圍內。最好是在絕緣陶瓷層的厚度的1/3或以上的大小范圍進行倒角處理，角度為與垂直線成45度。絕緣襯底的倒角表面也可通過將絕緣體插入絕緣陶瓷層之間的間隙而提供。絕緣體的一個端面可從絕緣陶瓷層的端面突出。各絕緣陶瓷層暴露于大氣中的的表面可由阻斷濕氣的絕緣物覆蓋。
作用于各絕緣陶瓷層的熱應力可根據有關絕緣陶瓷層的材料強度的統(tǒng)計數據計算而得出。如兩個絕緣陶瓷層互相重疊而形成絕緣襯底，則這兩個絕緣陶瓷層發(fā)生擊穿的幾率為萬分之一。如要求更高的可靠性，則可采用3個絕緣陶瓷層來形成絕緣襯底以大大減小發(fā)生擊穿的幾率。
本發(fā)明的第二方面可提供一種制作絕緣襯底的方法，其步驟包括將多個絕緣陶瓷層以給定幾個固定于鍛模中；將熔融金屬澆鑄到鍛模中，鍛造并凝固熔融金屬以形成位于鄰接陶瓷層之間用來將其互相接合的各中間層、在陶瓷層頂層的頂面上的第一導電層和在陶瓷層底層的底面上的第二導電層；以及從凝固金屬去除多余的部分以完成絕緣襯底。
“給定間隔”設定為適于在熔融金屬固化時形成中間層。去除多余的部分以完成絕緣陶瓷層可通過機械加工或電場刻蝕實現。
第二方面不涉及通過焊接或活性金屬釬焊形成的接合層，并因而不會引起強度問題并可提高絕緣襯底對熱循環(huán)的抵抗能力。與直接銅焊相比較，第二方面在鍛造絕緣襯底時涉及大量的熔融金屬。結果，第二方面在絕緣襯底的各接合界面上幾乎不形成像氣孔這樣的缺陷。
本發(fā)明的第三方面可提供一種制作絕緣襯底的方法，其構成包括將銅層與各絕緣陶瓷層的各頂面及底面接合并將這些銅層互相接合的步驟。
第三方面形成絕緣襯底的各接合界面是借助同樣的材料，即銅，以防止在接合界面上形成翹曲和空隙，從而可提高接合界面的強度。
本發(fā)明的第四方面提供一種具有絕緣陶瓷層、位于鄰接陶瓷層之間用來將其互相接合的各中間層、與陶瓷層頂層的頂面接合的第一導電層、與陶瓷層底層的底面接合的第二導電層、與第一導電層的頂面接合的半導體芯片以及與第二導電層的底面接合的基底的模塊半導體器件。
即使形成襯底的絕緣陶瓷層中任何一個具有低于可能由于熱應力而引起擊穿的設計值的強度，但第四方面的其余的陶瓷層將完好無損而保持所要求的絕緣襯底的擊穿電壓。即使一個陶瓷層發(fā)生擊穿，第四方面的模塊半導體器件也可以連續(xù)運行。
根據第四方面，沿著絕緣襯底的爬電表面，在陶瓷層中鄰接陶瓷層之間的間隙及底陶瓷層和基底之間的間隙可利用絕緣密封材料填充。
圖1A為示出根據現有技術的絕緣襯底的剖視圖；圖1B為示出根據現有技術的模塊半導體器件的剖視圖；圖2A為示出根據本發(fā)明的第一實施方案的絕緣襯底的剖視圖；圖2B為示出根據本發(fā)明的第一實施方案的模塊半導體器件的剖視圖；圖3為示出熱循環(huán)測試結果的圖表，其中包含本發(fā)明及現有技術的絕緣襯底的介電擊穿率與溫度差(ΔT)的關系；圖4為示出形成絕緣陶瓷層所使用的各種材料的電阻率與熱導率及推薦用于制作根據本發(fā)明的第二實施方案的絕緣陶瓷層的合適材料的圖表；
圖5為示出包含銅、鎢以及鈮的介電擊穿率的熱循環(huán)測試結果及推薦用于制作根據本發(fā)明的第三實施方案的中間層的合適材料的圖表；圖6A為示出絕緣襯底的邊緣距離(d1)的剖視圖；圖6B為示出邊緣距離(d1)與介電強度比的關系并表明根據本發(fā)明的第六實施方案的合適邊緣距離的曲線圖；圖7A為示出絕緣襯底的角部處的曲率半徑(d2)的平面圖；圖7B為示出角部半徑(d2)與介電強度比的關系并表明根據本發(fā)明的第七實施方案的合適角部半徑的曲線圖；圖8A為示出根據本發(fā)明的第八實施方案的絕緣襯底的經過處理的爬電表面的剖視圖；圖8B為示出沿著根據本發(fā)