专利名称：绝缘基板、绝缘电路基板及其制造方法以及半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及搭载有半导体元件的绝缘基板、在该绝缘基板上形成电路层的绝缘电路基板和使用该绝缘基板的半导体装置以及绝缘基板的制造方法、绝缘电路基板的制造方法。
背景技术：
作为前述的绝缘基板，使用有A1N、A1203、Si3N4等陶瓷板，或在金属板等表面上形成绝缘被膜的金属基底基板。例如，专利文献1中公开了ー种在AlN、Al203、Si3N4等陶瓷板的ー个面上设置Al或 Cu构成的电路层的绝缘电路基板上，搭载电源元件(半导体元件)的电源模块(半导体装置)。另外，专利文献2中提出了一种在由陶瓷构成的绝缘基板之上搭载半导体元件， 在该绝缘电路基板的下面侧配设冷却器，并且在半导体元件的上部也经由陶瓷构成的绝缘基板配设有冷却器的两面冷却结构的半导体装置。专利文献3中公开了ー种使用在Al、Fe、Cu等构成的金属板之上形成环氧树脂、聚酰亚胺树脂等构成的绝缘层的绝缘基板(金属基底基板)，在该绝缘层上配设铜箔以形成电路，在该电路上搭载半导体元件的半导体装置。另外，专利文献4中提出了ー种使用在Al、Cu等构成的金属板之上形成例如玻璃环氧片构成的绝缘层的绝缘基板(金属基底基板)，在该绝缘层上形成配线板(电路层)， 在该配线板上搭载LED芯片(半导体元件)的LED封装(半导体装置)。这里，如专利文献1、2公开所示，在使用由陶瓷构成的绝缘基板的半导体装置中， 绝缘基板的热膨胀系数与由Si等构成的半导体元件的热膨胀系数近似，在冷热循环负载时抑制热应カ作用于半导体元件本身。另外，如专利文献3、4公开所示，在金属板上形成树脂等绝缘层的绝缘基板中，由于金属板的热传导率高，因此放热特性优异。专利文献1 特开2004-288828号公报专利文献2 特开2005-123233号公报专利文献3 特开2005-142356号公报专利文献4 特开2006-339224号公报但是，在专利文献1、2公开的由陶瓷构成的绝缘基板中，存在热传导率差，由半导体元件产生的热量无法有效地扩散的问题。另外，由于陶瓷为脆性材料，因此负载弯曲应カ 时可能发生龟裂而破损。另ー方面，如专利文献3、4所示，在金属板的表面上形成有树脂等绝缘层的绝缘基板中，热膨胀系数由金属板支配，与由Si等构成的半导体元件热膨胀系数有很大差异， 冷热循环负载时可能有很大的热应力作用于半导体元件自身而导致破损。即，由陶瓷构成的绝缘基板中存在放热性的问题，在金属板上形成绝缘层的绝缘基板中存在热应カ的问题。因此，以往会按照半导体装置的用途，牺牲放热特性或热应カ中的某ー个来选择使用前述的绝缘基板。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种放热特性优异、且冷热循环负载时能够抑制热应力作用于半导体元件的绝缘基板、使用该绝缘基板的绝缘电路基板和半导体装置以及绝缘基板的制造方法和绝缘电路基板的制造方法。为了解决上述课题并达到所述目的，本发明的绝缘基板包括金属基复合材料构成的基板主体以及形成在该基板主体的一面上的绝缘被膜，其特征在干，所述基板主体从室温至200°C的热膨胀系数设定为10X10_6/°C以下，热传导率设定为190Wバπι·Κ)以上(对干与金属基复合材料的面平行的方向或垂直的方向，热传导率存在各向异性时，较高一方的热传导率为190W/(m · K)以上)，抗弯强度设定为30MPa以上，所述绝缘被膜通过使绝缘性材料构成的粉末碰撞到所述基板主体的一面上而形成。根据这种结构的绝缘基板，由于基板主体的热膨胀系数设定为10X10_6/°C以下， 因此热膨胀系数与半导体元件近似，在冷热循环负载时能够抑制热应力作用于半导体元件。另外，由于基板主体的热传导率设定为190W/(m*K)以上，因此能够使由半导体元件产生的热量高效地扩散。进一歩，由于基板主体的抗弯强度设定为30MPa以上，因此能够确保作为绝缘基板的刚性，构成半导体装置。另外，由于绝缘被膜通过使绝缘性材料构成的粉末碰撞而形成，因此绝缘被膜具有致密的结构，能够获得高绝缘耐压。此外，绝缘被膜的形成可以通过例如在高温下使由绝缘性材料构成的粉末碰撞的等离子体喷涂法或在常温下使由绝缘性材料构成的粉末与气体一起碰撞的气浮沉积法形成。