DE112021004170T5

DE112021004170T5 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112021004170T5
Application number: DE112021004170.3T
Authority: DE
Inventors: Seiichi Takahashi; Masayoshi Shimoda; Makoto Isozaki
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-11-01
Publication date: 2023-05-17
Also published as: WO2022230220A1; US20230238299A1; JPWO2022230220A1; CN116250079A9; CN116250079A; KR20230058492A

Abstract

Eine Verschlechterung in einem laminierten Keramiksubstrat wird verhindert.Eine Keramikkarte (20) ist plattenartig mit einer Frontfläche und einer Rückfläche auf einer gegenüberliegenden der Frontfläche und umfasst eine Vielzahl von Keramikteilchen. Eine Metallschicht (30) wird mit einer Hochspannung beaufschlagt, ist mit der Frontfläche der Keramikkarte (20) verbunden, elektrisch mit einem Halbleiterchip verbunden und enthält Kupfer. Eine Metallschicht (40) wird mit einer Niederspannung beaufschlagt, ist mit der Rückfläche der Keramikkarte (20) verbunden und enthält Kupfer. Zwischen der Rückfläche der Keramikkarte (20) und der Metallschicht (40) wird eine Zwischenschicht (50b) gebildet, die ein magnesiumhaltiges Oxid (51b) enthält, das ein magnesiumhaltiges Oxid ist. Aufgrund des zwischen der Keramikkarte (20) und der Metallschicht (40) enthaltenen magnesiumhaltigen Oxids (51b) wird selbst bei Anlegen einer Hochspannung an das laminierte Keramiksubstrat (10) in einer Hochtemperaturumgebung ein Absinken der Hafteigenschaften der Metallschicht (40) auf der Keramikkarte (20) unterdrückt.

Description

Technisches Gebiet
Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen eine Halbleitervorrichtung.
Stand der Technik
Halbleitervorrichtungen umfassen Leistungsvorrichtung und werden als Leistungswandler verwendet. Beispielhafte Leistungsvorrichtungen sind Bipolartransistoren mit isolierter Gatterelektrode (IGBT) und Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET). Eine Halbleitervorrichtung umfasst Halbleiterchips einschließlich Leistungsvorrichtungen und laminierte Keramiksubstrate. Das laminierte Keramiksubstrat umfasst eine Keramikkarte, eine Vielzahl von Metallschichten, die auf der Frontfläche der Keramikplatte ausgebildet sind und als Schaltungsmuster dienen, und eine Metallschicht, die auf der Rückfläche der Keramikkarte ausgebildet ist. Halbleiterchips, Leiterrahmen und dergleichen sind auf die Schaltungsmuster bondiert.
Zitationsliste
Patentliteratur
PTL 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2017-147327
Kurzbeschreibung der Erfindung
Technische Aufgabe
In einer Halbleitervorrichtung wie der oben beschriebenen erzeugen die Halbleiterchips Wärme, wenn sie angetrieben werden, was dazu führt, dass die Bereiche unter den Halbleiterchips heiß werden. Da in der Halbleitervorrichtung große Spannungen an die Leiterrahmen angelegt werden, werden auch große Spannungen an die Metallschichten zwischen der Frontfläche und der Rückfläche der Keramikplatte unmittelbar unter den Leiterrahmen angelegt. Wenn diese Situation anhält, besteht die Gefahr einer Verschlechterung der Hafteigenschaften zwischen der Keramikplatte und den Metallschichten. Wenn sich ein laminiertes Keramiksubstrat auf diese Weise verschlechtert, kann dies zu einem Ausfall einer Halbleitervorrichtung führen und die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung beeinträchtigen.
Die vorliegenden Offenbarung wurde unter Anbetracht der oben beschriebenen Probleme erdacht und hat zum Ziel, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, bei der eine Verschlechterung eines laminierten Keramiksubstrats verhindert wird.
Lösung der Aufgabe
Gemäß einem Gesichtspunkt wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, umfassend: einen Halbleiterchip: ein Bondierelement; und ein plattenartiges laminiertes Substrat mit einer Frontfläche und einer Rückfläche auf einer gegenüberliegenden Seite der Frontfläche, wobei der Halbleiterchip über ein Bondierelement auf die Frontfläche bondiert ist, wobei das laminierte Halbleitersubstrat umfasst: eine plattenartige Keramikkarte mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche auf einer gegenüberliegenden der ersten Hauptoberfläche, und die eine Vielzahl von Keramikteilchen umfasst; eine Hochspannungsmetallschicht, die Kupfer enthält und auf die erste Hauptoberfläche bondiert ist; eine Niederspannungsmetallschicht, die Kupfer enthält, auf die zweite Hauptoberfläche bondiert ist und ein niedrigeres Potenzial aufweist als die erste Hauptoberfläche; und eine Zwischenschicht, die zwischen der zweiten Hauptoberfläche und der Niederspannungsmetallschicht ausgebildet ist und ein erstes Oxid umfasst, das Magnesium und/oder Mangan enthält.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Verschlechterung eines laminierten Keramiksubstrats zu verhindern und eine Abnahme der Zuverlässigkeit einer Halbleitervorrichtung zu verhindern.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Ausführungsbeispiele sollten aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich werden, die beispielhaft und erläuternd sind.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 ist eine Seitenansicht der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
3 ist ein gleichwertiger Schaltplan, der Funktionen darstellt, die durch die Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwirklicht werden.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines laminierten Keramiksubstrats, das in Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel enthalten ist, darstellt.
5 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats des Vergleichsbeispiels 1.
6 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats des Vergleichsbeispiels 1 unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung.
7 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-1).
8 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-1) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung.
9 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-2).
10 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-2) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung.
11 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-3).
12 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-3) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung.
13 ist eine Tabelle, die Prüfungsergebnisse eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zusammenfasst.
14 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats des Vergleichsbeispiels 2.
15 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats des Vergleichsbeispiels 2 unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung.
16 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-1).
17 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-1) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung.
18 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-2).
19 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-2) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung.
20 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-3).
21 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-3) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung.
22 ist eine Serie von Schaubildern, die nützlich zum Beschreiben von Bereichen sind, wo eine Zwischenschicht in einem laminierten Keramiksubstrat (wo eine Rückflächen-Metallschicht auf einem niedrigen Potenzial ist) gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
23 ist eine Serie von Schaubildern, die nützlich zum Beschreiben von Bereichen sind, wo eine Zwischenschicht im laminierten Keramiksubstrat (wo die Rückflächen-Metallschicht auf einem hohen Potenzial ist) gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
24 ist eine Serie von Schaubildern, die nützlich zum Beschreiben von Bereichen sind, wo eine Zwischenschicht im laminierten Keramiksubstrat (wo eine Rückflächen-Metallschicht auf einem Schwebepotenzial ist) gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
25 ist ein Schaubild, das nützlich zum Beschreiben von Bereichen ist, wo eine Zwischenschicht im laminierten Keramiksubstrat gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.

Beschreibung der Ausführungsformen
Verschiedene Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Man beachte, dass sich in der folgenden Beschreibung die Ausdrücke „Frontfläche“ und „obere Oberfläche“ auf eine X-Y-Ebene einer in den Zeichnungen dargestellten Halbleitervorrichtung 1 beziehen, die (in der „+Z-Richtung“) nach oben zeigt. In gleicher Weise bezieht sich der Ausdruck „oben“ auf die Richtung nach oben (oder „+Z-Richtung“) der in 1 dargestellten Halbleitervorrichtung 1. Die Ausdrücke „Rückfläche“ und „untere Oberfläche“ beziehen sich auf eine X-Y-Ebene einer in den Zeichnungen dargestellten Halbleitervorrichtung 1, die (in der „-Z-Richtung“) nach unten zeigt. In gleicher Weise bezieht sich der Ausdruck „unten“ auf die Richtung nach unten (oder „-Z-Richtung“) der in den Zeichnungen dargestellten Halbleitervorrichtung 1. Diese Ausdrücke werden wie benötigt verwendet, um dieselben Richtungen in den anderen Zeichnungen zu bezeichnen. Die Ausdrücke „Frontfläche“, „obere Oberfläche“, „oben“, „Rückfläche“, „untere Oberfläche“, „unten“ und „Seitenfläche“ sind lediglich zweckdienliche Ausdrücke, die verwendet werden, um Positionsbeziehungen anzugeben, und nicht gedacht, um den technischen Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken. Beispielsweise bezieht sich „oben“ und „unten“ nicht notwendigerweise auf Richtungen, die senkrecht zum Boden verlaufen. Das heißt, dass die „oben“ und „unten“ -Richtungen sind auf die Richtung der Schwerkraft beschränkt sind. In der folgenden Beschreibung bezieht sich der Ausdruck „Hauptbestandteil“ außerdem auf einen Bestandteil, der 80% oder mehr des Volumens aller Bestandteile ausmacht.
