CN109075159A - 半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供导热性高、且工作性优异的半导体装置。半导体装置(101)具备绝缘基板(13)、半导体元件(11)、管芯接合材料(22)、接合材料(23)以及冷却构件(12)。绝缘基板(13)具有绝缘陶瓷(6)、设置于绝缘陶瓷(6)的一个面的导板(5)以及设置于另一个面的导板(7)。半导体元件(11)经由管芯接合材料(22)设置在导板(5)上。在管芯接合材料(22)中采用烧结金属。半导体元件(11)的弯曲强度为700MPa以上，其厚度为0.05mm以上且0.1mm以下。冷却构件(12)经由接合材料(23)接合于导板(7)。

Description

半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体装置及其制造方法。
背景技术
在功率模块中采用的半导体装置中，使用例如以Si(硅)或SiC(碳化硅)为基材的半导体元件。根据将半导体元件的温度保持为规定温度以下的需要，期望将从半导体元件产生的热高效地散热。
从该散热的观点出发，以往以来提出了冷却器经由绝缘基板接合于半导体元件的功率模块。在绝缘基板中，高导热性的绝缘陶瓷板和设置于其两面的含有高导热性的金属的导板成为一体。在绝缘陶瓷板中例如使用氮化硅、氮化铝或氧化铝。在导板中例如使用铝(包括铝合金。下同)或铜(包括铜合金。下同)。
在绝缘基板的一个面，经由烧结Ag等烧结金属接合半导体元件。在绝缘基板的另一个面，经由焊剂等接合材料直接或间接地接合冷却器。
另一方面，从抑制将半导体装置进行密封的树脂的变形的观点出发，还提出了关于半导体元件的提案。所述变形例如起因于外部环境的温度变化。例如其弯曲强度为100MPa以上且1000MPa以下的半导体元件被配置为应力缓和构件。
专利文献1中的应力缓和构件包括配置于绝缘基板的主面的具有100MPa以上且1000MPa以下的弯曲强度的半导体元件。
专利文献1：日本特开2015-15412号公报
发明内容
发明要解决的问题
即使是从散热的观点出发如上所述那样提案的结构，也有时无法在对该结构要求的寿命期间维持充分的散热性能。这是因为：半导体元件和冷却器各自的热膨胀系数不同，根据使用条件而产生热应力；由于该热应力而在半导体元件或者半导体元件与冷却器之间的接合构件产生裂纹。
例如在专利文献1中公开的具备应力缓和构件的半导体装置中，在冷却器与绝缘基板通过焊剂被直接接合的直接冷却式模块中存在问题。在绝缘基板上存在与半导体元件(例如SiC芯片)接合的Ag烧结物部。一般来说，期待SiC耐得住高于Si的结温，反复高温/低温的热循环在该高温时成为175℃以上。而且，在所述热循环中进行动作时，有时在该Ag烧结物部产生裂纹。
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于提供一种导热性高、且工作性优异的半导体装置及其制造方法。
用于解决问题的方案
本发明所涉及的半导体装置具备绝缘基板，该绝缘基板具有绝缘板、设置于所述绝缘板的一个面的第一导板以及设置于所述绝缘板的另一个面的第二导板。还具备：烧结金属；半导体元件，经由所述烧结金属设置于所述第一导板上，厚度为0.05mm以上且0.1mm以下；接合材料；以及冷却构件，经由所述接合材料接合于所述第二导板。所述半导体元件的弯曲强度为700MPa以上。或者，所述半导体元件具有其芯片厚度的30％以下的裂纹进展深度率。
本发明所涉及的半导体装置的制造方法具备：(a)准备具有绝缘板、设置于所述绝缘板的一个面的第一导板、设置于所述绝缘板的另一个面的第二导板的绝缘基板的工序；(b)在所述第一导板经由烧结金属设置半导体元件的工序；以及(c)在所述第二导板经由第一接合材料接合冷却构件的工序。