明的第九實施方案的絕緣襯底的爬電表面在絕緣陶瓷層之間的各間隙中插入的絕緣體的剖視圖；圖8C為示出沿著根據本發(fā)明的第九實施方案的改變例的絕緣襯底的爬電表面在絕緣陶瓷層之間的各間隙中插入的另一個絕緣體的剖視圖；圖9為示出根據本發(fā)明的第十實施方案的由3層絕緣陶瓷層組成的絕緣襯底的剖視圖；圖10為示出根據本發(fā)明的第十一實施方案的借助焊接形成的絕緣襯底的剖視圖；圖11A至11C為示出根據本發(fā)明的第十二實施方案的制作絕緣襯底的方法的剖視圖；圖12為示出根據本發(fā)明的第十三實施方案的制作絕緣襯底的方法的剖視圖；圖13為示出根據本發(fā)明的第十四實施方案的模塊半導體器件的剖視圖；圖14為示出根據本發(fā)明的第十五實施方案的制作絕緣襯底的方法的剖視圖。
下面參考附圖對本發(fā)明的各種實施方案進行描述。應當指出，在各圖中自始至終以同一或相似的標號表示同一或相似的部件及零件，并且對同一或相似的部件及零件的描述省略或簡化。應當了解，一般講，并且通常在半導體器件的圖示中都是如此，各圖之間和在各給定圖的內部都不是按比例繪制的，并且特別是層厚是隨意繪制的以便于看圖。
(第一實施方案)圖2A為示出根據本發(fā)明的第一實施方案的絕緣襯底1的剖視圖。絕緣襯底1的組成至少包括絕緣陶瓷層2和3、位于互相鄰接的陶瓷層2和3之間并將其接合在一起的中間層4、與陶瓷層2的頂層的頂面接合的第一導電層5以及與陶瓷層3的底層的底面接合的第二導電層6。中間層4由不同于陶瓷層2和3的材料構成。導電層5和6由銅構成并且分別通過直接銅焊與絕緣陶瓷層2和3接合。
圖2B為示出根據本發(fā)明的第一實施方案的模塊半導體器件15的剖視圖。器件15的構成至少包括一個和多個半導體芯片8、半導體芯片8接合于其上的絕緣襯底1以及半導體芯片8接合于其上的基底10。半導體芯片8互相連接并通過鍵合線12與外部接頭連接。
器件15具有一個用于將半導體芯片8接合到襯底1的頂面的焊接層9；用于將襯底1的底面接合到基底10的焊接層11；用于密封半導體芯片8、焊接層9和11以及絕緣襯底1的絕緣密封樹脂13；以及絕緣樹脂殼體14。
基底10通過螺栓17固定于水冷或氣冷散熱器16上。半導體芯片8產生的熱量通過襯底1和基底10散發(fā)到散熱器16上。
根據第一實施方案，陶瓷層2和3中的每一個都是1mm厚的氮化鋁層。用于將陶瓷層2和3互相接合的中間層4是厚度為0.3mm銅層。陶瓷層2和3及中間層4是借助直接銅焊接合。
雖然第一實施方案應用兩個絕緣陶瓷層2和3，絕緣陶瓷層的數目是任選的，比如三層或更多，這一點將參考本發(fā)明的第八實施方案進行說明。
本發(fā)明的發(fā)明人對每個分別具有由一個或多個絕緣陶瓷層構成的絕緣襯底的模塊半導體器件進行了測試。測試時是向各器件供能使器件上的半導體芯片發(fā)熱而在襯底中產生熱應力。之后，將各器件冷卻到室溫并在器件上施加10kV的電壓。當向各器件供能時，逐漸增加電流以使襯底上的熱應力逐步增加。圖3為示出熱循環(huán)測試結果的圖表。此圖表示出測試中表現為介電擊穿的模塊半導體器件的數目與不同溫度差(ΔT)的關系。對具有由2mm厚的單層氮化鋁層作為絕緣陶瓷層而構成的通常的絕緣襯底的模塊半導體器件和具有由3層每層都為0.7mm厚的氮化鋁層構成的絕緣襯底的模塊半導體器件進行了比較測試。由圖3可知，采用通常的單層絕緣襯底的模塊半導體器件在溫度差(ΔT)加大時介電擊穿的試件數目逐漸增加。在ΔT＝200℃時，通常的器件在每100個試件中出現17次介電擊穿事故。介電擊穿的每個試件都有從頂到底通過氮化鋁層的貫穿裂紋。這表明模塊半導體器件的介電擊穿是由用作器件的絕緣襯底的絕緣陶瓷層的氮化鋁層的裂紋造成的。