In der folgenden Beschreibung kann der „Gehalt“ einer Substanz in Einheiten von „Oxidäquivalent“ angegeben werden. Das „Oxidäquivalent“ wird durch Umwandeln jedes Metallelements, dessen Anwesenheit durch Zusammensetzungsanalyse bestätigt wurde, in die jeweiligen Oxide berechnet. Beispielsweise werden alle durch die Analyse der Zusammensetzung bestätigten Elemente, wie z.B. Aluminium, Silizium, Natrium, Magnesium, Mangan, Zirkonium und Yttrium in Oxide wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumoxid (SiO₂), Natriumoxid (Na₂O), Magnesiumoxid (MgO), Manganoxid (MnO), Zirkoniumoxid (ZrO₂) und Yttriumoxid (Y₂O₃) umgewandelt und durch Verhältnisse des Gewichts der jeweiligen Oxide zum Gesamtgewicht der Oxidäquivalente ausgedrückt. Zu den beispielhaften Verfahren der Zusammensetzungsanalyse gehören die Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF), die induktiv gekoppelte Plasmaspektroskopie (ICP), die Elektronensonden-Mikroanalyse (EPMA) und die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX).
In der folgenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke „nicht enthalten“, „nicht nachgewiesen“ und „nicht gebildet“ für ein Element oder eine Verbindung darauf, dass dieses Element oder diese Verbindung bei der oben beschriebenen Zusammensetzungsanalyse unterhalb einer Messgrenze liegt. Als ein Beispiel beziehen sich die Ausdrücke im Fall von Mangan und Magnesium auf weniger als 0,01 Gewichtsprozent als ein Oxidäquivalent. Als weiteres Beispiel beziehen sich die Ausdrücke für Natrium auf weniger als 0,001 Gewichtsprozent als ein Oxidäquivalent.
Erstes Ausführungsbeispiel
(Ausgestaltung der Halbleitervorrichtung)
Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird nun unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben. 1 ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und 2 ist eine Seitenansicht der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. 3 ist ein gleichwertiger Schaltplan, der Funktionen darstellt, die durch die Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwirklicht werden. Die Darstellung eines Verkapselungselements wurde in 1 weggelassen. 2 ist eine Seitenansicht der Halbleitervorrichtung 1 in 1 bei Betrachtung in +X-Richtung.
Die Halbleitervorrichtung 1 umfasst mindestens ein laminiertes Keramiksubstrat 10, Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b und externe Anschlussklemmen 71 bis 75. Ein Gehäuse 90 und ein Verkapselungselement 91 (siehe 2) können zusätzlich vorgesehen sein. In der Halbleitervorrichtung 1 erstrecken sich die externen Anschlussklemmen 71 bis 75 von der Frontfläche nach oben (in +Z-Richtung).
Das laminierte Keramiksubstrat 10 umfasst die Keramikkarte 20, Metallschichten 30a bis 30f, die auf einer Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet sind, und eine Metallschicht 40, die auf einer Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet ist. In der folgenden Beschreibung können die Metallschichten 30a bis 30f zusammenfassend als die „Metallschichten 30“ bezeichnet werden.
Die Keramikkarte 20 ist aus einer Keramik als Hauptbestandteil gefertigt, die elektrisch isolierend ist und günstige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Beispielsweise kann die Keramik aus einem Material mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Zirkoniumoxid (ZrO₂) als Hauptbestandteil gefertigt sein. In diesem Beispiel enthält die Keramik Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Hauptbestandteil. Man beachte, dass in einem später beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel auch Zirkoniumoxid (ZrO₂) enthalten ist. Diese Keramik enthält hauptsächlich Keramikteilchen. Die Keramikteilchen können aus einem Material, das Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Hauptbestandteil enthält, gefertigt sein. Die Keramikkarte 20 kann auch Korngrenzenmaterialien aufweisen, die an Korngrenzen und Tripelpunkten der Keramikteilchen ausgebildet sind. Beispiele von Korngrenzenmaterialien umfassen siliziumhaltige Oxide (hier als „zweite Oxide“ bezeichnet). Die Keramikkarte 20 ist von oben gesehen rechteckig. Eckenabschnitte können in abgerundete oder abgeschrägte Formen abgefast sein. Die Dicke der Keramikkarte 20 beträgt 0,1 mm oder mehr und 1,0 mm oder weniger und beträgt beispielsweise 0,3 mm. Die Keramikkarte 20 wird später im Detail beschrieben.
Die auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildeten Metallschichten 30 sind aus einem Metall mit überlegener elektrischer Leitfähigkeit als Hauptbestandteil gefertigt. Beispielhafte Metalle umfassen Kupfer, Aluminium oder eine Legierung, die Kupfer und/oder Aluminium enthält. Die hier verwendeten Metallschichten 30 haben Kupfer als Hauptbestandteil. Ein Beschichtungsvorgang kann an den Oberflächen der Metallschichten 30 durchgeführt werden, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Beispiele des hier verwendeten Beschichtungsmaterials umfassen Nickel, Nickel-Phosphor-Legierung und Nickel-Bor-Legierung. Eine Vielzahl von Metallschichten 30 ist auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet. Beispielsweise ist im ersten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Metallschichten 30a bis 30f auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet. Im Folgenden können die Metallschichten 30a bis 30f als die Metallschichten 30 bezeichnet werden, wenn keine Unterscheidung zwischen ihnen gemacht wird. Die Metallschichten 30 sind elektrisch mit den Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b verbunden. Die Metallschichten 30 können über ein Bondierelement 35 wie z.B. Lot mit den Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b und den externen Anschlussklemmen 71 bis 75 bondiert sein. Jede Metallschicht 30 kann in der Form eines Vielecks ausgebildet sein und Eckenabschnitte können in abgerundete oder abgeschrägte Formen abgefast sein. Die Vielzahl von Metallschichten 30 ist im Inneren der Keramikkarte 20 ausgebildet. Jede der Metallschichten 30 hat eine Dicke von 0,1 mm oder mehr und 0,5 mm oder weniger und kann ungefähr 0,3 mm dick sein.
Die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildete Metallschicht 40 ist aus einem Metall mit überlegener Wärmeleitfähigkeit als Hauptbestandteil gefertigt. Beispielhafte Metalle umfassen Kupfer, Aluminium oder eine Legierung, die Kupfer und/oder Aluminium enthält. Die hier verwendete Metallschicht 40 ist mit Kupfer als Hauptbestandteil aufgebaut. Ein Beschichtungsvorgang kann an der Oberfläche der Metallschicht 40 durchgeführt werden, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Beispiele des hier verwendeten Beschichtungsmaterials umfassen Nickel, Nickel-Phosphor-Legierung und Nickel-Bor-Legierung. Die Metallschicht 40 ist auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet, um der Metallschicht 30 zu entsprechen. Das heißt, von oben gesehen umfasst die Metallschicht 40 die Metallschichten 30a bis 30f, die auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet sind. Die Metallschicht 40 kann über Lot, Hartlötmaterial, Wärmeleitpaste oder dergleichen mit einem Wärmeableitelement 92 verbunden sein. Das laminierte Keramiksubstrat 10 kann durch die Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b erzeugte Wärme über die Metallschichten 30, die Keramikkarte 20 und die Metallschicht 40 an das Wärmeableitelement 92 nach außen leiten. Entsprechend wird die Keramikkarte 20 beim Betrieb der Halbleitervorrichtung 1 aufgeheizt. Die Metallschicht 40 ist von oben gesehen ebenfalls rechteckig. Eckabschnitte der Metallschicht 40 können zu einer gerundeten oder abgeschrägten Form abgekantet sein. Die Metallschicht 40 ist im Inneren der Keramikkarte 20 ausgebildet. Die Metallschicht 40 ist so ausgebildet, dass einen Bereich gegenüber der Metallschichten 30 bedeckt. Die Dicke der Metallschicht 40 beträgt 0,1 mm oder mehr und 0,5 mm oder weniger und kann ungefähr 0,3 mm betragen.
Zwischenschichten 50a und 50b sind jeweils zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 ausgebildet. Die Zwischenschichten 50a und 50b enthalten ein Oxid (oder „erstes Oxid“), das Magnesium und/oder Mangan enthält. Beispielsweise kann das Oxid Magnesiumoxid (MgO), Manganoxid (MnO), (Mg,Mn)O oder (Mg,Mn)Mn₂O₄ sein. Große Mengen dieses Oxids sind in den Zwischenschichten 50a und 50b auf der Frontflächenseite und der Rückflächenseite der Keramikkarte 20 enthalten.
Das in den Zwischenschichten 50a und 50b enthaltene Oxid kann zusätzlich Aluminium enthalten. Solch ein Oxid kann ein aluminiumhaltiges Spinell-Kristallsystem umfassen. Beispiele von Spinell-Kristallsystem umfassen MgAl₂O₄, MnAl₂O₄, (Mg,Mn)Al₂O₄ und (Mg,Mn)(Al,Mn)₂O₄. Man beachte, dass das laminierte Keramiksubstrat 10 mindestens eine der Zwischenschicht 50a und der Zwischenschicht 50b enthalten kann.