发明的效果
根据本发明所涉及的半导体装置，因半导体元件的线膨胀系数与冷却构件的热膨胀系数之差引起的热应力被半导体元件所吸收。因此，提高导热性，并且缓和接合材料中产生的应力，工作性优异。本发明所涉及的半导体装置的制造方法有助于本发明所涉及的半导体装置的制造。
本发明的目的、特征、方面以及优点通过以下的详细的说明和附图会变得更明确。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的半导体装置的构造的截面图。
图2是依次示出半导体元件的制造工序的截面图。
图3是依次示出半导体元件的制造工序的截面图。
图4是依次示出半导体元件的制造工序的截面图。
图5是依次示出半导体元件的制造工序的截面图。
图6是表示在制造半导体元件之后且得到半导体装置之前的工序的截面图。
图7是表示管芯接合(die-bond)材料的寿命相对于绝缘基板的线膨胀系数的关系的图表。
图8是表示在管芯接合材料中产生的剥离的SAT像。
图9是切割(dicing)后的半导体元件11的利用显微镜得到的截面像。
图10是切割后的半导体元件11的利用显微镜得到的截面像。
图11是表示半导体元件的累积故障率与弯曲强度的关系的图表。
图12是表示在半导体装置中施加到半导体元件的应力的图表。
图13是表示切割条件与裂纹进展深度率的关系的图表。
图14是表示实施方式2所涉及的半导体装置的构造的截面图。
图15是依次示出实施方式2所涉及的半导体装置的制造工序的截面图。
图16是依次示出实施方式2所涉及的半导体装置的制造工序的截面图。
图17是表示实施方式2所涉及的半导体装置的构造的截面图。
图18是表示实施方式2所涉及的其它半导体装置的构造的截面图。
图19是表示实施方式4所涉及的半导体装置的构造的截面图。
图20是依次示出实施方式4所涉及的半导体装置的制造工序的截面图。
图21是依次示出实施方式4所涉及的半导体装置的制造工序的截面图。
图22是依次示出实施方式4所涉及的半导体装置的制造工序的截面图。
(附图标记说明)
3：引线；4、23：接合材料；5、7：导板；6：绝缘陶瓷；11：半导体元件；11a：半导体基体；12：冷却构件；13、14：绝缘基板；17：密封树脂；22：管芯接合材料；51、71：铜板；52、72：铝板；101～105：半导体装置。
具体实施方式
<实施方式1>.
图1是表示实施方式1所涉及的半导体装置101的构造的截面图。半导体装置101具备半导体元件11、管芯接合材料22、绝缘基板13、接合材料23、冷却构件12。
半导体元件11经由管芯接合材料22接合于绝缘基板13的一个面。绝缘基板13的另一个面与冷却构件12经由接合材料23被接合。绝缘基板13具有作为绝缘板的绝缘陶瓷6、设置于绝缘陶瓷6的一个面的导板5以及设置于绝缘陶瓷6的另一个面的导板7。换言之，绝缘基板13具有导板5、7以及以被导板5与导板7夹着的方式配置的绝缘陶瓷6。使用钎料等将它们预先一体化为绝缘基板13。
导板5与管芯接合材料22相接。因此，半导体元件11经由管芯接合材料22设置于导板5上，更具体地说接合于导板5。但是，半导体元件11与绝缘基板13也可以通过Cu固相扩散接合或超声波接合等直接接合被接合，从而省略管芯接合材料22。导板7与冷却构件12相向，经由接合材料23接合于冷却构件12。
半导体元件11具有半导体基体11a以及与半导体基体11a电连接的布线电极11b。半导体元件11在与形成有布线电极11b的面(以下称为“第一主面”)相反的一侧(图中下侧)的面(以下称为“第二主面”)还具有背面外部输出电极11c。
半导体基体11a例如以SiC为基材。SiC是所谓的宽带隙半导体。宽带隙半导体相比于Si而言带隙大，从使半导体元件11的绝缘击穿电场强度变大的观点、且使半导体元件11在175℃以上的高温下动作的观点来看，将宽带隙半导体采用于半导体基体11a是有利的。下面，以半导体基体11a将SiC作为基材的情况为例进行说明。