另一方面，采用2個氮化鋁層作為絕緣襯底的模塊半導體器件在ΔT＝200℃時在100個試件中只有1次介電擊穿。而采用3個氮化鋁層作為絕緣襯底的模塊半導體器件在ΔT＝200℃時在100個試件中沒有介電擊穿。從這些結果可知，多層氮化鋁層可有效防止介電擊穿。在檢查過測試器件的絕緣襯底之后發(fā)現，某些具有2層或3層氮化鋁層且未發(fā)生介電擊穿的試件在其一個氮化鋁層中有裂紋。這證明將多層氮化鋁層用作絕緣襯底的模塊半導體器件時，即使在其一個氮化鋁層中出現裂紋也可保證所要求的擊穿電壓。
(第二實施方案)本發(fā)明的第二實施方案涉及形成本發(fā)明的絕緣襯底的絕緣陶瓷層的材料。用來形成絕緣陶瓷層的材料包含具有高擊穿電壓的材料及具有合適熱導率用來冷卻半導體芯片的材料。圖4示出典型的陶瓷材料，包括金屬氧化物，如氧化鋁(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化鋯(ZrO2)以及氧化硅和氧化鋯的復合物；金屬氮化物，如氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)以及氮化鋁(AlN)；金屬碳化物，如碳化硅(SiC)、碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)以及碳化鋯(ZrC)；金屬硼化物，如硼化鑭(LaB6)、硼化鈦(TiB2)以及硼化鋯(ZrB2)；及它們的熱導率數值和電阻率數值。就圖4的電阻率數值而言，從氧化物和氮化物組成的材料組中選擇的材料適于形成絕緣陶瓷層。再考慮到圖4中的熱導率數值，氧化鋁(Al2O3)和金屬氮化物適于制作絕緣陶瓷層。特別是氮化鋁(AlN)盡管其強度低，具有合適的電阻率和熱導率，因而最適于制作可實現高擊穿強度和大控制電流的模塊半導體器件。
(第三實施方案)本發(fā)明的第三實施方案涉及適于形成本發(fā)明的絕緣襯底1(圖2A和2B)的中間層4的金屬材料。為了選擇中間層4使用的材料，發(fā)明人對具有由不同材料構成的中間層4的如圖2A所示的兩個絕緣陶瓷層構成的絕緣襯底的模塊半導體器件進行了測試。測試的方式與第一實施方案的基本一樣。中間層4由銅(Cu)、鎢(W)及鈮(Nb)構成，并且其各自的厚度為大約0.3mm。由中間層4互相接合的兩個陶瓷層(氮化鋁層)2和3每個的厚度都為1mm。第一和第二銅導電層5和6分別在陶瓷層2和3的頂面和底面上形成，與第一實施方案相同。圖5示出測試的結果。由銅構成的中間層未出現介電擊穿。由鎢構成的中間層在溫度差(ΔT)大時出現擊穿電壓。由鈮構成的中間層就是在小溫度差(ΔT)的情況下也出現介電擊穿，所以不適于制作中間層。
對這些材料進行了熱應力分析。銅的熱膨脹系數與氮化鋁的熱膨脹系數相差很大，具有很低的屈服強度，在氮化鋁層2和3中引起的熱應力小。因此，銅適于構成中間層4。除了銅，鋁、銀、金等等也適用。盡管鎢具有很大的屈服強度，但它不會引起很大的熱應力。這是因為鎢的熱膨脹系數接近氮化鋁的熱膨脹系數，并因此適于構成中間層4。除了鎢，鉬也合適。鈮的屈服強度和熱膨脹系數介于銅和鎢的中間，因而鈮不適于構成中間層4。
因此，適于構成中間層4的材料是與陶瓷層2和3相比屈服強度低很多的材料，或是熱膨脹系數很接近陶瓷層2和3的熱膨脹系數的材料。根據熱應力分析，屈服強度為絕緣陶瓷層材料的斷裂強度一半或一半以下的材料是最合適的，并且熱膨脹系數在陶瓷層2和3的材料的熱膨脹系數的±2×10-6/K范圍內的材料也是最合適的。