Beispielsweise kann ein „Direct Copper Bonding“ (DCB)-Substrat oder ein „Active Metal Brazed“ (AMD)-Substrat als das laminierte Keramiksubstrat 10 mit der obigen Ausgestaltung verwendet werden. Das Herstellungsverfahren und die genaue Ausgestaltung des laminierten Keramiksubstrats 10 werden später beschrieben.
Die Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b sind aus Silizium oder Siliziumkarbid als Hauptbestandteil gefertigt. Die Halbleiterchips 60a und 60b sind Schaltelemente. Beispielsweise sind die Schaltelemente IGBTs oder Leistungs-MOSFETs. Solche Halbleiterchips 60a und 60b haben eine Drainelektrode oder eine Kollektorelektrode als eine Eingangselektrode (Hauptelektrode) auf deren Rückfläche. Die Halbleiterchips 60a und 60b haben Gatterelektroden als Steuerelektroden 61a und 61b und Steuerelektroden oder Emitterelektroden als Ausgangselektroden 62a und 62b (Hauptelektroden) auf ihren Frontflächen. Die Rückflächen der oben beschriebenen Halbleiterchips 60a und 60b sind mittels Lot (nicht dargestellt) mit den Metallschichten 30b und 30c verbunden.
Die Halbleiterchips 65a und 65b sind Diodenelemente. Die Diodenelement sind beispielsweise Freilaufdioden (FWD), wie z.B. Schottky-Barrieredioden (SBD) und P-intrinsisch-N (PiN)-Dioden. Die Halbleiterchips 65a und 65b haben Kathodenelektroden als Ausgangselektroden (Hauptelektroden) auf deren Rückflächen und Anodenelektroden als Eingangselektroden 66a und 66b (Hauptelektroden) auf ihren Frontflächen. Die oben beschriebenen Halbleiterchips 65a und 65b sind mit deren Rückflächen über Lot (nicht dargestellt) auf die Metallschichten 30b und 30c bondiert. Die Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b können rückwärtsleitende („Reverse Conductive“, RC) IGBT-Elemente oder rückwärtsblockierende („Reverse Blocking“, RB) IGBT-Elemente sein, wobei ein Schaltelement und ein Diodenelement in einzelne Halbleiterchips kombiniert sind.
Das Bondierelement 35, das die Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b und die Metallschichten 30b und 30c verbindet, kann Lot sein. Bleifreies Lot wird als das Lot verwendet. Das bleifreie Lot hat eine Legierung, die beispielsweise mindestens zwei der Elemente Zinn, Silber, Zink, Antimon, Indium und Wismut als Hauptbestandteil enthält. Das Lot kann außerdem Zusatzstoffe enthalten. Gesintertes Metall kann anstelle von Lot als das Bondierelement 35 verwendet werden. Das Material des gesinterten Metalls hat Silber oder eine Silberlegierung als Hauptbestandteil. Darüber hinaus sind das oben beschriebene Lot und das gesinterte Metall nicht auf das Verbinden der Halbleiterchips 60a und 60b mit den Metallschichten 30b und 30c beschränkt, sondern können auch zum Verbinden der externen Anschlussklemmen 71 bis 75, die später beschrieben werden, mit den Metallschichten 30a, 30e, 30c, 30f und 30d verwendet werden.
Die externen Anschlussklemmen 71 bis 75 sind jeweils in der Form einer Platte, eines Prismas oder eines Zylinder ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Fall beschrieben, in dem die externen Anschlussklemmen 71 bis 75 beispielsweise prismenförmig sind. Eine Ende jeder der externen Anschlussklemmen 71 bis 75 ist elektrisch und mechanisch mit den Metallschichten 30a, 30e, 30c, 30f und 30d des laminierten Keramiksubstrats 10 verbunden. Das andere Ende jeder Anschlussklemme erstreckt sich vom Verkapselungselement 91. Diese anderen Enden können mit einer externen Vorrichtung (nicht dargestellt) verbunden sein.
Die externen Anschlussklemmen 71 bis 75 sind aus einem Metall mit hoher Leitfähigkeit als Hauptbestandteil gefertigt. Beispielhafte Metalle umfassen Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel oder eine Legierung, die mindestens eines dieser Elemente enthält. Ein Beschichtungsvorgang kann an den Oberflächen der externen Anschlussklemmen 71 bis 75 durchgeführt werden, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Beispiele des hier verwendeten Beschichtungsmaterials umfassen Nickel, Nickel-Phosphor-Legierung und Nickel-Bor-Legierung. Die externen Anschlussklemmen 71 bis 75 und die Metallschichten 30a, 30e, 30c, 30f und 30d können mit Lot oder gesintertem Metall auf die gleiche Weise verbunden sein wie bei der Verbindung der Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b. Die externen Anschlussklemmen 71 bis 75 und die Metallschichten 30a, 30e, 30c, 30f und 30d können direkt unter Verwendung von Ultraschallwellen oder eines Lasers verbunden werden.
Die Bondierdrähte 80a bis 80e haben ein Metall mit überlegener Leitfähigkeit als Hauptbestandteil. Beispielhafte Metalle sind aus Aluminium und Kupfer oder einer Legierung, die mindestens eines dieser Metalle enthält, gefertigt. Die Bondierdrähte 80a verbinden die Metallschichten 30a und 30b mechanisch und elektrisch miteinander. Der Bondierdraht 80d verbindet die Metallschicht 30e und die Steuerelektrode 61a des Halbleiterchips 60a mechanisch und elektrisch miteinander. Die Bondierdrähte 80b verbinden die Ausgangselektrode 62a des Halbleiterchips 60a und die Eingangselektrode 66a des Halbleiterchips 65a mechanisch und elektrisch mit der Metallschicht 30c. Der Bondierdraht 80e verbindet die Metallschicht 30f und die Steuerelektrode 61b des Halbleiterchips 60b mechanisch und elektrisch miteinander. Die Bondierdrähte 80c verbinden die Ausgangselektrode 62b des Halbleiterchips 60b und die Eingangselektrode 66b des Halbleiterchips 65b mechanisch und elektrisch mit der Metallschicht 30d. Der Durchmesser der Bondierdrähte 80d und 80e für Steuerzwecke beträgt beispielsweise 25 µm oder mehr und 400 µm oder weniger und der Durchmesser der Bondierdrähte 80a bis 80c für den Hauptstrom beträgt 250 µm oder mehr und 650 µm oder weniger
Das Gehäuse 90 beherbergt die Metallschicht 30, die Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b und ein Ende jeder der externen Anschlussklemmen 71 bis 75 auf der Frontfläche des laminierten Keramiksubstrats 10. Die anderen Enden der externen Anschlussklemmen 71 bis 75 können sich von der Frontfläche des Gehäuses nach oben (in +Z-Richtung) erstrecken. Das Gehäuse 90 ist aus Harz gefertigt. Diese Harz enthält ein wärmehärtbares Harz als Hauptbestandteil. Beispielhafte wärmehärtbare Harze umfassen Polyphenylensulfid-Harz, Polybutylenterephthalat-Harz, Polybutylensuccinat-Harz, Polyamid-Harz und Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harz.
Das Verkapselungselement 91 kann das Innere des Gehäuses 90 verkapseln. Das heißt, das Verkapselungselement 91 verkapselt die Metallschichten 30, die Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b und ein Ende jeder der externen Anschlussklemmen 71 bis 75 auf der Frontfläche des laminierten Keramiksubstrats 10. Das Verkapselungselement 91 umfasst beispielsweise ein wärmehärtbares Harz und einen Füllstoff, der im wärmehärtbaren Harz enthalten ist. Beispiele des wärmehärtbaren Harzes sind Epoxidharz, Phenolharz und Maleimidharz. Ein Beispiel dieses Verkapselungselements ist Epoxidharz, das ein Füllmittel enthält. Ein anorganischer Stoff wird als Füllmittel verwendet. Beispiele dieses anorganischen Füllmittels umfassen Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Bornitrid und Aluminiumnitrid. Zusätzlich zu den oben genannten Materialien kann das Verkapselungselement 91 ein Silikongel sein.