布线电极11b例如由Cu、Al、AlSi、Ni、Au的金属层的某一个或其组合来实现。在本实施方式中，背面外部输出电极11c例如由Al、AlSi、Ni、Au的金属层的某一个或其组合来实现。
在管芯接合材料22中例如能够使用银纳米粒子的低温烧结材料、如Cu-Sn或Ag-Sn那样的液相扩散接合材料、或焊剂等作为电和热的良导体的接合材料。下面，以采用烧结金属来作为管芯接合材料22的情况为例进行说明。该烧结金属例如是烧结Ag。
在热循环试验时因半导体元件11的热膨胀系数与冷却构件12的热膨胀系数之差引起而产生的热应力被半导体元件11所吸收。在半导体装置101整体挠曲时，管芯接合材料22也挠曲而在管芯接合材料22中产生应力，管芯接合材料22需要耐得住该应力。
管芯接合材料22如果其厚度小于3μm则耐不住在热循环试验时产生的应力，出现裂纹，在强度上不充分。另外，管芯接合材料22如果其厚度超过100μm则担忧在其形成工艺中出现裂纹。因此，关于管芯接合材料22的厚度，从确保其强度的观点来看期望为3μm以上，从防止在形成工艺中产生裂纹的观点来看期望为100μm以下。
对于导板5、7均能够使用例如铜或铝等电和热的良导体。在导板5、7中采用铜的情况下，例如其厚度为0.2～1.0mm，线膨胀系数为17ppm。
在绝缘陶瓷6中能够使用氮化硅、氮化铝或氧化铝等在电的观点上为绝缘体、且作为热的良导体的陶瓷。在绝缘陶瓷6中采用氮化硅的情况下，例如其厚度为0.1mm～1.00mm，线膨胀系数为2.5ppm。另外，加上上述导板5、7的作为绝缘基板13整体的线膨胀系数能够估计为例如5.7～8.9ppm。
在接合材料23中例如能够使用银纳米粒子的低温烧结材料、银糊剂材料、如Cu-Sn或Ag-Sn那样的液相扩散接合材料、或焊剂等作为热的良导体的接合材料。在用焊剂来接合的情况下，期望还留意焊剂材料的屈服应力，优选例如Sn-Cu-Sb那样的高强度焊剂。
冷却构件12由铜或铝等导热良好的金属材料形成。
根据这样的结构，从半导体元件11至冷却构件12的热阻小。因而，来自半导体元件11的发热通过优异的热传递性传递至冷却构件12。另外，因半导体元件11的热膨胀系数与冷却构件12的热膨胀系数的差异引起的热应力通过半导体元件11的塑性变形而大部分被吸收。因此，充分地确保绝缘基板13与冷却构件12之间的接合的可靠性。
接着，使用图2至图5来简单地例示半导体元件11的制造工序、特别是半导体元件11的厚度t为100μm以下的情况下的制造工序。图2至图5是依次示出半导体元件11的制造工序的截面图。首先，在第一主面制作器件面。该器件面例如在MOSFET中是源极侧的面。在该工序中形成布线电极11b(参照图2)。
接着，对第二主面进行磨削，将半导体基体11a的厚度设为例如50μm以上且100μm以下(参照图3)。关于该磨削，例如能够通过采用了将金刚石磨粒通过陶瓷(vitrified)结合而成的磨石的磨削机来实现。在该磨削时，在半导体基体11a的第一主面侧粘贴保护带，保护器件面以免受到磨削的影响。或者，也可以在第一主面涂布蜡等并粘贴支持基板来保护器件面。
在磨削之后，在第二主面堆积用于形成硅化物的金属膜11d(参照图4)。作为金属膜11d的材料，例如可列举Ni。之后，使金属膜11d与半导体基体11a反应来形成硅化物层，形成接触电极。关于该反应，通过向金属膜11d的激光照射来实现。
之后，对接触电极的表面进行蚀刻，去除该表面的氧化膜等。关于蚀刻，能够通过例如使用Ar+离子的干蚀刻来实现。此时，也可以残留有未反应的金属膜11d的一部分。
在去除表面的氧化膜之后，在接触电极的表面上形成背面外部输出电极11c(参照图5)。为了简单而省略了接触电极的图示。背面外部输出电极11c的成膜方法对其密合性的影响大。在本实施方式中，通过DC溅射进行了背面外部输出电极11c的成膜。通过此时投入的电力，成膜温度为100℃以上。