这里，所述绝缘被膜优选通过气浮沉积法形成。在气浮沉积法中，使亚微米级的微細粉末在高速下碰撞而形成绝缘被膜。在该气浮沉积法中，由于碰撞的粉末破碎并层积，粉末之间通过破碎形成的活性面被牢固地结合， 因此绝缘被膜具有非常致密的结构，即使较薄地形成绝缘被膜也能够获得高绝缘耐压。另外，优选在所述金属基复合材料构成的基板主体的一面上形成有金属表层，在该金属表层之上形成有所述绝缘被膜。此时，由于通过金属表层基板主体的一面变为均勻的面，因此能够良好地形成绝缘被膜。即，在金属基复合材料构成的基板主体中，由于在其表面暴露有金属与金属以外的材料，因此使粉末在同一条件下碰撞而形成绝缘被膜的情况下，在金属部分与金属以外的部分绝缘被膜的形成状态可能不同，因此通过形成金属表层，使粉末碰撞到该金属表层上， 从而能够形成更均勻的绝缘被膜。所述绝缘基板也可以在所述金属基复合材料构成的基板主体的另一面上形成有
金属表层。在此情况下，例如当在绝缘基板的另一面侧配设Al或Cu等构成的冷却器吋，能够容易且可靠地接合绝缘基板与冷却器。本发明的绝缘电路基板的特征在干，具有前述的绝缘基板，在该绝缘基板的绝缘被膜之上形成有导电性材料构成的电路层。
在这种结构的绝缘电路基板中，通过在电路层上搭载半导体元件，能够电连接半导体元件，能够构成高品质的半导体装置。另外，由于金属基复合材料构成的基板主体与电路层被绝缘被膜绝缘，因此能够防止基板主体侧与半导体元件短路。这里，优选所述电路层通过使金属粉末碰撞到所述绝缘被膜上而形成。此时，由于电路层通过使金属粉末碰撞到所述绝缘被膜上而形成，因此形成致密的电路层，从而能够在绝缘被膜上良好地形成电路层。此外，作为使金属粉末碰撞到绝缘被膜上而形成电路层的方法，例如可以通过使金属粉末在高温下碰撞的等离子体喷涂法，或在常温下使金属粉末与气体一起碰撞的气浮沉积法形成。所述电路层能够使用Al、Ni、Cu、Ag的任ー种。这里，由于Al、Cu、Ag的电传导性优异，另外，Cu、Ni、Ag与软钎料的接合性优异， 因此能够使用软钎料良好地接合半导体元件。如此，优选按照半导体装置的用途来选择构成电路层的材料。或者，也可以为Al作为基底层且Ag作为上层的层压膜，或者Al或Ag中的至少ー个作为基底层且Cu或Ni中的至少ー个作为上层的两层以上的层压膜。这里，优选在所述绝缘基板的另一面侧配设有冷却器。此时，能够通过配设在绝缘基板的另一面侧的冷却器冷却绝缘电路基板。因此，能够有效地扩散由搭载在绝缘电路基板上的半导体元件产生的热量。本发明的半导体装置的特征在干，具有前述的绝缘基板，在该绝缘基板上搭载有半导体元件。根据这种结构的半导体装置，由于使用放热特性优异，并且其热膨胀系数与半导体元件近似的绝缘基板，因此能够有效地扩散由半导体元件产生的热量，并且能够抑制半导体元件的破损。即，提供高品质的半导体装置。本发明的绝缘基板的制造方法为包括金属基复合材料构成的基板主体以及形成在该基板主体的一面上的绝缘被膜的绝缘基板的制造方法，其特征在干，具有绝缘被膜形成エ序，通过使绝缘性材料构成的粉末碰撞到从室温至200°C的热膨胀系数设定为 10X10_7°C以下、热传导率设定为190WバΠ1·Κ)以上、抗弯强度设定为30MPa以上的所述基板主体的一面上而形成绝缘被膜。根据这种结构的绝缘基板的制造方法，能够制造热传导良好、且热膨胀系数低与构成半导体元件的Si近似的绝缘基板。进一歩，由于绝缘被膜形成エ序为使绝缘性材料构成的粉末碰撞的结构，因此能够形成致密的绝缘被膜，能够获得高绝缘耐压。所述绝缘被膜形成エ序优选通过气浮沉积法形成所述绝缘被膜。此时，绝缘被膜具有非常致密的结构，即使较薄地形成绝缘被膜也能够获得高绝缘耐压。另外，能够在常温条件下形成绝缘被膜，能够降低该绝缘基板的制造成本。优选地，包括金属表层形成エ序，通过使金属粉末碰撞到所述基板主体的一面和另一面中的至少ー个上而形成金属表层。此时，能够在金属基复合材料构成的基板主体的表面上形成任意的金属构成的金属表层。即，能够形成金属基复合材料中含有的金属以外的金属构成的金属表层。本发明的绝缘电路基板的制造方法为包括具有金属基复合材料构成的基板主体以及形成在该基板主体的一面上的绝缘被膜的绝缘基板；以及形成在该绝缘基板上的电路层的绝缘电路基板的制造方法，其特征在干，包括电路层形成ェ序，在前述的绝缘基板的绝