Wie in 3 dargestellt bildet die Halbleitervorrichtung 1 ein halbe Brückenschaltung mit einem Oberarmabschnitt A und einem Unterarmabschnitt B. Ein Verbindungsknoten P ist mit einer positiven Elektrode einer externen Stromversorgung (nicht dargestellt) verbunden. Der Verbindungsknoten P und ein Verbindungsknoten C1 der Kollektorelektrode des Halbleiterchips 60a sind durch eine Verdrahtung 81 verbunden. Ein Verbindungsknoten M ist mit einer Last (nicht dargestellt) verbunden. Der Verbindungsknoten M und ein Verbindungsknoten E1C2 zwischen der Emitterelektrode des Halbleiterchips 60a und der Kollektorelektrode des Halbleiterchips 60a sind durch eine Verdrahtung 83 verbunden. Ein Verbindungsknoten N ist mit der negativen Elektrode der externen Stromversorgung (nicht dargestellt) verbunden. Der Verbindungsknoten N und ein Verbindungsknoten E2 der Emitterelektrode des Halbleiterchips 60b sind durch eine Verdrahtung 85 verbunden. In dieser Ausgestaltung wird an den Verbindungsknoten P während des Betriebs der Halbleitervorrichtung 1 ein höheres Potenzial angelegt als an den Verbindungsknoten M. Das bedeutet, dass an der Verdrahtung 81 ein höheres Potenzial anliegt als an der Verdrahtung 83. An den Verbindungsknoten M wird ebenfalls ein höheres Potenzial als an den Verbindungsknoten N angelegt. Das bedeutet, dass an der Verdrahtung 83 ein höheres Potenzial anliegt als an der Verdrahtung 85. Das Potenzial der Verdrahtung 81 kann 250 V oder mehr und weniger als 1000 V mehr als das Potenzial der Verdrahtung 83 betragen. In ähnlicher Weise kann das Potenzial der Verdrahtung 83 250 V oder mehr und weniger als 1000 V mehr als das Potenzial der Verdrahtung 85 betragen.
Verbindungsknoten G1 und G2 sind mit einer Steuerstromquelle (nicht dargestellt) verbunden. Der Verbindungsknoten G1 ist durch einen Draht 82 mit der Steuerelektrode 61a des Halbleiterchips 60a (in 3 nicht dargestellt, siehe 1) verbunden. Der Verbindungsknoten G2 ist durch einen Draht 84 mit der Steuerelektrode 61b des Halbleiterchips 60b (in 3 nicht dargestellt, siehe 1) verbunden.
Der Oberarmabschnitt A der Halbleitervorrichtung 1 umfasst die Metallschichten 30a, 30b, 30e auf dem laminierten Keramiksubstrat 10, die Halbleiterchips 60a und 65a, die externen Anschlussklemmen 71, 73 und 72 und die Bondierdrähte 80a, 80b und 80d, welche diese Bestandteile verbinden. Der Unterarmabschnitt B der Halbleitervorrichtung 1 umfasst die Metallschichten 30d, 30c, 30f auf dem laminierten Keramiksubstrat 10, die Halbleiterchips 60b und 65b, die externen Anschlussklemmen 75, 73 und 74 und die Bondierdrähte 80c und 80e, welche diese Bestandteile verbinden. Der Oberarmabschnitt A und der Unterarmabschnitt B sind durch elektrisches Verbinden der Metallschichten 30b und 30c mit den Bondierdrähten 80b verbunden. Auf diese Weise funktioniert die Halbleitervorrichtung 1 als halbe Brückenschaltung mit dem Oberarmabschnitt A und dem Unterarmabschnitt B.
Die Verdrahtung 81 umfasst eine externe Anschlussklemme 71, die eine P-Klemme (positive Elektrode) ist, die Metallschicht 30a, mit der die externe Anschlussklemme 71 verbunden ist, die Metallschicht 30b, auf der die Halbleiterchips 60a und 65a angeordnet sind, und einen Bondierdraht 80a, der die Metallschicht 30a und die Metallschicht 30b verbindet. Die Verdrahtung 83 umfasst eine externe Anschlussklemme 73, die eine M-Klemme ist, die Metallschicht 30c, auf der die externe Anschlussklemme 73 und die Halbleiterchips 60b und 65b angeordnet sind, und die Bondierdrähte 80b, die die Metallschicht 30c und die Halbleiterchips 60a und 65a verbinden. Die Verdrahtung 85 umfasst die externe Anschlussklemme 75, die eine N-Klemme (negative Elektrode) ist, die Metallschicht 30d, auf der die externe Anschlussklemme 75 angeordnet ist, und die Bondierdrähte 80c, die die Metallschicht 30d und die Halbleiterchips 60b und 65b verbinden.
Demnach wird die Metallschicht 40 im Vergleich zu den Metallschichten 30a, 30b, 30c entsprechend der Verdrahtung 81 und 83 auf einem niedrigen Potenzial sein, wenn während des Betriebs der Halbleitervorrichtung 1 die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildete Metallschicht 40 geerdet ist, so dass sie dasselbe Potenzial wie die N-Klemme hat. Das heißt, in diesem Fall ist die Niederspannungsmetallschicht die Metallschicht 40, die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet ist, und die Hochspannungsmetallschichten sind die Metallschichten 30a, 30b und 30c, die auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet sind. Beispielsweise beträgt das Potenzial der Metallschicht 40 500 V oder mehr und weniger als 2000 V weniger als das Potenzial der Metallschichten 30a und 30b. Außerdem beträgt das Potenzial der Metallschicht 40 250 V oder mehr und weniger als 1000 V weniger als das Potenzial der Metallschicht 30c.
Wenn die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 gebildete Metallschicht 40 während des Betriebs der Halbleitervorrichtung 1 geerdet ist, so dass sie das gleiche Potenzial wie die M-Klemme hat, oder wenn die Metallschicht 40 schwebt, ohne geerdet zu sein, hat die Metallschicht 40 ein niedrigeres Potenzial als die Metallschichten 30a und 30b, die der Verdrahtung 81 entsprechen. Das heißt, in diesem Fall ist die Niederspannungsmetallschicht die Metallschicht 40, die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet ist, und die Hochspannungsmetallschichten sind die Metallschichten 30a und 30b, die auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet sind. Beispielsweise beträgt das Potenzial der Metallschicht 40 250 V oder mehr und weniger als 1000 V weniger als das Potenzial der Metallschichten 30a und 30b. Außerdem wird das Potenzial der Metallschicht 30d, die der Verdrahtung 85 entspricht, niedriger als das Potenzial der Metallschicht 40. Das heißt, in diesem Fall ist die Niederspannungsmetallschicht die Metallschicht 30d, die auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet ist, und die Hochspannungsmetallschichten ist die Metallschicht 40, die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet ist. Beispielsweise beträgt das Potenzial der Metallschicht 30d 250 V oder mehr und weniger als 1000 V weniger als das Potenzial der Metallschicht 40.
(Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung)
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des in der Halbleitervorrichtung 1 enthaltenen laminierten Keramiksubstrats 10 unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines laminierten Keramiksubstrats, das in Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel enthalten ist, darstellt. Wenn das laminierte Keramiksubstrat 10 hergestellt wird, werden zunächst eine Keramikkarte und eine Metallfolie vorbereitet (Schritte S1a und S1b). Man beachte, dass entweder Schritt S1a oder S1b zuerst ausgeführt werden kann.
Die Vorbereitung der Keramikkarte wird nun beschrieben (Schritt S1a). Zuerst wird Siliziumoxid (SiO₂)-Pulver zu Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Pulver hinzugefügt und die Mischung wird zusammen in mit einem Bindemittel oder dergleichen verrührt und zu einer Karte gegossen. Magnesiumoxid (MgO)-Pulver wird auf die Oberfläche des plattenförmigen Formkörpers aufgetragen, der dann bei einer vorgegebenen Temperatur für eine vorgegebene Zeit gebrannt wird. Die auf diese Weise durch Brennen ausgebildete Keramikkarte enthält Aluminiumoxid als Keramikteilchen, enthält ein siliziumhaltiges Oxid (oder „zweites Oxid“) an den Korngrenzen und Tripelpunkten der Keramikteilchen und enthält auch ein magnesiumhaltiges Oxid an der Oberfläche. Ein magnesiumhaltiges Oxid kann auch an den Korngrenzen und Tripelpunkten der Keramikteilchen ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Anmeldung von Magnesiumoxidpulver weggelassen werden. Der mittlere Teilchendurchmesser der Keramikteilchen beträgt 0,5 µm oder mehr und 25 µm oder weniger und besonders vorzugsweise 1 µm oder mehr und 10 µm oder weniger.
In der Keramikkarte 20 beträgt der Gehalt von Aluminiumoxid 90 Gewichtsprozent oder mehr und 99 Gewichtsprozent oder weniger des gesamten Oxidäquivalents und besonders vorzugsweise 92 Gewichtsprozent oder mehr und 98 Gewichtsprozent oder weniger. Der Gehalt des siliziumhaltigen Oxids in der Keramikkarte 20 beträgt 0,01 Gewichtsprozent oder mehr und 3,0 Gewichtsprozent oder weniger als Siliziumoxid (SiO₂)-Äquivalent in Bezug auf den Gesamtbetrag des Oxidäquivalents und besonders vorzugsweise 1,0 Gewichtsprozent oder mehr und 3,0 Gewichtsprozent oder weniger. Wenn der Gehalt des siliziumhaltigen Oxids zu niedrig ist, verbleiben viele Leerstellen in der Keramikkarte, was die Karte anfällig zum Brechen macht. Wenn der Gehalt andererseits zu groß ist, nimmt die Leitung von Ionen in der Keramikkarte während des Betriebs der Halbleitervorrichtung 1 zu, was zu einer Neigung zur Verschlechterung der elektrischen Isoliereigenschaft führt, und einem Abfall der Hafteigenschaften für die Kupferfolie.