通常，在同一个半导体晶片中制造出多个半导体元件11。因此，图2至图5所示的工序是着眼于并行地制造的多个半导体元件11中的一个的图。该半导体晶片在多个半导体元件11中被用作半导体基体11a。在半导体元件11的制造完成紧接之后，这些多个半导体元件11彼此经由半导体基体11a连接在一起，因此通过切割来分离得到各个半导体元件11。
图6是表示在制造各个半导体元件11之后且得到半导体装置101之前的工序的截面图。准备导板5、7与绝缘陶瓷6如上所述那样预先一体化的绝缘基板13。然后，将半导体元件11在其第二主面侧经由管芯接合材料22接合于导板5。另一方面，将冷却构件12经由接合材料23接合于导板7。通过这样制造半导体装置101(参照图1)。也就是说，所述制造工序有助于半导体装置101的制造。
一般，通过热循环试验，由于作为热的良导体的冷却构件12的线膨胀系数与绝缘基板13及半导体元件11的线膨胀系数的差异而在半导体装置101中产生挠曲。因此，该挠曲越大，则在管芯接合材料22中产生的应力越大。
在本实施方式中使用的直接冷却式模块构造中，例如采用焊剂的接合材料23直接连接于冷却构件12。而且，冷却构件12经由接合材料23接合于管芯接合有半导体元件11的绝缘基板13。因此，容易产生因冷却构件12的线膨胀系数与绝缘基板13及半导体元件11的线膨胀系数的差引起的挠曲。
在通常的模块构造中，将由铜材形成的底板(省略图示)经由油脂(grease)接合于冷却构件12。并且，经由例如采用焊剂的接合材料将管芯接合有半导体元件11的绝缘基板13接合于底板。因此，因冷却构件12的线膨胀系数与绝缘基板13及半导体元件11的线膨胀系数之差引起的挠曲通过油脂、底板得以缓和，与直接冷却式模块构造相比缓和挠曲。也就是说，在管芯接合材料22中产生的应力变小。
接着，示出用于求出为了降低管芯接合材料22中产生的应力而期望的绝缘基板13的线膨胀系数的计算。
图7是表示在半导体装置101中管芯接合材料22的寿命相对于经由管芯接合材料22与半导体元件11接合的绝缘基板13的作为整体的线膨胀系数的关系的图表。采用半导体元件11的厚度t来作为该关系中的参数，示出了其值为100μm、200μm、300μm的情况。其中，这些图表均是通过CAE(计算机辅助设计)进行的分析结果。另外，例示了如下情况：将烧结Ag用作管芯接合材料22，经由其将绝缘基板13与半导体元件11接合，经由接合材料23将冷却构件12接合于绝缘基板13。
图7的横轴以单位ppm来表示绝缘基板13的作为整体的线膨胀系数(在图中仅标为“绝缘基板13的线膨胀系数”：以下同样)。另外，图7的纵轴表示管芯接合材料22的寿命、即在进行了热循环试验时直到管芯接合材料22发生故障为止的热循环试验的循环数。此处的热循环试验是使半导体装置101的外部环境温度从-(负)40℃度经过175℃再次变化到-(负)40℃的温度循环试验。
以假设直接冷却式模块构造中使用的冷却构件12含有Al的情况并将其线膨胀系数设为23ppm、将使用SiC的半导体元件11的线膨胀系数设为4.6ppm的情况为例进行说明。
绝缘基板13的线膨胀系数越大，则其与冷却构件12的线膨胀系数之差越小，在位于绝缘基板13与冷却构件12之间的接合材料23中产生的应力越小。但是，绝缘基板13的线膨胀系数越大，则绝缘基板13的线膨胀系数与半导体元件11的线膨胀系数之差越大，由于绝缘基板13的挠曲而在管芯接合材料22中产生的应力越大。因此，绝缘基板13的线膨胀系数越大则管芯接合材料22的寿命越短。
相反地，绝缘基板13的线膨胀系数越小，则由于冷却构件12的挠曲而在接合材料23中产生的应力越大，在管芯接合材料22中产生的应力越小，管芯接合材料22的寿命越长。