6缘被膜之上形成导电性材料构成的电路层。根据这种结构的绝缘电路基板的制造方法，由于在绝缘被膜上形成电路层，因此金属基复合材料构成的基板主体与电路层被绝缘被膜绝缘，防止基板主体与电路层短路。 此外，该电路层形成エ序例如能够采用金属板的钎焊、电镀、真空蒸镀、导电性浆料的涂布等各种手段。优选地，所述电路层形成エ序通过使金属粉末碰撞到所述绝缘被膜上而形成。此时，作为使金属粉末碰撞到所述绝缘被膜上的方法，例如通过使金属粉末在高温下碰撞的等离子体喷涂法，或在常温下使金属粉末与气体一起碰撞的气浮沉积法形成， 因此能够可靠地形成致密的电路层。根据本发明，能够提供一种放热特性优异、且冷热循环负载时能够抑制热应力作用于半导体元件的绝缘基板、使用该绝缘基板的绝缘电路基板和半导体装置以及绝缘基板的制造方法和绝缘电路基板的制造方法。
图1是使用本发明的第一实施方式的绝缘基板的电源模块(半导体装置)的概略说明图；图2是表示本发明的第一实施方式的绝缘基板的说明图；图3是图1所示的电源模块(半导体装置)的制造方法的流程图；图4是图2所示的绝缘基板的基板主体的制造方法的说明图；图5是使用本发明的第二实施方式的绝缘基板的半导体装置的概略说明图；图6是图5所示的电源模块(半导体装置)的制造方法的流程图；图7是图5所示的绝缘基板的基板主体的制造方法的说明图；图8是使用本发明的其他实施方式的绝缘基板的半导体装置的概略说明图。符号说明1电源模块(半导体装置)2软钎焊层3半导体芯片(半导体元件)10绝缘基板11基板主体12、13金属表层15绝缘被膜20绝缘电路基板21电路层30冷却器101半导体装置102软钎焊层103半导体芯片(半导体元件)1IOA第一绝缘基板(绝缘基板)1IOB第二绝缘基板(绝缘基板)
11 IAUllB 基板主体112A、112B、113A、li;3B 金属表层120绝缘电路基板121电路层130A第一冷却器(冷却器)130B第二冷却器(冷却器)
具体实施例方式下面參照附图对本发明的实施方式进行说明。首先，參照图1至图4对使用本发明的第一实施方式的绝缘基板的电源模块(半导体装置)进行说明。图1所示的电源模块1包括绝缘基板10、形成在绝缘基板10的一面侧(图1中上侧)的电路层21、在电路层21的表面上经由软钎焊层2接合的半导体芯片3以及配设在绝缘基板10的另一面侧(图1中下侧)的冷却器30。如图2所示，绝缘基板10包括由金属基复合材料构成的基板主体11以及形成在该基板主体11的一面侧的绝缘被膜15。在本实施方式中，基板主体11由碳质部件中填充有铝或铝合金的铝基复合材料构成。更具体而言，基板主体11由碳质部件中填充有纯度99.0%以上的铝(纯铝)的铝-石墨复合材料构成，碳质部件的气孔的90体积％以上被纯铝置換，以铝-石墨复合材料总体积为基准该纯铝的含有率为35%以下。此外，所述碳质部件为结晶质的石墨部件，具有以下的特性。(1)石墨的(002)面的面间隔为0. 336mm以下(2)六角形网平面共格性为2. 9以上(3)碳质部的纯度(碳含量)为99. 9质量％以上，且Na的含量为0. 02质量％以下(4)热传导率为250W(m · K)以上这里，(2)的六角形网平面共格性如以下所示求出。将通过X射线衍射求出的碳质部的(101)面、(102)面、(103)面和(112)面中的衍射峰值的峰值面积的总合设为Si，将衍射角2 θ为30 40度之间的背景的強度累积值设为S2吋，定义六角形网平面共格性=S1/S2。但是，入射角θ设为20 100°的范围。在本实施方式中，各衍射峰值的面积使用美国MDI公司制造的X射线衍射数据处理软件JADE6，在以下的条件下执行峰值搜索而算出。<峰值搜索条件>过滤类型抛物线数据点19峰值位置定义峰值顶端阈值 σ :1. 0峰值强度％截止0.3BG決定的范围1.0