Zusätzlich zu Keramikteilchen, magnesiumhaltigem Oxid und siliziumhaltigem Oxid enthält die Keramikkarte 20 verschiedene beim Herstellen verwendete Materialien. Ein Beispiel solch eines Materials ist ein natriumhaltiges Oxid. Ein Beispiel ist Natriumoxid (Na₂O). Der Gehalt des natriumhaltigen Oxids in der Keramikkarte 20 beträgt 0,001 Gewichtsprozent oder mehr und 0,2 Gewichtsprozent oder weniger als Natriumoxid (Na₂O)-Äquivalent in Bezug auf den Gesamtbetrag des Oxidäquivalents und besonders vorzugsweise 0,002 Gewichtsprozent oder mehr und 0,2 Gewichtsprozent oder weniger. Wenn der Gehalt des natriumhaltigen Oxids zu niedrig ist, wird es schwierig werden, das pulverförmige keramische Rohmaterial zu verfeinern. Wenn die Menge andererseits zu groß ist, bildet sich β-Aluminiumoxid (Na₂O·11Al₂O₃), das dazu neigt, eine Verschlechterung der Isoliereigenschaften und einen Abfall der Festigkeit zu bewirken. Vorzugsweise enthält die Keramikkarte 20 kein β-Aluminiumoxid.
Die Vorbereitung der Metallfolie wird nun beschrieben (Schritt S1b). Eine Metallfolie mit Kupfer als Hauptbestandteil wird vorbereitet und die Oberfläche wird oxidiert. Infolgedessen wird eine Schicht Kupferoxid (Cu_xO) mit einer Dicke von 10 nm oder mehr und 1 µm oder weniger auf der Oberfläche der Metallfolie ausgebildet. In diesem Oxidationsvorgang kann Nassoxidation oder Trockenoxidation durchgeführt werden. Während der Nassoxidation kann beispielsweise eine Metallfolie, die Kupfer als Hauptbestandteil enthält, durch Eintauchen der Folien in eine manganhaltige Lösung oxidiert werden. Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung bildet Kupferoxid auf der Oberfläche der Metallfolie und bildet auch manganhaltiges Oxid. Während der Trockenoxidation wird beispielsweise eine Metallfolie mit Kupfer als Hauptbestandteil in Luft oder eine Sauerstoffgasatmosphäre erhitzt. Dadurch bildet sich durch Trockenoxidation auf dem Großteil der Oberfläche der Metallfolie Kupferoxid, während andere Metalle, einschließlich Mangan, nicht gebildet werden.
Als nächstes wird die in Schritt S1b gebildete Metallfolie mit den Fron- und Rückflächen der in Schritt S1a gebildeten Keramikkarte bondiert (Schritt S2). Das heißt, die in Schritt S1b gebildete Metallfolie wird über den Front- und Rückflächen der in Schritt S1a gebildeten Keramikkarte angeordnet und eine Wärmebehandlung wird bei einer vorgegebenen Temperatur für eine vorgegebene Zeit durchgeführt. Man beachte, dass zu diesem Zeitpunkt entweder durch Nassoxidation oder Trockenoxidation herstellte Metallfolie als die auf den Front- und Rückflächen der Keramikkarte ausgebildeten Metallschichten verwendet wird. Das heißt, durch Nassoxidation gefertigte Metallfolie wird über den Front- und Rückflächen einer Keramikkarte angeordnet. Ersatzweise kann durch Trockenoxidation gefertigte Metallfolie wird über den Front- und Rückflächen der Keramikkarte 20 angeordnet werden.
Wenn in diesem Überlappungszustand eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, bildet sich Kupferoxid (Cu_xO) an den Berührungsschnittstellen zwischen der Keramikkarte und den Metallschichten. Die Zwischenschichten 50a und 50b, die magnesium- und/oder manganhaltiges Oxid enthalten, können durch ein vorgegebenes Verfahren an den Berührungsschnittstellen zwischen der Keramikkarte und den Metallschichten ausgebildet werden. Das vorgegebene Verfahren kann ein Auftragen von Magnesiumoxid beim Brennen der Keramikkarte und/oder ein Bilden der Metallschichten durch Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung sein.
Das laminierte Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 1-1, das später beschrieben wird, umfasst darauf aufgetragenes Magnesiumoxid, wenn die Keramikkarte 20 gebrannt wird. Auf diese Weise werden die Zwischenschichten 50a, 50b, die magnesiumhaltiges Oxid als das erste Oxid umfassen, an den Berührungsschnittstellen zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 ausgebildet.
Das laminierte Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 1-2, das später beschrieben wird, umfasst darauf aufgetragenes Magnesiumoxid, wenn die Keramikkarte 20 gebrannt wird, und umfasst die Metallschichten 30 und 40, die durch Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung ausgebildet werden. Auf diese Weise werden die Zwischenschichten 50a und 50b, die sowohl magnesium- als auch manganhaltiges Oxid als das erste Oxid umfassen, an den Berührungsschnittstellen zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 ausgebildet.
Das laminierte Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 1-3, das später beschrieben wird, umfasst die Metallschichten 30 und 40, die durch Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung ausgebildet werden, wenn die Keramikkarte 20 gebrannt wird. Auf diese Weise werden die Zwischenschichten 50a und 50b, die manganhaltiges Oxid als das erste Oxid umfassen, an den Berührungsschnittstellen zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 ausgebildet. Infolgedessen werden die Keramikkarte 20 und die Metallschichten 30, 40 in günstiger Weise bondiert.
Als nächstes werden die in Schritt S2 auf der Keramikkarte ausgebildeten Metallschichten geätzt (Schritt S3). Das heißt, die Metallschichten 30a bis 30f werden durch Ätzen der auf der Frontfläche der Keramikkarte ausgebildeten Metallschicht zu vorgegebenen Formen ausgebildet. Die Metallschicht 40 wird durch Ätzen der auf der Rückfläche der Keramikkarte ausgebildeten Metallschicht ausgebildet. Dabei ist zu beachten, dass keine Beschichtung aus Kupferoxid (Cu_xO) auf den Oberflächen der Metallschichten 30a bis 30f und der Oberfläche der Metallschicht 40 ausgebildet werden muss. Die Beschichtung aus Kupferoxid (Cu_xO) kann durch eine Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre während eines Bondierschritts (Schritt S2) oder durch Polieren der Oberfläche nach dem Bondieren und Ätzen entfernt werden. Die Dicke der Keramikkarte 20 beträgt ungefähr 0,32 mm. Die Dicke der Metallschichten 30 und 40 beträgt ungefähr 0,3 mm.
Durch die oben beschriebenen Schritte wird das laminierte Keramiksubstrat 10 mit den Zwischenschichten 50a und 50b zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 hergestellt. In diesem laminierten Keramiksubstrat 10 unterdrücken die Zwischenschichten 50a und 50b eine Verschlechterung der Hafteigenschaften zwischen den Metallschichten 30 und 40 und der Keramikkarte 20. Man beachte, dass wenn das Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a im laminierten Keramiksubstrat aufgetragen wurde, beträgt der Gehalt des manganhaltigen Oxids in der Keramikkarte 20 und den Zwischenschichten 50a und 50b 0,1 Gewichtsprozent oder mehr und 1,5 Gewichtsprozent oder weniger in Einheiten von Magnesiumoxid (MgO)-Äquivalenten, bezogen auf die Gesamtmenge des Oxidäquivalents. Außerdem beträgt der Gehalt von Magnesium in Einheiten von Magnesiumoxid (MgO) -Äquivalenten in diesem Fall 10 Gewichtsprozent oder mehr und 50 Gewichtsprozent oder weniger in Bezug auf den Gehalt von Silizium in Einheiten von Siliziumoxid (SiO₂) -Äquivalenten. Wenn in Schritt S1a kein Magnesiumoxidpulver aufgetragen wird, wird das laminierte Keramiksubstrat 10 kein Magnesium enthalten (d.h. die Menge wird unter der Messgrenze von 0,01 Gewichtsprozent liegen). Wenn die Nassoxidation in Schritt S1b unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung im laminierten Keramiksubstrate 10 durchgeführt wird, beträgt der Gehalt an manganhaltigem Oxid in der Keramikkarte 20 und den Zwischenschichten 50a und 50b 0,01 Gewichtsprozent oder mehr und 0,15 Gewichtsprozent oder weniger in Bezug auf das Manganoxid (MnO)-Äquivalent, bezogen auf die Gesamtmenge des Oxidäquivalents. Außerdem beträgt der Gehalt von Mangan in Einheiten von Manganoxid (MnO) -Äquivalenten in diesem Fall 1,0 Gewichtsprozent oder mehr und 5,0 Gewichtsprozent oder weniger in Bezug auf den Gehalt von Silizium in Einheiten von Siliziumoxid (SiO₂) -Äquivalenten. Wenn in Schritt S1b keine Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung durchgeführt wurde, wird das laminierte Keramiksubstrat 10 kein Mangan enthalten (d.h. die Menge wird unter der unteren Messgrenze von 0,01 Gewichtsprozent liegen).