就管芯接合材料22的寿命改善而言，例如在半导体元件11中使用SiC的情况下其线膨胀系数为4.6ppm，绝缘基板13的线膨胀系数越接近4.6ppm则越好。但是，在冷却构件12例如含有Al的情况下，其线膨胀系数为23ppm，因此绝缘基板13的线膨胀系数越接近半导体元件11的线膨胀系数，则绝缘基板13的线膨胀系数与冷却构件12的线膨胀系数之差越大，由于冷却构件12的挠曲而在接合材料23中产生的应力越大。
当在对接合材料23不产生影响的范围内进行估算时，如图7所示，绝缘基板13的线膨胀系数的差异对管芯接合材料22的热循环寿命产生的影响小。
可知，在图7中示出的绝缘基板13的任一个线膨胀系数均是通过使半导体元件11的厚度t变薄来改善管芯接合材料22的寿命。认为这是因为，半导体元件11是其厚度越薄，则越容易追随冷却构件12的挠曲，由此能够缓和在管芯接合材料22中产生的应力。因此，在半导体装置101中使半导体元件11的厚度变薄在改善管芯接合材料22的寿命的观点上是优选的。
图8是表示在管芯接合材料22中产生的剥离的Scanning Acoustic Tomograph(SAT，超声波断层扫描)像。该剥离是通过热循环试验产生的。该SAT像是从半导体元件11的第一主面侧观察半导体装置101而得到的。在半导体元件11的角部的区域11g中，看出表示剥离状态的白色部分。由于将SAT像的深度位置设定在管芯接合材料22的位置，因此该部分反映了管芯接合材料22的剥离状态。从提高直到产生这样的管芯接合材料22的剥离为止的热循环数的观点来看，期望使半导体元件11的厚度t变薄。
如从图7的理解，在厚度t为100μm的情况下热循环寿命为约3000～7000循环，在厚度t为200μm的情况下热循环寿命为约400～600循环，在厚度t为300μm的情况下热循环寿命为约200～300循环。也就是说，在厚度t为100μm的情况下，与厚度t为200μm的情况以及厚度t为300μm的情况相比，管芯接合材料22的热循环寿命提高1个数量级左右。与此相对，在厚度t为200μm的情况下，与厚度t为300μm的情况相比，管芯接合材料22的热循环寿命只提高了2倍左右。
因此，从显著地提高热循环寿命的观点来看，期望半导体元件11的厚度t为100μm以下。另一方面，如果考虑制造工艺中的成品率，则期望厚度t为50μm以上。因而，可以说半导体元件11的厚度t的期望范围为50μm以上且100μm以下(即0.05mm以上且0.1mm以下)。
半导体元件11为了追随于冷却构件12的挠曲，半导体元件11必须耐得住施加到自身的应力。因此，接着说明在半导体元件11中期望的弯曲强度的范围。
在对半导体元件11进行了关于图7说明的热循环试验的情况下，例如在1000循环的热循环试验中，在具有100～小于700MPa的弯曲强度的半导体元件11中，产生了从其芯片的边缘部分起的破裂。另一方面，在具有700MPa以上的弯曲强度的半导体元件11中，没有产生所述破裂。因此，期望半导体元件11的弯曲强度为700MPa以上。
半导体元件11的弯曲强度依赖于半导体元件11的制造过程及其厚度t。作为其中尤其重要的参数，可列举半导体元件11的切割条件。图9和图10均是切割后的半导体元件11的利用显微镜得到的截面像。但是，图9的试样与图10的试样的切割条件不同。
在图9中，在边缘部观察到裂纹K。由于裂纹K的存在，在弯曲强度的评价时其作为诱因而容易破裂。因此，裂纹K的存在从提高弯曲强度的观点来看是不期望的。
在图10中，未观察到裂纹。这样的半导体元件11在弯曲强度的评价时成为破坏的诱因的要素减少。也就是说，采用半导体元件11的半导体装置101的工作性优异。因此，从提高弯曲强度的观点来看，图10的试样优于图9的试样。
也就是说，期望在不产生裂纹的切割条件下进行切割。切割条件的改善是具体通过适当地选定切割时使用的刀片的种类及厚度、切割带其自身的种类及切割带的粘合剂的种类来得到的。