BG平均化的点数7背景強度累积值S2以2 θ为30 40度之间作为背景，将该范围的全部测定点 (500点)的強度求和而求出。另外，(00 面间隔将在以下所示的測定条件下測定的衍射数据使用NBS制硅标准资料修正衍射角，使用上述X射线衍射数据处理软件JADE6算出。峰值搜索条件如上所述。結晶系为六方晶(P63/mmc)，晶格常数初始值设为a = 2. 4704、c = 6. 7244，计算中包含(002)、(100)、(101)、(102)、(004)、(103)、(110)、(112)、(006)、(201)的 10 条峰值。 使用強度加权V (1%).此外，未使用角度加权。X射线衍射測定使用Bruker AXS公司制造(原MacScience公司制造)的全自动 X射线衍射装置MXP18VAHF。測定条件如下。使用X射线CuK α射线管电压、管电流40kV、350mA光学系统集中法扫描方法步进扫描2 θ扫描范围20 100度2 θ 步进0.02 度1步进的累积时间1秒发散狭縫0.5度散射狭缝0.5度受光狭缝0.15mm使用计数石墨单色仪此外，測定试料设置为测定与石墨的挤压方向垂直的结晶面。这里，基板主体11从室温至200°C的热膨胀系数设定为10X10_6/°C以下，热传导率设定为190Wバm · K)以上，抗弯强度设定为30MPa以上。另外，在基板主体11的一面和另一面上分別形成有铝构成的金属表层12、13。在本实施方式中，金属表层12、13由与填充到碳质部件中的纯铝相同的材质构成。此外，基板主体11的厚度tb设定在Imm彡tb彡6mm的范围内，在本实施方式中， tb = 3mm。另外，金属表层12、13的厚度ts设定在0. 05mm彡ts彡0. 5mm的范围内，在本实施方式中，金属表层12、13为相同的厚度，ts = 0. 25mm。绝缘被膜15通过使绝缘性材料构成的粉末碰撞到形成在基板主体11的一面侧的金属表层12上而形成。在本实施方式中，通过使颗粒直径为亚微米级的氧化铝粉末与气体混合成为悬浮微粒状，经由喷嘴使其高速碰撞，即通过气浮沉积法，形成氧化铝(Al2O3)构成的绝缘被膜15。这里，利用气浮沉积法，碰撞的氧化铝粉末在破碎的状态下层积，因破碎形成的活性面而使氧化铝粉末之间牢固地结合，从而形成结构非常致密的绝缘被膜15。此外，绝缘被膜15的厚度ti设定为5 μ m < ti < 50 μ m，在本实施方式中设定为 ti = 10 μ m。电路层21通过在绝缘基板10的绝缘被膜15的表面上层积导电性材料而形成。在本实施方式中，电路层21通过使铝粉末在其熔点以下的温度下碰撞的气浮沉积法而形成。 此夕卜，电路层21的厚度设定为0. Olmm以上1. Omm以下，在本实施方式中设定为0. 1mm。
如此，通过在绝缘基板10上形成电路层21，从而构成本实施方式的绝缘电路基板 20。冷却器30用于冷却前述的绝缘电路基板20，形成设置有多条用于流通冷却介质 (例如冷却水)的流路31的多孔管结构。冷却器30希望由热传导性良好的材质构成，在本实施方式中由A6063 (铝合金)构成。半导体芯片3由Si构成，该半导体芯片3例如经由Sn-Ag系、Sn-In系、或 Sn-Ag-Cu系的软钎料构成的软钎焊层2接合在电路层21上。此外，在本实施方式中，在电路层21与软钎焊层2之间设置有镀Ni层(未图示)。接着，參照图3和图4对本实施方式的电源模块的制造方法进行说明。首先，形成铝-石墨复合材料构成的基板主体11 (基板主体形成エ序Si)。此外， 在该基板主体形成エ序中，如图4所示，准备气孔率10 30体积％的结晶质的石墨部件构成的石墨板41，在该石墨板41的两面分別配设气孔率5体积％以下的石墨构成的夹持板 42、42，通过不锈钢制按压板43、43夹持该夹持板42、42与石墨板41。将其例如在以100 200MPa加压的状态下加热至750 850°C，使纯度99. 0%以上的熔融铝含浸在石墨板41 中，使其冷却凝固，得到铝-石墨复合材料。此时，熔融铝的一部分滲出石墨板41的表面形成铝层44。对该铝层44实施切削加工以调整厚度，作为金属表层12、13，从而制造前述的基板主体11。接着，在该基板主体11的一面侧形成绝缘被膜15 (绝缘被膜形成エ序S2)。这里， 在本实施方式中，由于在基板主体11的一面侧形成有金属表层12，因此在该金属表层12上形成绝缘被膜15。在该绝缘被膜形成エ序S2中，通过使颗粒直径0. 1 μ m以上1 μ m以下的氧化铝 (Al2O3)粉末与气体混合成为悬浮微粒状，经由喷嘴在高速下碰撞的气浮沉积法，形成氧化铝(Al2O3)构成的绝缘被膜15。此外，该绝缘被膜形成エ序S2中的气浮沉积法的被膜形成条件为在大气压气氛下，使用气氛温度室温、流量1 201/min的氧气作为载气。