Das laminierte Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 1-1, das später beschrieben wird, ist mit Magnesiumoxidpulver beschichtet, wurde aber nicht einer Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung unterzogen. In diesem Fall umfasst das laminierte Keramiksubstrat 10 magnesiumhaltiges Oxid aber umfasst kein manganhaltiges Oxid. Ein laminiertes Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 1-2, das später beschrieben wird, ergibt sich durch Auftragen von Magnesiumoxidpulver und Durchführen von Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung. Entsprechend enthält das laminierte Keramiksubstrat 10 sowohl ein magnesiumhaltiges Oxid als auch ein manganhaltiges Oxid. Das laminierte Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 1-3, das später beschrieben wird, ergibt sich durch Durchführen von Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung ohne Auftragen von Magnesiumoxidpulver. Entsprechend enthält das laminierte Keramiksubstrat 10 kein magnesiumhaltiges Oxid aber enthält manganhaltiges Oxid. Dabei ist zu beachten, dass ein laminiertes Keramiksubstrat 100 eines Vergleichsbeispiels, das später beschrieben wird, ein Fall ist, bei dem weder das Auftragen von Magnesiumoxidpulver noch eine Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung durchgeführt wurden. Entsprechend enthält das laminierte Keramiksubstrat 100 kein magnesiumhaltiges Oxid oder manganhaltiges Oxid.
(Laminiertes Keramiksubstrat des Vergleichsbeispiels 1)
Im Folgenden wird zuerst als Vergleichsbeispiel 1 ein laminiertes Keramiksubstrat, das keine Zwischenschichten 50a und 50b aufweist, unter Bezugnahme auf 5, 6 und 13 beschrieben, um zu beschreiben, wie die Zwischenschichten 50a und 50b die Verschlechterung der Hafteigenschaften der Metallschichten 30 und 40 unterdrücken. 5 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats des Vergleichsbeispiels 1 und 6 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats des Vergleichsbeispiels 1 unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung. 13 ist eine Tabelle, die Prüfungsergebnisse verschiedener laminierter Keramiksubstrate zusammenfasst. 5 zeigt schematisch den mikroskopischen Zustand in dem Bereich, der in 2 durch die gestrichelte Linie umgeben wird. 6 zeigt schematisch den mikroskopischen Zustand, wenn ein Hochspannung zwischen den Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung in 5 angelegt wird. Zusätzlich zum Vergleichsbeispiel 1 zeigt 13 auch Testergebnisse des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels, die später beschrieben werden.
Eine im laminierten Keramiksubstrat des Vergleichsbeispiels 1 enthaltene Keramikkarte 120 wurde ohne Auftragen von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a der 4 gefertigt. Die Keramikkarte hat Aluminiumoxid als Hauptbestandteil und umfasst zusätzlich siliziumhaltiges Oxid und natriumhaltiges Oxid. Die im laminierten Keramiksubstrat des Vergleichsbeispiels 1 enthaltenen Metallschichten wurden durch Trockenoxidation in Schritt S1b der 4 gefertigt. Das laminierte Keramiksubstrat 100 von Vergleichsbeispiel 1 wird hergestellt, indem die Keramikkarte und die Metallschichten den Vorgängen der Schritte S2 und S3 unterzogen werden. Das laminierte Keramiksubstrat 100 umfasst kein Magnesium oder Mangan. Das heißt, in dem wie oben beschrieben hergestellten laminierten Keramiksubstrat 100 werden die Zwischenschichten 50a, 50b, die magnesium- und/oder manganhaltiges Oxid umfassen, nicht ausgebildet.
Wie in 5 dargestellt, wird das wie oben beschrieben hergestellte laminierte Keramiksubstrat 100 durch Laminieren einer Metallschicht 40, einer Keramikkarte 120 und der Metallschichten 30 in dieser Reihenfolge von unten aufgebaut. Die Keramikkarte 120 umfasst mindestens Aluminiumoxid 21 (Al₂O₃)-Teilchen und Oxid 22 (Si-O), das Silizium und Natriumoxid 23 (Na₂O) an den Korngrenzen und Tripelpunkten des Aluminiumoxids 21 enthält. Die Metallschichten 30 und 40 haben Kupfer (Cu) als Hauptbestandteil und enthalten keinen Sauerstoff. Kupferhaltige Oxide 31 und 41 (Cu-O) werden jeweils an den Grenzen zwischen den Metallschichten 30 und 40 und der Keramikkarte 120 ausgebildet.
Das Ergebnis einer Ablösefestigkeitsprüfung für dieses laminierte Keramiksubstrat 100 wird nun beschrieben. Die Ablösefestigkeitsprüfung misst die Ablösefestigkeit der Metallschichten 30 und 40a auf der Keramikkarte 120 des laminierten Keramiksubstrats 100 vor und nach einer Zuverlässigkeitsprüfung. Anschließend wird ein Test durchgeführt, der die Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 auf der Keramikkarte 120 aus diesen Messergebnissen auswertet. Hierbei ist zu beachten, dass der Wert der Ablösefestigkeit durch Mitteln gemessener Werte an 40 Punkten erhalten wurde.
Zuerst wird in der Zuverlässigkeitsprüfung die halbe Brückenschaltung durchgehend für eine vorgegebenen Zeit gemäß einem vorgegebenen An-Aus-Muster in einer Hochtemperaturumgebung betrieben. Hierbei ist zu beachten, dass in diesem Fall die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildete Metallschicht 40 geerdet war, um dasselbe Potenzial wie die N-Klemme zu haben. Das bedeutet, dass die auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildeten Metallschichten 30 Hochspannungsmetallschichten sind und die auf der Rückfläche ausgebildete Metallschicht 40 eine Niederspannungsmetallschicht ist. Solch ein durchgehender Betrieb wird auf der Frontfläche des laminierten Keramiksubstrats 100 durchgeführt.
Eine Messung der Ablösefestigkeit wird wie unten beschrieben durchgeführt. Auf dem laminierten Keramiksubstrate 100 werden Teile der Metallschichten 30 und 40 zu streifenförmigen Mustern einer vorgegebenen Breite verarbeitet, ein Ende jeder der streifenförmigen Metallschichten 30 und 40 wird von der Keramikkarte 120 abgelöst, und die abgelösten Enden werden mit konstanter Geschwindigkeit in eine Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche des laminierten Keramiksubstrats 100 gezogen, so dass eine vorgegebene Länge oder mehr abgezogen wird. Die Last während dieses Ablösens wird gemessen.
Eine Auswertung wird durch Ändern der Ablösefestigkeit der im laminierten Keramiksubstrat 100 enthaltenen Metallschichten 30 und 40 vor und nach der Zuverlässigkeitsprüfung durchgeführt. Wenn die Ablösefestigkeit nach der Zuverlässigkeitsprüfung 95% oder mehr der Ablösefestigkeit vor der Zuverlässigkeitsprüfung beträgt, wird die Bewertung „Ausgezeichnet“ vergeben, wenn die Ablösefestigkeit weniger als 95%, aber 90% oder mehr beträgt, wird die Bewertung „Sehr gut“ vergeben, wenn die Ablösefestigkeit weniger als 90%, aber 60% oder mehr beträgt, wird die Bewertung „Gut“ vergeben, und wenn die Ablösefestigkeit weniger als 60% beträgt, wird die Bewertung „Nicht gut“ vergeben (siehe 13). Man beachte, dass 13 die Keramikkarte, die Metallschichten und die Zwischenschichten anzeigt, die für die Auswertung und die Testergebnisse der Einzelbeispiele 1-1 bis 1-3 und des Vergleichsbeispiels 1 verwendet werden.
Wie in 13 (Spalte ganz rechts) dargestellt sind die Auswertungsergebnisse des Vergleichsbeispiels 1 „ausgezeichnet“ für die Frontfläche des laminierten Keramiksubstrats 100 aber „nicht gut“ für die Rückfläche. Mit anderen Worten, das laminierte Keramiksubstrat 100 ist in einem Zustand, in dem die Bondierfestigkeit der Metallschicht 40 auf der Rückfläche der Keramikkarte 120 aufgrund der Zuverlässigkeitsprüfung gesunken ist. Der Grund dafür ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Ohne der Theorie verpflichtet sein zu wollen, wird angenommen, dass dies auf die unten genannten Gründe zurückzuführen ist.