例如，期望使刀片的厚度小。这是因为降低在切割时产生的多余的裂纹。另外，还期望使切割带的粘合剂的粘合力强。这是为了防止由于在使用刀片时产生的应力而其对象物(在此是半导体元件11)发生变形。
图11是表示半导体元件11的累积故障率与弯曲强度的关系的图表，表示所谓的威布尔图。在右纵轴中用百分率采用半导体元件11的累积故障率F(t)，在左纵轴中采用值ln(ln(1/(1-F(t))))(其中，符号ln表示自然对数，符号F(t)中的符号t表示时间)。在图11的横轴中采用MPa作为单位来示出半导体元件11的弯曲强度。
其中，作为半导体元件11使用以SiC为材料的MOSFET，厚度t为100μm。弯曲强度是通过3点弯曲强度试验来求出的。图11针对在互不相同的第一及第二切割条件下制作的半导体元件11分别用回归线J1、J2示出。
与第一切割条件相比，在第二切割条件下刀片的厚度更小，且切割带的粘合剂的粘合力强。在第一切割条件下制作的半导体元件11如用回归线J1示出的那样弯曲强度为大约100～800MPa。在第二切割条件下制作的半导体元件11如用回归线J2示出的那样弯曲强度为大约700～1100MPa。这样，可知，与第一切割条件相比，在第二切割条件下更容易得到弯曲强度大的半导体元件11。并且，如根据回归线J1、J2的差异明确的那样，与第一切割条件相比，在第二切割条件下弯曲强度的偏差更小。
图12是表示在半导体装置101中施加到半导体元件11的其厚度方向的应力(垂直应力)的图表。该图表表示通过CAE(计算机辅助设计)进行的计算结果。在纵轴中采用了施加到半导体元件11的应力的值，在横轴中采用了经由管芯接合材料22与半导体元件11接合的绝缘基板13的线膨胀系数的值。此外，将半导体元件11的厚度t作为参数，作为其值，采用了100μm、200μm、300μm。
从图12的计算结果可知，在相对于绝缘基板13的线膨胀系数的、半导体元件11的任一个厚度t下，施加到半导体元件11的应力值均小于400MPa。因此认为，如果半导体元件11的弯曲强度小于400MPa则在半导体元件11中产生破裂，如果半导体元件11的弯曲强度为400MPa以上则在半导体元件11中不产生不良。
图12的计算结果与如下情况匹配：在弯曲强度为700MPa以上的半导体元件11中即使将热循环试验实施1000循环也不产生以破裂例示的不良。
另外可知，厚度t越薄，则施加到半导体元件11的应力越高。也就是说，厚度t越薄则要求半导体元件11的弯曲强度越高。如使用图7说明的那样，厚度t越薄则管芯接合材料22的热循环寿命越提高。另外，得到与图11的图表有关的累积故障率F(t)的半导体元件11的厚度t为100μm。因而，如果考虑制造偏差，则更优选的是半导体元件11的弯曲强度为1000MPa以上。
图13是表示切割条件与裂纹进展深度率的关系的图表。裂纹进展深度率表示在切割后的芯片端面出现的裂纹的大小。裂纹的进展深度率参照图9被定义为裂纹的深度d与芯片厚度L之比的百分率(100×d/L[％])。在图13中“改善前”和“改善后”分别对应于上述的第一切割条件和第二切割条件。
从图13可知，与第一切割条件相比，在第二切割条件下，裂纹进展深度率更低。在图11中可知，在招致强度的下降的第一切割条件下裂纹的进展深度率超过30％。据此可知，为了提高强度，需要将裂纹的进展深度率抑制为30％以下。
半导体装置101由半导体元件11吸收因半导体元件11的线膨胀系数与冷却构件12的热膨胀系数之差引起的热应力。因此，能够缓和在接合材料23中产生的应力。因此，能够得到导热性高、且工作性、可靠性优异的半导体装置101。并且，半导体元件11的厚度的下限不会使半导体元件11的制造工艺中的成品率变差，因此也不会导致成本显著上升。
<实施方式2>.