通过如此在基板主体11的一面侧形成绝缘被膜15，从而制造本实施方式的绝缘基板10。接着，在该绝缘基板10的一面上形成电路层21 (电路层形成エ序S3)。在该电路层形成エ序S3中，通过使颗粒直径Iym以上10 μ m以下的铝粉末在其熔点以下的温度碰撞的气浮沉积法而形成。此外，该电路层形成エ序S3中的气浮沉积法的被膜形成条件为在大气压气氛下，使用气氛温度室温、流量1 201/min的氧气作为载气。接着，在绝缘基板10的另一面侧接合冷却器30 (冷却器接合エ序S4)。此外，在本实施方式中，由于在绝缘基板10的另一面侧形成有金属表层13，因此该金属表层13与冷却器30接合。此外，冷却器30经由钎料接合，钎焊的温度设定为550 610°C。如此，形成本实施方式的绝缘电路基板20。而且，在电路层21的表面形成镀Ni，并且经由软钎料载置半导体芯片3，在还原炉内进行软钎焊接合(半导体元件接合エ序S5)。据此，半导体芯片3经由软钎焊层2接合到电路层21上，制造出本实施方式的电源模块1。
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根据这种结构的本实施方式的绝缘基板10、绝缘电路基板20以及电源模块1，绝缘基板10具有铝-石墨复合材料构成的基板主体11，该基板主体11从室温至200°C的热膨胀系数设定为10X10_6/°C以下，由干与半导体芯片3的热膨胀系数近似，因此该电源模块1负载冷热循环吋，能够抑制热应力作用于半导体芯片3，能够防止半导体芯片3的破损。另外，由于基板主体11的热传导率设定为190W/(m · K)以上，因此能够使由搭载在绝缘基板10的一面侧的半导体芯片3产生的热向配设在绝缘基板10的另一面侧的冷却器30有效地扩散。进而，由于基板主体11的抗弯强度设定为30MPa以上，因此能够确保作为绝缘基板10的刚性，并构成电源模块1。另外，绝缘被膜15通过使颗粒直径为亚微米级的氧化铝粉末与气体混合成为悬浮微粒状，经由喷嘴高速碰撞的所谓气浮沉积法而形成，具有非常致密的结构，因此绝缘被膜15的厚度ti即使设定为5 μ m彡ti < 50 μ m，更具体地设定为ti = 10 μ m,也能够获得高绝缘耐压。因此，通过使用该绝缘基板10，能够提供高可靠性的电源模块1。另外，由于在基板主体11的一面侧形成有铝构成的金属表层12，在该金属表层12 之上形成有绝缘被膜15，因此通过使氧化铝粉末碰撞并层积到铝暴露的比较均勻的面上， 能够形成均勻的绝缘被膜15。进而，如前所述由于通过气浮沉积法形成绝缘被膜15，因此能够在常温条件下形成绝缘被膜15，能够降低该绝缘基板10的制造成本。进而，通过在绝缘基板10的一面侧、即绝缘被膜15的表面形成由导电性材料的铝构成的电路层21而构成绝缘电路基板20。在该绝缘电路基板20中，通过绝缘被膜15实现铝-石墨复合材料构成的基板主体11与电路层21的绝缘，能够构成可靠性高的电源模块 1。另外，由于该电路层21通过使铝粉末在其熔点以下的温度碰撞的气浮沉积法形成，因此能够在绝缘被膜15上良好地形成铝构成的电路层21。而且，由于气浮沉积法能够在粉末的熔点以下、且在大气压下进行，因此能够实现该绝缘电路基板20的制造成本的削减。进而，在本实施方式中，由于在基板主体11的另一面侧也形成有铝构成的金属表层13，因此经由该金属表层13能够良好地接合冷却器30。即，由于金属表层13由铝构成， 冷却器30由铝合金构成，因此能够使用Al-Si系等普通的钎料容易地接合绝缘基板10与冷却器30。另外，在本实施方式中，形成铝-石墨复合材料构成的基板主体11吋，通过使铝含浸在石墨板41中并冷却凝固，并且切削加工熔融铝的一部分滲出石墨板41的表面形成的铝层44，从而形成金属表层12、13，因此能够比较容易地制造具有金属表层12、13的基板主体11。接着，对本发明的第二实施方式的绝缘基板以及使用该绝缘基板的半导体装置进行说明。如图5所示，该半导体装置101为包括半导体芯片103、具备配设在该半导体芯片103的下面侧的第一绝缘基板IlOA的绝缘电路基板120、配设在该绝缘电路基板120的下方侧的第一冷却器130A、配设在半导体芯片103的上面侧的第二绝缘基板110B、以及配设在该第二绝缘基板IlOB的上方侧的第二冷却器130B的两面冷却式半导体装置101。