(第四實施方案)本發(fā)明的第四實施方案采用陶瓷材料制作本發(fā)明的絕緣襯底1(圖2A和2B)的中間層4。發(fā)明人對每個分別具有由各種不同陶瓷材料構成的中間層4的兩層絕緣陶瓷層的絕緣襯底進行了測試。測試的方式與第一實施方案相同。
與圖5所示的測試結果類似，熱膨脹系數接近絕緣陶瓷層2和3的熱膨脹系數的陶瓷材料在用來形成絕緣襯底的中間層時表現出優(yōu)異的熱循環(huán)特性。根據熱應力分析，適于構成中間層的材料是熱膨脹系數在絕緣陶瓷層2和3的熱膨脹系數的±2×10-6范圍內的材料。
(第五實施方案)本發(fā)明的第五實施方案涉及適于制作本發(fā)明的絕緣襯底1的第一和第二導電層5和6(圖2A和2B)的材料。由于與中間層4同樣的原因，與絕緣襯底1的頂面和底面接合的導電層5和6每個都可由具有低屈服應力的不會在絕緣陶瓷層2和3中引起很大熱應力的導電金屬薄膜構成，或是由熱膨脹系數接近陶瓷層2和3的熱膨脹系數的金屬或陶瓷材料構成。如導電層5和6是由難熔金屬或陶瓷材料構成，則在將圖2B中的半導體芯片8和基底10分別焊接到導電層5和6上時，需要進行特殊處理。在此場合，接合層的強度并非總是很高。適于構成導電層5和6的材料可包含具有良好焊接性能及低屈服強度的銅、鋁、銀及金。從材料成本考慮，銅和鋁最合適。
(第六實施方案)本發(fā)明的第六實施方案涉及提高絕緣襯底的擊穿電壓的技術。圖6A為示出根據本發(fā)明的絕緣襯底的爬電表面的剖視圖。爬電表面從中間層4及第一和第二導電層5和6的端面28中的任何一個延伸到絕緣陶瓷層2和3的相應端面27。陶瓷層2和3的多層結構大大提高除爬電表面之外的絕緣襯底1的擊穿強度。為了提高爬電表面的擊穿強度，發(fā)明人通過改變端面27和28中間的邊緣距離(d1)進行了擊穿測試。
圖6B為示出測試結果的曲線圖。在此曲線圖中，將邊緣距離(d1)為5mm時的擊穿電壓設定為1(10kV)，并對不同的邊緣距離(d1)測量了擊穿電壓。隨著邊緣距離(d1)的加大，擊穿電壓增加。然而，當邊緣距離(d1)超過2mm時，擊穿電壓飽和。因此，這就是說，加大邊緣距離(d1)可有效提高爬電表面上的擊穿電壓。但是，這會使模塊半導體器件的尺寸加大，并因而最好是不要過分加大邊緣距離(d1)。如邊緣距離(d1)為0.5mm，爬電表面上的擊穿電壓是可以容許的。然而，從可靠性考慮，合適的邊緣距離(d1)為1.0mm或更大。
如中間層4和導電層5和6比絕緣陶瓷層2和3大，即如圖6A中的邊緣距離(d1)為負，則爬電表面上的擊穿電壓將極度惡化，見圖6B中的星號。因此，將陶瓷層2和3制作成大于包括中間層4和導電層5和6的金屬層，是很重要的。
根據發(fā)明人所進行的測試，氮化鋁可與空氣中的濕氣發(fā)生水解反應而使爬電表面的擊穿電壓惡化。因此，利用可阻斷濕氣的絕緣材料覆蓋絕緣陶瓷層上任何暴露于大氣中的部分是行之有效的辦法。如絕緣陶瓷層是由氮化鋁構成，將絕緣陶瓷層上任何暴露于大氣中的部分氧化形成氧化鋁薄膜是行之有效的辦法。
(第七實施方案)本發(fā)明的第七實施方案涉及進一步提高絕緣襯底的爬電表面的擊穿電壓的技術。圖7A為示出圖2A的絕緣襯底1的的平面圖。爬電表面的擊穿電壓取決于絕緣陶瓷層2和3中的任何一個的端面與中間層4及第一和第二導電層5和6的相應端面之間的邊緣距離(d1)，以及絕緣陶瓷層2和3、中間層4及導電層5和6的每個角部的形狀。發(fā)明人對具有各種不同的角部曲率半徑(d2)的絕緣襯底進行了擊穿測試。
圖7B為示出測試結果的曲線圖。在此曲線圖中，將具有曲率半徑(d2)為5mm的角部的擊穿電壓設定為1(10kV)，并對不同的曲率半徑(d2)測量了擊穿電壓。隨著絕緣陶瓷層2和3、中間層4及第一和第二導電層5和6的角部的曲率半徑(d2)的加大，爬電表面的擊穿電壓增加，但當曲率半徑(d2)超過2mm時，擊穿電壓飽和。加大各個角部的曲率半徑(d2)可有效提高爬電表面上的擊穿電壓。