Nach der Zuverlässigkeitsprüfung weist das laminierte Keramiksubstrat 100 die in 6 dargestellte Zusammensetzung auf. Durch Anlegen einer Hochspannung (positive Elektrode) und einer Niederspannung (negative Elektrode) an die Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung, wird das Natriumoxid 23 (siehe 5) in Natriumionen 24 (Na⁺) und Sauerstoffionen 25 (O²-) aufgespalten. Die Natriumionen 24 gehen durch das siliziumhaltige Oxid 22 an den Korngrenzen des Aluminiumoxids 21 und wandern zur Niederspannungsmetallschicht 40, die die negative Elektrode ist. Die Sauerstoffionen 25 gehen durch das siliziumhaltige Oxid 22 an den Korngrenzen des Aluminiumoxids 21 und wandern zur Hochspannungsmetallschicht 30, die die positive Elektrode ist.
Die Sauerstoffionen 25, die zur positiven Elektrode gewandert sind, reagieren mit dem in den Metallschichten 30 enthaltenen Kupfer, um kupferhaltiges Oxid 31 zu bilden. In der positiven Elektrode nimmt das kupferhaltige Oxid 31 zu und die Bondierfestigkeit mit dem Aluminiumoxid 21 und dem siliziumhaltigen Oxid 22 wird verbessert.
Andererseits reagieren die Natriumionen 24, die in die negativen Elektrode gewandert sind, mit dem kupferhaltigen Oxid 41 (siehe 5), um das Kupferoxid zu reduzieren, was dazu führt, dass das kupferhaltige Oxid 41 der negativen Elektrode, das mit den Natriumionen 24 reagiert hat, zu Kupfer wird, das in die Metallschicht 40 aufgenommen wird. Die Natriumionen 24 werden ebenfalls oxidiert und werden zu Natriumoxid. Auf diese Weise sinkt die Menge des kupferhaltigen Oxids 41, das eine hohe Bondierfestigkeit für das Aluminiumoxid 21 und das siliziumhaltige Oxid 22 aufweist. Außerdem nimmt die Konzentration der Natriumionen (Natriumoxid 23) in der Keramikkarte 120 in der Umgebung der Grenze mit der Metallschicht 40, die die negative Elektrode ist, zu, was es den Teilchen aus Aluminiumoxid 21 erleichtert, sich zu abzulösen. Aus diesem Grund sinkt die Bondierfestigkeit der Metallschicht 40 auf der Keramikkarte 120.
Wenn dieses laminierte Keramiksubstrat 100 anstelle des laminierten Keramiksubstrats 10 der Halbleitervorrichtung 1 verwendet wird, wird die Metallschicht 40 zu einem niedrigen Potenzial (oder „Referenzpotenzial“), an die Metallschicht 30a wird eine hohes Potenzial angelegt und an die Metallschicht 30c wird ein mittleres Potenzial angelegt, wenn die Metallschicht 40 geerdet ist. Dies führt zu einem Absinken der Hafteigenschaften an Teilen der Metallschicht 40, die den Metallschichten 30a und 30c zugewandt ist (und insbesondere der Metallschichten 30 mit hohem Potenzial).
Hierbei ist zu beachten, dass die Metallschicht 40 auf einem Schwebepotenzial belassen werden kann, ohne geerdet zu sein, oder die Metallschicht 40 kann an einem Zwischenpunkt geerdet sein (d.h. so geerdet, dass sie dasselbe Potenzial wie die Metallschicht 30c hat). In diesen Fällen werden die Metallschichten 30a und 30b auf der Kollektorseite des Oberarmabschnitts auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschicht 40 wird auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Dies führt zu einem Absinken der Hafteigenschaften an dem Teil der Metallschicht 40, die den Metallschichten 30a und 30b zugewandt ist. Andererseits wird die Metallschicht 30d auf der Emitterseite des Unterarmabschnitt auf ein niedriges Potenzial gesetzt und die Metallschicht 40, die der Metallschicht 30d zugewandt ist, wird auf ein hohes Potenzial gesetzt, was zu einem Absinken der Hafteigenschaften der Metallschicht 30d führt.
In der folgenden Beschreibung werden Einzelbeispiele 1-1 bis 1-3 beschrieben, welche die Zwischenschichten 50a und 50b im laminierten Keramiksubstrat 10 mit der Keramikkarte 20, die Aluminiumoxid als Hauptbestandteil aufweist, betreffen.
(Laminiertes Keramiksubstrat des Einzelbeispiels 1-1)
Als nächstes wird ein laminiertes Keramiksubstrat 10 mit den Zwischenschichten 50a und 50b unter Bezugnahme auf 7, 8 und 13 beschrieben. 7 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-1) und 8 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-1) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung. 7 zeigt schematisch den mikroskopischen Zustand in dem Bereich, der in 2 durch die gestrichelte Linie umgeben wird. 8 zeigt schematisch einen mikroskopischen Zustand, wenn ein Hochspannung zwischen den Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung in 2 angelegt wird.
Wie in 7 dargestellt, wird das laminierte Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels durch Laminieren der Metallschicht 40, der Zwischenschicht 50b, der Keramikkarte 20, der Zwischenschicht 50a und der Metallschichten 30 in dieser Reihenfolge von unten aufgebaut.
Die Keramikkarte 20 wird durch Anwenden von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a von 4 hergestellt. Die Metallschichten 30 und 40 werden durch Trockenoxidation in Schritt S1b von 4 hergestellt. Die Keramikkarte 20 umfasst ein zweites Oxid, ein siliziumhaltiges Oxid 22 und Natriumoxid 23 zwischen den Teilchen aus Aluminiumoxid 21 (d.h. an den Korngrenzen und Tripelpunkten). Magnesiumoxid kann zusätzlich enthalten sein.
Die Zwischenschichten 50a und 50b umfassen jeweils Oxide 51a und 51, die Magnesium (Mg-O) als das erste Oxid enthalten. Die magnesiumhaltigen Oxide 51a und 51b werden jeweils in großen Mengen in den Zwischenschichten 50a und 50b auf der Frontflächenseite und der Rückflächenseite der Keramikkarte 20 ausgebildet. Außerdem werden die kupferhaltigen Oxide 31 und 41 jeweils an den Grenzen zwischen den Metallschichten 30 und 40 und der Keramikkarte 20 sowie an den Grenzen zwischen den magnesiumhaltigen Oxiden 51a und 51b, den Metallschichten 30 und 40 und der Keramikkarte 20 gebildet.
Auf dem laminierten Keramiksubstrat 10 (vor der Zuverlässigkeitsprüfung) sinkt die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40, wenn die Mengen der magnesiumhaltigen Oxide 51a und 51b zu groß sind. Aus diesem Grund werden die Zwischenschichten 50a und 50b mit den magnesiumhaltigen Oxiden 51a und 51b vorzugsweise so ausgebildet, dass sie 10% oder mehr und 80% oder weniger der Bindungsoberflächen zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 abdecken, und besonders vorzugsweise 20% oder mehr und 50% oder weniger.
Eine Ablösefestigkeitsprüfung wurde ebenfalls mit dem laminierten Keramiksubstrat 10 durchgeführt. Wie in 13 dargestellt sind die Auswertungsergebnisse des Einzelbeispiels 1-1 „ausgezeichnet“ für die Frontfläche des laminierten Keramiksubstrats 10 und „gut“ für die Rückfläche. Das heißt, selbst wenn die Zuverlässigkeitsprüfung am laminierten Keramiksubstrat 10 durchgeführt wurde, wurden im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 die Bondierfestigkeit der Metallschicht 40 an der Rückfläche der Keramikkarte 20 etwas verbessert und das Absinken der Hafteigenschaften unterdrückt. Der Grund dafür ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Ohne der Theorie verpflichtet sein zu wollen, wird angenommen, dass dies auf die unten genannten Gründe zurückzuführen ist.
Nach der Zuverlässigkeitsprüfung weist das laminierte Keramiksubstrat 10 eine Zusammensetzung wie die in 8 dargestellte auf. Durch Anlegen einer Hochspannung (positive Elektrode) und einer Niederspannung (negative Elektrode) an die Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung, wird das Natriumoxid 23 (siehe 7) in Natriumionen 24 (Na⁺) und Sauerstoffionen 25 (O^2-) aufgespalten. Die Natriumionen 24 gehen durch das siliziumhaltige Oxid 22 an den Korngrenzen und Tripelpunkten des Aluminiumoxids 21 und wandern zur Niederspannungsmetallschicht 40, die die negative Elektrode ist. Die Sauerstoffionen 25 gehen durch das siliziumhaltige Oxid 22 an den Korngrenzen und Tripelpunkten des Aluminiumoxids 21 und wandern zur Hochspannungsmetallschicht 30, die die positive Elektrode ist.