第一绝缘基板IlOA和第二绝缘基板IlOB包括由金属基复合材料构成的基板主体111A、11IB ；以及形成在该基板主体111A、11IB的一面侧(图5中，第一绝缘基板1IOA为上面侧、第二绝缘基板IlOB为下面侧)的绝缘被膜115A、115B。在本实施方式中，基板主体111A、111B由在SiC构成的母材中填充有铝或铝合金的AlSiC复合材料构成。这里，基板主体111A、111B从室温至200°C的热膨胀系数设定为10X10_6/°C以下， 热传导率设定为190Wバm · K)以上，抗弯强度设定为30MPa以上。另外，在基板主体111A、111B的一面侧和另一面侧分别形成有铜构成的金属表层 112A、112B、113A、113B。即，在本实施方式中，构成基板主体111AU11B的金属基复合材料 (AlSiC复合材料)中含浸的金属(铝)与构成金属表层112ム、1128、113ム、11；^的金属(铜) 不同。绝缘被膜115A、115B通过使绝缘性材料构成的粉末碰撞到形成在基板主体111A、 IllB的一面侧的金属表层112A、112B上而形成。在本实施方式中，通过使颗粒直径为亚微米级的氧化铝粉末与气体混合成为悬浮微粒状，经由喷嘴高速碰撞的所谓气浮沉积法，形成氧化铝(Al2O3)构成的绝缘被膜。另外，通过在第一绝缘基板IlOA的绝缘被膜115A的表面上层积导电性材料而形成电路层121，从而构成绝缘电路基板120。在本实施方式中，电路层121通过涂布和烧结Ag浆而形成。第一冷却器130A和第二冷却器130B用于冷却半导体芯片103，包括与形成在基板主体111A、111B的另一面侧的金属表层113A、li;3B接合的顶板部132A、132B ；从该顶板部132A、132B垂直设置的放热翅片133A、133B ；以及用于流通冷却介质(例如冷却水)的流路131A、131B。第一冷却器130A和第二冷却器130B希望由热传导性良好的材质构成，在本实施方式中由Cu合金构成。半导体芯片103由Si构成，该半导体芯片103例如经由Sn-Ag系、Sn-In系、或 Sn-Ag-Cu系软钎料构成的软钎焊层102A搭载在绝缘电路基板120的电路层121上。进而， 在半导体芯片103的上面侧经由软钎焊层102B接合有第二绝缘基板110B。接着，參照图6和图7对本实施方式的半导体装置的制造方法进行说明。首先，形成金属基复合材料(金属基复合材料形成エ序S10)。在本实施方式中，在 SiC构成的母材中填充铝或铝合金，形成AlSiC复合材料。接着，如图7所示，在AlSiC复合材料的板材的两面上，通过使颗粒直径1 μ m以上 10 μ m以下的铜粉末在其熔点以下的温度经由喷嘴146碰撞的所谓气浮沉积法，形成金属表层112A、112B、113A、113B(金属表层形成エ序S11)。此外，该金属表层形成エ序Sll中的气浮沉积法的被膜形成条件为在大气压气氛下，使用气氛温度室温、流量1 201/min的氧气作为载气。如此形成基板主体111A、111B。接着，在该基板主体111A、11IB的一面侧形成绝缘被膜115A、115B (绝缘被膜形成 エ序S12)。这里，在本实施方式中，由于在基板主体111A、111B的一面侧形成有金属表层 112A、112B，因此在该金属表层112A、112B上形成绝缘被膜115A、115B。在该绝缘被膜形成ェ序S12中，通过使颗粒直径为亚微米级的氧化铝(Al2O3)粉末与气体混合成为悬浮微粒状，经由喷嘴高速碰撞的气浮沉积法，形成氧化铝(Al2O3)构成的绝缘被膜。此外，该绝缘被膜形成エ序S12中的气浮沉积法的被膜形成条件为在大气压气氛下，使用气氛温度室温、流量1 201/min的氧气作为载气。如此通过在基板主体 111A、11 IB的一面上形成绝缘被膜115A、115B，从而制造第一绝缘基板IlOA和第二绝缘基板 IlOB0接着，在第一绝缘基板IlOA的绝缘被膜115A的表面上形成电路层121 (电路层形成エ序S13)。在该电路层形成エ序S13中，通过涂布、煅烧Ag浆，从而形成Ag构成的电路层 121。另外，在第一绝缘基板IlOA的另一面侧接合第一冷却器130A(第一冷却器接合エ 序S14A)。