如曲率半徑(d2)為0.5mm或更大，爬電表面上的擊穿電壓是可以令人滿意的?？紤]到數據的波動并為了保證可靠性，曲率半徑(d2)可為1.0mm或更大。
由于電場的聚集，角部形狀對擊穿電壓的影響在金屬層(包含中間層4及第一和第二導電層5和6)中比在陶瓷層2和3中要大。因此，最好是如上所述至少將中間層4及導電層5和6的角部進行形狀處理。
(第八實施方案)本發(fā)明的第八實施方案涉及進一步提高絕緣襯底的爬電表面的擊穿電壓的技術。圖8A為示出具有3個絕緣陶瓷層18a、18b和18c的絕緣襯底30的爬電表面的剖視圖。對絕緣陶瓷層18a、18b和18c中的每一個的邊緣進行倒角處理，如20所示，以便提高爬電表面上的擊穿電壓。倒角部20的尺寸(d3)越大，爬電表面上的擊穿電壓越高。倒角部20的合適尺寸是絕緣陶瓷層18a、18b和18c的相應層的厚度(d4)的1/5，最好是1/3。倒角部20的角度(θ)最好是相對絕緣襯底的垂直線在30至60度的范圍內，如為圖8A所示的45度就更好。
(第九實施方案)圖8B為示出具有3個絕緣陶瓷層18a、18b和18c的絕緣襯底30的爬電表面的剖視圖。第九實施方案可通過在絕緣襯底30的絕緣陶瓷層18a、18b和18c之間的每個間隙中插入一個絕緣體21而進一步提高絕緣襯底的爬電表面上的擊穿電壓。為了易于在絕緣陶瓷層18a、18b和18c之間的間隙中填充絕緣體，絕緣體21可以是熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂在注入時為液體，而在注入到所要求的形狀中之后固化。
如圖8C所示，插入到絕緣襯底30的絕緣陶瓷層18a、18b和18c之間的各間隙中的絕緣體22的各端面可延伸到各陶瓷層的各端面29之外以便進一步提高襯底30的爬電表面的擊穿電壓。
(第十實施方案)本發(fā)明的第十實施方案涉及強化絕緣襯底的強度的方法。圖9為示出由具有3個絕緣陶瓷層18a、18b和18c的絕緣襯底30的剖視圖。當出現使采用絕緣襯底30的模塊半導體器件發(fā)生變形的熱應力時，頂陶瓷層18a和底陶瓷層18c承受最大應力。為了克服這一現象，第十實施方案利用絕緣陶瓷材料，如具有比氮化鋁的斷裂韌性和強度更高的氧化鋁，形成頂陶瓷層18a和底陶瓷層18c，從而強化絕緣襯底30的強度。提高絕緣陶瓷層18a和18c的強度可容許將層18a和18c制作得更薄以抑制熱阻的增加。盡管第十實施方案采用三個絕緣陶瓷層18a至18c，本發(fā)明也應用于具有2個、4個或更多絕緣陶瓷層的絕緣襯底中。
(第十一實施方案)第十一實施方案涉及制作絕緣襯底的方法，特別是涉及制作由圖10的3個絕緣陶瓷層18a、18b和18c組成的絕緣襯底30的方法。陶瓷層18a至18c、中間層4及第一和第二導電層5和6通過焊接、活性金屬釬焊、直接銅焊或其他方法互相接合以易于形成絕緣襯底30。
焊接是通過將焊接片插入到材料層的接合表面中間并在250℃至350℃進行熱處理使焊接片熔化并將材料層接合在一起?；钚越饘俳雍吓c焊接類似，是通過將包含銀、銅或鈦的活性金屬釬焊材料插入到待接合的材料層中間并通過將其在800℃至900℃進行熱處理使釬焊材料熔化而將材料層接合在一起。直接銅焊是將銅在材料層的接合表面處加熱到銅的熔點(1083℃)和銅和一氧化銅的共晶溫度(1065℃)之間的溫度并利用液態(tài)一氧化銅共晶化合物作為接合劑將材料層接合在一起。如絕緣襯底的中間層或導電層是由氮化鋁構成，則在中間層的各接合表面上形成一個10mm厚的一氧化銅薄膜并在陶瓷層的各接合表面上形成一個10mm厚的氧化鋁(Al2O3)薄膜作為接合層。