图14是表示与本实施方式有关的半导体装置102的构造的截面图。半导体装置102具有相对于实施方式1中的半导体装置101的构造将绝缘基板13置换为绝缘基板14的结构。其它结构要素与半导体装置101同样。但是，在半导体元件11中，省略了半导体基体11a、布线电极11b、背面外部输出电极11c的区分。
绝缘基板14具有绝缘陶瓷6、铜板51、71以及铝板52、72。铜板51、71含有铜。铝板52、72含有铝。
铝板52、72与绝缘陶瓷6接触地设置，铜板51与铝板52接触地设置，铜板71与铝板72接触地设置。另外，铝板52被绝缘陶瓷6与铜板51夹着，铝板72被绝缘陶瓷6与铜板71夹着。铜板51经由管芯接合材料22接合于半导体元件11，铜板71经由接合材料23接合于冷却构件12。
因此，能够将铜板51和铝板52汇总，仿照实施方式1来理解为导板5。同样地，能够将铜板71和铝板72汇总，仿照实施方式1来理解为导板7。
这样，通过将导板7设为导热率高的铜与容易发生塑性变形的铝的层叠构造，与导板7仅含有铜的情况相比，提高绝缘基板14与冷却构件12之间的接合的可靠性。这在冷却构件12含有铝时优选。这是因为，热应力在夹着接合材料23的两侧的构件、即冷却构件12与导板7中被均等化。特别是在接合材料23含有焊剂的情况下，其效果显著。
期望的是，铝板72是至少纯度99.5％以上、期望是99.9％以上的纯铝。这是因为，由此能够使绝缘基板14的作为整体的线热膨胀系数接近铝的线热膨胀系数，能够降低作用于接合材料23的应力。所述应力的降低从提高绝缘基板14与冷却构件12之间的接合的可靠性的观点来看是期望的。另外，从使绝缘基板14的作为整体的线热膨胀系数接近铝的线热膨胀系数的观点来看，铝板52也期望是至少纯度99.5％以上、期望是99.9％以上的纯铝。
图15和图16是依次示出半导体装置102的制造工序的截面图。首先，参照图15，准备绝缘基板14。在此，“准备”是指，准备具有作为绝缘板的绝缘陶瓷6以及设置于绝缘陶瓷6的两面的导板5、7的绝缘基板14，未必是指绝缘基板14的制造。另外，虽然未图示，但是还准备有冷却构件12。
图16表示在绝缘基板14上(更具体是在铜板51上)经由管芯接合材料22配置半导体元件11的工序。之后，进一步在绝缘基板14的与配置有半导体元件11的一侧相反的一侧的铜板71经由接合材料23接合冷却构件12，来得到图14所示的结构。
<实施方式3>.
图17是表示与本实施方式有关的半导体装置103的构造的截面图。半导体装置103是相对于实施方式1所涉及的半导体装置101使背面外部输出电极11c和导板5均含有铜、且省略管芯接合材料22来实现的。也就是说，背面外部输出电极11c和导板5不经由管芯接合材料22而相互接合。其它结构与半导体装置101同样。
在所述结构中，背面外部输出电极11c与导板5的接合通过液相扩散接合或固相扩散接合被接合。利用所述方式的接合提高对于应力的耐性。这提高绝缘基板13与半导体元件11之间的接合的可靠性。
图18是表示与本实施方式有关的其它半导体装置104的构造的截面图。半导体装置104是相对于实施方式2所涉及的半导体装置102使背面外部输出电极11c含有铜、且省略管芯接合材料22来实现的。也就是说，背面外部输出电极11c和铜板51不经由管芯接合材料22而相互接合。其它结构与半导体装置102同样。
在所述结构中，背面外部输出电极11c与铜板51的接合通过液相扩散接合或固相扩散接合被接合。利用所述方式的接合提高对于应力的耐性。这提高绝缘基板14与半导体元件11之间的接合的可靠性。
例如在使用所谓的被称为Direct Bonded Copper(直接敷铜)的方法形成绝缘基板13的导板5、或者绝缘基板14的铜板51的情况下，能够通过固相扩散接合或液相扩散接合将半导体元件11与绝缘基板13、或者将半导体元件11与绝缘基板14进行接合。
当然，也可以使背面外部输出电极11c和导板5均含有铜、且经由管芯接合材料22将半导体元件11与绝缘基板13进行接合。导板7也可以含有铜。
<实施方式4>.