此外，在本实施方式中，由于在第一绝缘基板IlOA的另一面侧形成有金属表层 113A，因此该金属表层113A与第一冷却器130A接合。此外，第一冷却器130A经由钎料接合，钎焊的温度设定为550 610°C。如此，形成本实施方式的绝缘电路基板120。进而，在第二绝缘基板IlOB的另一面侧接合第二冷却器130B(第二冷却器接合エ 序S14B)。此外，在本实施方式中，由于在第二绝缘基板IlOB的另一面侧形成有金属表层 113B,因此该金属表层11 与第二冷却器130B接合。此外，第二冷却器130B经由钎料接合，钎焊的温度设定为550 610°C。而且，在使用第一绝缘基板IlOA的绝缘电路基板120上经由软钎料载置半导体芯片103，并且在半导体芯片103的上面侧经由软钎料配设第二绝缘基板110B，在还原炉内进行软钎焊接合(半导体元件接合エ序S15)。据此，制造在半导体芯片103的上面侧和下面侧经由第一绝缘基板IlOA和第二绝缘基板IlOB配设有第一冷却器130A和第二冷却器130B的两面冷却式半导体装置101。根据这种结构的本实施方式的绝缘基板110A、110B、绝缘电路基板120以及半导体装置101，与第一实施方式同样，在冷热循环负载时能够防止热应力作用于半导体芯片 103，且能够使由半导体芯片103产生的热向第一冷却器130A和第二冷却器130B侧高效地扩散。另外，由于通过气浮沉积法形成绝缘被膜115A、115B，绝缘被膜115A、115B具有非常致密的结构，因此能够获得高绝缘耐压，能够可靠地防止半导体芯片103与第一冷却器 130A和第二冷却器130B的短路。而且，在本实施方式中，在基板主体111A、111B的一面和另一面上通过气浮沉积法形成金属表层112A、112B、113A、113B，能够制造出含浸在金属基复合材料(AlSiC)中的金属(铝)与构成金属表层112A、112B、113A、li;3B的金属(铜)不同的结构的基板主体 111Α、111Β。在本实施方式中，由于基板主体111A、111B的另一面侧的金属表层113A、113B由铜构成，第一冷却器130A和第二冷却器130B由铜合金构成，因此分别能够良好地接合第一绝缘基板IlOA与第一冷却器130A、第二绝缘基板IlOB与第二冷却器130B。以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内可以适当变更。例如，说明了基板主体具备金属表层，但并不限定于此，如图8所示，也可以不形成金属表层。另外，金属表层也可以仅形成在一面或另一面上。进一歩，金属表层的厚度也可以在一面上与在另一面上不同。另外，说明了具备冷却器的绝缘电路基板和半导体装置，但如图8所示，也可以不具备冷却器。进一歩，作为构成基板主体的金属基复合材料，举出铝-石墨复合材料和AlSiC复合材料为例进行了说明，但并不限定于此，例如也可以是Cu-石墨复合材料等其他金属基复合材料。另外，说明了由氧化铝构成绝缘被膜，但并不限定于此，也可以由Si3N4、A1N、莫来石、SiO2等其他绝缘性材料构成。进一歩，说明了通过气浮沉积法形成绝缘被膜，但并不限定于此，也可以通过使绝缘性材料构成的粉末在高温下碰撞的等离子体喷涂法等形成绝缘被膜。另外，说明了由铝或Ag构成电路层，但并不限定于此，也可以由Cu、Ni等其他导电性材料构成。进一歩，说明了通过气浮沉积法或Ag浆的涂布、煅烧形成电路层，但并不限定电路层的形成方法，也可以通过等离子体喷涂法形成，还可以接合金属板。或者，也可以通过电镀形成。说明了通过钎焊接合冷却器，但并不限定于此，也可以使用粘着剂或软钎料接合。另外，冷却器的材质或结构并不限定于实施方式，也可以适当变更设计。另外，举出电源模块或两面冷却式半导体装置为例进行了说明，但并不限定于此， 作为半导体元件也可以是配设LED元件的LED半导体装置。进一歩，基板主体、金属表层、电路层的厚度等并不限定于本实施方式，可以适当变更设计。
权利要求
1.一种绝缘基板，包括金属基复合材料构成的基板主体以及形成在该基板主体的一面上的绝缘被膜，该绝缘基板的特征在干，所述基板主体从室温至200°c的热膨胀系数设定为10 XIO-V0C以下，热传导率设定为 190ff/(m · K)以上，抗弯强度设定为30MPa以上，所述绝缘被膜通过使绝缘性材料构成的粉末碰撞到所述基板主体的一面上而形成。