本發(fā)明人對借助焊接、活性金屬釬焊及直接銅焊形成的絕緣襯底進行了熱循環(huán)測試并觀察了其剖面結構。
借助焊接接合的絕緣襯底表現出良好的接合狀態(tài)，幾乎沒有像氣孔這樣的小缺陷。每個焊接層23(圖10)都具有很低的疲勞強度，并因而在熱循環(huán)期間出現很大溫度差時會產生裂紋。因此，在嚴峻的溫度條件下焊接法不適合模塊半導體器件。
借助活性金屬釬焊接合的絕緣襯底表現出良好的接合狀態(tài)，幾乎沒有像氣孔之類的小缺陷，與焊接的情況類似。每個活性金屬釬焊材料層都具有很低的斷裂韌性，并因而在熱循環(huán)時具有很大溫度差時會產生裂紋。因此，在惡劣的溫度條件下活性金屬釬焊不適合模塊半導體器件。
與焊接法及活性金屬釬焊法相比較，直接銅焊法在將材料層接合在一起時會產生少量的液體，因而借助直接銅焊法接合的絕緣襯底在各接合界面上包含很多氣孔。然而，借助直接銅焊法接合的各絕緣襯底的絕緣陶瓷層18a至18c、中間層19a和19b、第一和第二導電層5和6及銅層在熱循環(huán)測試期間未發(fā)現裂紋。所以，可以說在這3種接合方法中間直接銅焊法最佳。在直接銅焊法形成的各接合界面中觀察到的氣孔可通過在將各材料層接合在一起之前對各材料層的表面進行平面修整而減少。
(第十二實施方案)在第十一實施方案中說明的接合方法在生產率和對熱循環(huán)的抵抗能力方面存在一些問題。第十二實施方案可提供一種能夠克服這些問題的絕緣襯底制作方法。圖11A值11C為示出第十二實施方案的制作方法的剖視圖。
(1)在圖11A中，絕緣陶瓷層18a、18b和18c以預定間隔固定于鍛模25之中。將熔融金屬24注入到模25之中以形成中間層4、第一導電層及第二導電層。此時，陶瓷層18a至18c充分預熱以防止出現很大的熱應力。金屬24可為適于構成中間層和導電層的銅或鋁。
(2)在圖11B中，陶瓷層18a至18c及金屬24從模25中取出。用作中間層和導電層的鍛造金屬24固化并包圍陶瓷層18a至18c。
(3)在圖11C中，借助機械加工、電場刻蝕等等方法將多余的金屬從金屬24上去掉而完成具有陶瓷層18a至18c、中間層19a和19b及導電層5和6的絕緣襯底30。
第十二實施方案的方法不涉及圖10中的可能產生強度問題的接合層(焊接或釬焊金屬層)23。因此，采用第十二實施方案的方法形成的絕緣襯底表現出對熱循環(huán)具有良好的抵抗能力。與直接銅焊法比較，第十二實施方案的方法在接合(鍛造)階段涉及大量的液體以減少在各接合界面上的缺陷，如氣孔，并提高絕緣襯底的接合強度。
(第十三實施方案)第十一實施方案的制作方法可能在絕緣陶瓷層和中間層或導電層之間產生翹曲。即第十一實施方案在保持平整接合界面方面具有一定的困難并可能在互相接合的表面中間形成間隙。此間隙會降低接合強度，減小擊穿電壓并引起應力集中。為解決這一問題，第十三實施方案提供一種可避免翹曲或間隙的制作具有雙重中間層的絕緣襯底的方法。
圖12為示出第十三實施方案的制作方法的剖視圖。絕緣陶瓷層2具備銅層4a和5，并且絕緣陶瓷層3具備銅層4b和6。銅層4a和4b借助在第十一實施方案中所說明的焊接、活性金屬釬焊或直接銅焊互相接合而形成絕緣襯底。
根據第十三實施方案，銅層4a和4b的接合表面是由單一材料，即銅，構成以防止形成間隙。結果，由第十三實施方案的方法制作的絕緣襯底具有很高的接合強度。
盡管第十三實施方案是將兩個絕緣襯底接合形成兩層絕緣襯底，此方法也應用于形成具有三層或更多層的絕緣襯底。