图19是表示与本实施方式有关的半导体装置105的构造的截面图。半导体装置105具有相对于在实施方式1中说明的半导体装置101追加了引线3、接合材料4以及密封树脂17的结构。但是，在本实施方式中，对冷却构件12采用具有散热片12a的形状。另外，在半导体元件11中，省略了半导体基体11a、布线电极11b、背面外部输出电极11c的区分。
接合材料4在与管芯接合材料22相反的一侧接合于半导体元件11(即第一主面)，引线3经由接合材料4接合于半导体元件11。密封树脂17设置于冷却构件12上，将引线3、接合材料4、半导体元件11、绝缘基板13、管芯接合材料22、接合材料23进行密封。
这样的结构的半导体装置105能够对半导体元件11的基材采用SiC来在超过175℃的温度下进行动作。另外，半导体元件11与冷却构件12之间的热阻降低，因此能够使半导体装置105小型化，通用性扩大。这例如在使用该半导体装置105构成逆变器的情况下有助于该逆变器的小型化。
图20至图22是依次示出与本实施方式有关的半导体装置105的制造工序的截面图。首先，准备导板5、7与绝缘陶瓷6预先一体化的绝缘基板13。然后，经由管芯接合材料22将半导体元件11的第二主面侧接合于导板5(参照图20)。然后，经由接合材料23将冷却构件12接合于导板7(参照图21)。然后，将接合材料4接合于半导体元件11的第一主面侧，进一步对于接合材料4从与半导体元件11相反的一侧将引线3接合于接合材料4(参照图22)。进一步设置密封树脂17。通过这样的制造工序得到图14所示的结构。换言之，所述制造工序有助于半导体装置105的实现。
此外，本发明能够在其发明的范围内将各实施方式自由组合、或者使各实施方式的任意的结构要素适当地变形、或者在各实施方式中省略任意的结构要素。
在上述实施方式中，还记载了各结构要素的材质、材料、实施的条件等，但是它们是例示性的，不限于记载的内容。
详细说明了本发明，但是上述的说明在所有方面均是例示性的，本发明不限定于此。应解释为未例示的无数的变形例不脱离本发明的范围而可设想。

Claims (10)

1.一种半导体装置(101～105)，具备：
绝缘基板(13、14)，具有绝缘板(6)、设置于所述绝缘板的一个面的第一导板(5)以及设置于所述绝缘板的另一个面的第二导板(7)；
烧结金属(22)；
半导体元件(11)，经由所述烧结金属设置于所述第一导板上，弯曲强度为700MPa以上，厚度为0.05mm以上且0.1mm以下；
接合材料(23)；以及
冷却构件(12)，经由所述接合材料接合于所述第二导板。
2.根据权利要求1所述的半导体装置(101～105)，其中，
所述半导体元件(11)的弯曲强度为1000MPa以上。
3.一种半导体装置(101～105)，具备：
绝缘基板(13、14)，具有绝缘板(6)、设置于所述绝缘板的一个面的第一导板(5)以及设置于所述绝缘板的另一个面的第二导板(7)；
烧结金属(22)；
半导体元件(11)，经由所述烧结金属设置于所述第一导板上，具有芯片厚度的30％以下的裂纹进展深度率，厚度为0.05mm以上且0.1mm以下；
接合材料(23)；以及
冷却构件(12)，经由所述接合材料接合于所述第二导板。
4.根据权利要求1或3所述的半导体装置(101～105)，其中，
所述烧结金属(22)的厚度为3μm以上且100μm以下。
5.根据权利要求1或3所述的半导体装置(101～105)，其中，
所述绝缘板(6)含有氮化硅、氮化铝或氧化铝。
6.根据权利要求1或3所述的半导体装置(102)，其中，
所述第二导板(7)具有铜或铜合金(71)与铝或铝合金(72)的层叠构造。
7.根据权利要求6所述的半导体装置(102)，其中，
所述冷却构件(12)含有铝或铝合金。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的半导体装置，其中，
所述半导体元件(11)具有以SiC为基材的半导体基体(11a)。
9.一种半导体装置的制造方法，具备：
(a)准备具有绝缘板(6)、设置于所述绝缘板的一个面的第一导板(5)以及设置于所述绝缘板的另一个面的第二导板(7)的绝缘基板(13)的工序；
(b)在所述第一导板经由烧结金属(22)设置半导体元件(11)的工序；以及
(c)在所述第二导板经由第一接合材料(23)接合冷却构件(12)的工序。
10.根据权利要求9所述的半导体装置的制造方法，其中，还具备：
(d)在所述半导体元件(11)的与所述烧结金属(22)相反的一侧经由第二接合材料(4)接合引线(3)的工序；以及
(e)利用密封树脂(17)将所述半导体元件、所述绝缘基板(13)以及所述引线进行密封的工序。
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