2.根据权利要求1所述的绝缘基板，其特征在干，所述绝缘被膜通过气浮沉积法形成。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的绝缘基板，其特征在干，在所述金属基复合材料构成的基板主体的一面上形成有金属表层，在该金属表层之上形成有所述绝缘被膜。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的绝缘基板，其特征在干，在所述金属基复合材料构成的基板主体的另一面上形成有金属表层。
5.根据权利要求3所述的绝缘基板，其特征在干，在所述金属基复合材料构成的基板主体的另一面上形成有金属表层。
6.ー种绝缘电路基板，其特征在干，具有权利要求1至权利要求5中的任一项所述的绝缘基板，在该绝缘基板的绝缘被膜之上形成有导电性材料构成的电路层。
7.根据权利要求6所述的绝缘电路基板，其特征在干，所述电路层通过使金属粉末碰撞到所述绝缘被膜上而形成。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的绝缘电路基板，其特征在干，所述电路层由Al、 Ni、Cu、Ag中的任ー种构成。
9.根据权利要求6或权利要求7所述的绝缘电路基板，其特征在干，所述电路层由Al 作为基底层且Ag作为上层的层压膜、或者Al或Ag中的至少ー个作为基底层且Cu或Ni中的至少ー个作为上层的两层以上的层压膜构成。
10.根据权利要求6或权利要求7所述的绝缘电路基板，其特征在干，在所述绝缘基板的另一面侧配设有冷却器。
11.根据权利要求8所述的绝缘电路基板，其特征在干，在所述绝缘基板的另一面侧配设有冷却器。
12.根据权利要求9所述的绝缘电路基板，其特征在干，在所述绝缘基板的另一面侧配设有冷却器。
13.一种半导体装置，其特征在干，具有权利要求1至权利要求5中的任一项所述的绝缘基板，在该绝缘基板上搭载有半导体元件。
14.一种绝缘基板的制造方法，所述绝缘基板包括金属基复合材料构成的基板主体以及形成在该基板主体的一面上的绝缘被膜，该绝缘基板的制造方法的特征在干，具有绝缘被膜形成エ序，通过使绝缘性材料构成的粉末碰撞到从室温至200°C的热膨胀系数设定为10X10_7°C以下、热传导率设定为190Wバπι·Κ)以上、抗弯强度设定为30MPa 以上的所述基板主体的一面上而形成绝缘被膜。
15.根据权利要求14所述的绝缘基板的制造方法，其特征在干，所述绝缘被膜形成エ 序通过气浮沉积法形成所述绝缘被膜。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的绝缘基板的制造方法，其特征在干，包括金属表层形成エ序，通过使金属粉末碰撞到所述基板主体的一面和另一面中的至少ー个上而形成金属表层。
17.—种绝缘电路基板的制造方法，所述绝缘电路基板包括绝缘基板，该绝缘基板具有金属基复合材料构成的基板主体以及形成在该基板主体的一面上的绝缘被膜；以及形成在该绝缘基板上的电路层，该绝缘电路基板的制造方法的特征在干，包括电路层形成エ序，在权利要求1至权利要求5中的任一项所述的绝缘基板的绝缘被膜之上形成导电性材料构成的电路层。
18.根据权利要求17所述的绝缘电路基板的制造方法，其特征在干，所述电路层形成 ェ序通过使金属粉末碰撞到所述绝缘被膜上而形成。
全文摘要
本发明提供一种放热特性优异、且冷热循环负载时能够抑制热应力作用于半导体元件的绝缘基板、使用该绝缘基板的绝缘电路基板和半导体装置、以及绝缘基板的制造方法和绝缘电路基板的制造方法。一种绝缘基板(10)，包括金属基复合材料构成的基板主体(11)、以及形成在该基板主体(11)的一面上的绝缘被膜(15)，其特征在于，基板主体(11)从室温至200℃的热膨胀系数设定为10×10-6/℃以下，热传导率设定为190W/(m·K)以上，抗弯强度设定为30MPa以上，绝缘被膜(15)通过使绝缘性材料构成的粉末碰撞到基板主体(11)的一面上而形成。
文档编号H01L21/48GK102593075SQ201110020029
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者长友义幸, 长濑敏之, 黑光祥郎 申请人:三菱综合材料株式会社