(第十四實施方案)本發(fā)明的第十四實施方案提供一種采用上述實施方案中任何一種的絕緣襯底的模塊半導體器件。圖13為示出根據第十四實施方案采用由3個絕緣陶瓷層18a、18b和18c構成的絕緣襯底30的模塊半導體器件。
說得更準確些，此模塊半導體器件的組成包括絕緣陶瓷層18a至18c、配置于陶瓷層18a至18c的相應層中間以便將其互相接合的各中間層19a和19b、接合到頂陶瓷層18a的頂面上的第一導電層5、接合到底陶瓷層18c的底面上的第二導電層6、接合到第一導電層5的頂面上的半導體芯片8以及接合到第二導電層6的底面上的基底10?；?0由金屬、陶瓷或其復合材料構成。
即使是陶瓷層18a至18c中任何一層具有低于設計強度的強度并由于，比如熱應力，而產生擊穿，其余的陶瓷層可保證不會在絕緣襯底中形成介電擊穿。即第十四實施方案中的模塊半導體器件即使在其陶瓷層的任何一層中發(fā)生擊穿也能夠連續(xù)保持正常運行。
一般講，模塊半導體器件的半導體芯片和絕緣襯底是使用絕緣密封樹脂，如硅膠，密封以提高絕緣襯底的爬電表面上的擊穿電壓。對于圖14所示的模塊半導體器件，本發(fā)明將陶瓷層18a至18c之中的每個間隙26都以絕緣密封樹脂浸漬以進一步提高絕緣襯底30的爬電表面上的擊穿強度。樹脂13可為硅膠、環(huán)氧樹脂或其他。樹脂浸漬可在真空或低壓氣氛中進行。
(第十五實施方案)上述實施方案的絕緣襯底與現有技術的絕緣襯底具有不同的結構。即本發(fā)明的絕緣襯底每個都由多個絕緣陶瓷層構成。結果，本發(fā)明的絕緣襯底在生產時可能需要單獨的生產線。這可能在生產率和成本方面造成一定的困難。為解決這一問題，圖14中所示的第十五實施方案可提供另外一種制作方法。第十五實施方案將絕緣襯底32a、32b和32c互相疊置。這些襯底中的每一個都是現有技術的襯底，由絕緣陶瓷層30a及接合于陶瓷層30a的頂面和底面上的導電層31a和31b構成。襯底32a至32c中的鄰接襯底借助導電接合層33互相接合以形成集成的絕緣襯底。這些工序可通過不經改造的通常的生產線執(zhí)行。
絕緣襯底32a至32c可借助釬焊、焊接或直接銅焊互相接合，依應用情況而定。在每個接合都要求高強度時可采用釬焊。在制作期間必須減小熱應力時可采用焊接法。當每個接合都需要很高的熱疲勞強度時可采用直接銅焊法。
如果不是每個接合都需要高強度，可從包含提高熱導率的導熱組分如金屬和陶瓷的漿料和有機樹脂中選擇一種用作粘合材料，而不使用上述的接合方法。采用粘合材料可大大降低制作絕緣襯底的成本。
這樣，第十五實施方案可采用通常的襯底生產線來生產具有高可靠性低成本的絕緣襯底。
權利要求
1.一種絕緣襯底，包括互相疊置的絕緣陶瓷層；配置于鄰接陶瓷層之間用來將鄰接陶瓷層互相接合的中間層；與陶瓷層中的頂層的頂面接合的第一導電層；以及與陶瓷層中的底層的底面接合的第二導電層。
2.如權利要求1所述的絕緣襯底，其中陶瓷層是由從金屬氧化物和金屬氮化物組成的組中選擇的材料構成的。
3.如權利要求1和2中任一項所述的絕緣襯底，其中中間層是由其屈服應力為陶瓷層最大斷裂強度的一半的金屬構成的。
4.如權利要求1和2中任一項所述的絕緣襯底，其中中間層是由其熱膨脹系數在陶瓷層的熱膨脹系數的±2×10-6/K范圍內的金屬構成的。
5.如權利要求1和2中任一項所述的絕緣襯底，其中中間層是由其熱膨脹系數在陶瓷層的熱膨脹系數的±2×10-6/K范圍內的陶瓷材料構成的。
6.如權利要求1至5中任一項所述的絕緣襯底，其中第一和第二導電層是由從銅、鋁、銅和鋁的合金組成的組中選擇的材料構成的。
7.如權利要求1至6中任一項所述的絕緣襯底，其中陶瓷層的端面從第一和第二導電層及中間層的相應端面突出至少0.5mm。
8.如權利要求1至7中任一項所述的絕緣襯底，其中陶瓷層、第一和第二導電層及中間層的每個角部都具有至少為0.5mm的曲率半徑。
9.如權利要求1至7中任一項所述的絕緣襯底，其中第一和第二導電層及中間層的每個角部都具有至少為0.5mm的曲率半徑。
10.如權利要求1至9中任一項所述的絕緣襯底，其中陶瓷層的每個邊緣都進行倒角處理，倒角為與絕緣襯底的垂直線的夾角在30～60度的范圍內，并且倒角的尺寸至少是陶瓷層厚度的1/5。
11.如權利要求1至10中任一項所述的絕緣襯底，其中還包括沿著絕緣襯底的爬電表面區(qū)浸入鄰接陶瓷層之間的各間隙之內的絕緣材料。
12.如權利要求11所述的絕緣襯底，其中絕緣材料的端面從陶瓷層的相應端面突出。
13.如權利要求1至12中任一項所述的絕緣襯底，其中陶瓷層暴露于大氣中的區(qū)域由絕緣材料覆蓋以阻斷濕氣。
14.如權利要求1至13中任一項所述的絕緣襯底，其中陶瓷層的數目至少為3，并且陶瓷層的頂層和底層是由強度和斷裂韌性比形成其余陶瓷層的材料的強度和斷裂韌性更高的材料構成。
15.如權利要求1至14中任一項所述的絕緣襯底，其中該絕緣襯底是由如下步驟制作的將銅層接合到各絕緣陶瓷層的各個頂面和底面；以及將鄰接的各陶瓷層的銅層互相接合。
16.如權利要求1至15中任一項所述的絕緣襯底，其中陶瓷層、中間層及第一、第二導電層是通過從焊接、活性金屬接合和直接銅焊所組成的組中選擇的方法互相接合的。
17.一種制作絕緣襯底的方法，包括下列步驟以預定間隔將絕緣陶瓷層固定于鍛模之中；將熔融金屬注入到鍛模之中并鍛造凝固，以形成在陶瓷層的鄰接層之間的將鄰接陶瓷層互相接合的中間層、接合到頂陶瓷層的頂面上的第一導電層及接合到底陶瓷層的底面上的第二導電層；以及從凝固金屬上去掉多余的部分，以完成絕緣襯底。
18.一種制作絕緣襯底的方法，包括下列步驟將銅層接合到各絕緣陶瓷襯底的各頂面和底面；以及將鄰接的各陶瓷層的銅層互相接合。
19.一種模塊半導體器件，包括互相疊置的絕緣陶瓷層；配置于鄰接陶瓷層之間用來將鄰接的陶瓷層互相接合的中間層；與陶瓷層中的頂層的頂面接合的第一導電層；以及與陶瓷層中的底層的底面接合的第二導電層；接合到第一導電層的頂面的半導體芯片；以及接合到第二導電層的底面的基底。
20.如權利要求19所述的模塊半導體器件，其中還包括沿著絕緣襯底的爬電表面區(qū)浸入陶瓷層的鄰接層之間的各間隙之內以及底陶瓷層和基底之間的各間隙之內的絕緣材料。
21.一種制作絕緣襯底的方法，包括下列步驟將多個絕緣陶瓷襯底互相疊置，各絕緣襯底包括絕緣陶瓷層及分別與陶瓷層的頂面和底面接合的導電層；以及將鄰接的絕緣襯底互相接合。
22.如權利要求21所述的方法，其中絕緣襯底是通過下面方法中的至少一種互相接合的釬焊、焊接以及用雙氧化物共晶體的液相接合。
23.如權利要求21所述的方法，其中絕緣襯底是通過從包含導熱組分如金屬和陶瓷的漿料和有機樹脂中選擇的粘合材料互相接合的。
全文摘要
一種絕緣襯底(1),包括:互相疊置的絕緣陶瓷層(2、3)、由與陶瓷層材料不同的材料構成并位于互相鄰接的陶瓷層之間以將它們接合在一起的中間層(4)、與陶瓷層中的頂層的頂面接合的第一導電層(5);以及與陶瓷層中的底層的底面接合的第二導電層(6)。即使陶瓷層中的任何一個具有低于設計強度的強度并由于例如熱應力而引發(fā)裂紋,其余的陶瓷層也能夠確保絕緣襯底的規(guī)定擊穿電壓。
文檔編號H01L23/00GK1256514SQ99126109
公開日2000年6月14日 申請日期1999年12月10日 優(yōu)先權日1998年12月10日
發(fā)明者石渡裕, 永田晃則, 清水敏夫, 平本裕行, 谷口安彥, 荒木浩二, 福吉寬, 小森田裕 申請人:株式會社東芝