Die Sauerstoffionen 25, die zur positiven Elektrode gewandert sind, reagieren mit dem in den Metallschichten 30 enthaltenen Kupfer, um kupferhaltiges Oxid 31 zu bilden. Auf diese Weise nimmt in der positiven Elektrode das kupferhaltige Oxid 31 zu und die Bondierfestigkeit mit dem Aluminiumoxid 21 und dem siliziumhaltigen Oxid 22 wird verbessert.
Andererseits reagieren die Natriumionen 24, die zur negativen Elektrode gewandert sind, mit dem kupferhaltigen Oxid 41 (siehe 7) an Stellen, an denen das magnesiumhaltige Oxid 51b nicht vorhanden ist, um das Kupferoxid zu reduzieren, was dazu führt, dass das kupferhaltige Oxid 41 der negativen Elektrode, das mit den Natriumionen 24 reagiert hat, zu Kupfer wird, das in die Metallschicht 40 aufgenommen wird. Die Natriumionen 24 werden ebenfalls oxidiert und werden zu Natriumoxid. Auf diese Weise sinkt die Menge des kupferhaltigen Oxids 41, das eine hohe Bondierfestigkeit für das Aluminiumoxid 21 und das siliziumhaltige Oxid 22 aufweist. Außerdem nimmt die Konzentration der Natriumionen (Natriumoxid 23) in der Keramikkarte 120 in der Umgebung der Grenze mit der Metallschicht 40, die die negative Elektrode ist, zu, was es den Teilchen aus Aluminiumoxid 21 erleichtert, sich zu abzulösen.
Anders als im Vergleichsbeispiel 1 weist das laminierte Keramiksubstrat 10 jedoch das in den Zwischenschichten 50a und 50b angeordnete Magnesiumoxid 26 auf. Dies hält die Natriumionen 24 davon ab, mit dem kupferhaltigen Oxid 41 zu reagieren. Entsprechend verbleibt das kupferhaltige Oxid 41 an den Stellen, wo das magnesiumhaltige Oxid 51b ausgebildet wird, ohne zu Kupfer zu werden. Das Magnesiumoxid 26 liegt auch an den Korngrenzen und Tripelpunkten des Aluminiumoxids 21 vor. Das bedeutet, dass einige Wanderrouten im siliziumhaltigen Oxid 22 an den Korngrenzen blockiert sind, was das Wandern einiger Natriumionen 24 blockiert. Entsprechend wird die Reaktion zwischen den Natriumionen 24 und dem kupferhaltigen Oxid 41 unterdrückt. Das bedeutet, dass die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 an solchen Stellen beibehalten wird.
Wie oben beschrieben, werden im laminierten Keramiksubstrat 10 des Vergleichsbeispiels 1 im Vergleich mit dem Fall von Einzelbeispiel 1-1 ein Absinken der Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 unterdrückt und die Bondierfestigkeit der Metallschicht 40 an der Keramikkarte 20 verbessert.
Gemäß Vergleichsbeispiel 1 ist es auch ohne die Zwischenschichten 50a und 50b möglich, ein gewisses Maß an Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 auf der Frontfläche (Hochpotenzialseite) der Keramikplatte 120 beizubehalten, aber es kommt zu einem Abfall der Hafteigenschaften für die Metallschicht 40 auf der Rückfläche (Niederpotenzialseite) der Keramikplatte 120. Die Zwischenschicht 50b zwischen der Rückfläche (Niederpotenzialseite) der Keramikkarte 20 des laminierten Keramiksubstrats 10 des ersten Ausführungsbeispiels und der Metallschicht 40 unterdrückt dieses Absinken der Hafteigenschaften der Metallschicht 40. Dementsprechend wird in dem laminierten Keramiksubstrat 10, wenn die Zwischenschicht 50b mindestens zwischen der Rückfläche (Niederpotenzialseite) der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 angeordnet ist, ein Nachlassen der Hafteigenschaften der Metallschicht 40 unterdrückt und eine Verschlechterung des laminierten Keramiksubstrats 10 verhindert.
Die oben beschriebene Halbleitervorrichtung 1 umfasst die Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b, das Bondierelement 35 und das laminierte Keramiksubstrat 10, das plattenförmig ist, eine Frontfläche und eine Rückfläche aufweist, die der Frontfläche gegenüberliegt, und bei der die Halbleiterchips 60a, 60b, 65a und 65b über das Bondierelement 35 auf die Frontfläche bondiert sind. Das laminiert Keramiksubstrat 10 umfasst die Keramikkarte 20, die Metallschichten 30 und 40 und die Zwischenschicht 50b. Die Keramikkarte 20 ist plattenartig, hat eine erste Hauptoberfläche (oder „Frontfläche“ im ersten Ausführungsbeispiel) und eine zweite Hauptoberfläche, die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt (oder „Rückfläche“ im ersten Ausführungsbeispiel) und umfasst Keramikteilchen. Eine Hochspannung wird an die Metallschichten 30 angelegt, die Kupfer enthalten und mit der ersten Hauptoberfläche der Keramikkarte 20 bondiert sind. Eine Niederspannung wird an die Metallschicht 40 angelegt, die Kupfer enthält und mit der zweiten Hauptoberfläche der Keramikkarte 20 bondiert ist. Die Zwischenschicht 50b ist zwischen der zweiten Hauptoberfläche der Keramikkarte 20 und der Niederspannungsmetallschicht 40 ausgebildet und umfasst ein magnesiumhaltiges Oxid 51b. Im laminierten Keramiksubstrat 10 wird durch das zwischen der Keramikkarte 20 und der Niederspannungsmetallschicht 40 enthaltene magnesiumhaltige Oxid 51b ein Absinken der Hafteigenschaften der Metallschicht 40 auf der Keramikkarte 20 unterdrückt, selbst wenn eine hohe Spannung in einer Hochtemperaturumgebung angelegt wird. Das bedeutet, dass die Verschlechterung im laminierten Keramiksubstrat 10 verhindert werden kann, und es ist möglich, ein Absinken der Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 1 zu unterdrücken.
Wenn die in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildete Metallschicht 40 geerdet ist, so dass sie dasselbe Potenzial wie die N-Klemme aufweist, sind die Metallschichten 30a, 30b und 30c, die auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet sind, die Hochspannungsmetallschicht. Die Niederspannungsmetallschicht ist die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildete Metallschicht 40.
Wenn die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 gebildete Metallschicht 40 geerdet ist, so dass sie das gleiche Potenzial wie die M-Klemme hat, oder wenn die Metallschicht 40 nicht vorgesehen ist und ein schwebendes Potenzial hat, sind die auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 gebildeten Metallschichten 30a und 30b Hochspannungsmetallschichten und die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 gebildete Metallschicht 40, die den Metallschichten 30a und 30b gegenüberliegt, eine Niederspannungsmetallschicht. Auch diesem Fall ist eine Niederspannungsmetallschicht die Metallschicht 30d, die auf der Frontfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet ist, und eine Hochspannungsmetallschichten ist die Metallschicht 40, die auf der Rückfläche der Keramikkarte 20 ausgebildet ist und der Metallschicht 30d zugewandt ist.
Bereiche (Positionen), in denen Zwischenschichten entsprechend den Potenzialen der Metallschichten 30 und der Metallschicht 40 der Keramikkarte 20 gebildet werden sollen, wenn das Halbleiterbauelement 1 angesteuert oder angehalten wird, werden später in einem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Man beachte, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Beschichten der Oberfläche des plattenförmigen Formkörpers mit Magnesiumoxidpulver im Vorbereitungsschritt der Keramikplatte (Schritt S1a) und das Brennen bei einer vorgegebenen Temperatur für eine vorgegebene Zeit als Verfahren zum Bilden des magnesiumhaltigen Oxids in den Zwischenschichten 50a und 50b beschrieben wurde. Die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, und es ist möglich, eine manganhaltige Lösung auf die Oberfläche des plattenförmigen Formkörpers im Vorbereitungsschritt für die Keramikkarte (Schritt S1a) aufzutragen und dann zu brennen. Es ist möglich, magnesiumhaltiges Oxid in den Zwischenschichten 50a und 50b durch Sputtern oder Aufdampfen von Magnesium oder magnesiumhaltigem Oxid auf der Keramikkarte und/oder Metallfolie im Vorbereitungsschritt der Keramikkarte (Schritt S1a) und im Vorbereitungsschritt der Metallfolie (Schritt S1b) zu bilden.
Auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde das Eintauchen der Metallfolie in eine manganhaltige Lösung und die Oxidation während des Bildungsschritts der Metallfolie (Schritt S1b) als Verfahren zum Bilden manganhaltiger Oxide in den Zwischenschichten 50a und 50b beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und ein manganhaltiges Pulver oder eine manganhaltige Lösung können auf die Oberfläche des plattenförmigen Formkörpers aufgetragen und dann während des Herstellens der Keramikkarte (Schritt S1a) gebrannt werden. Es ist auch möglich, manganhaltiges Oxid in den Zwischenschichten 50a und 50b durch Sputtern oder Aufdampfen von Mangan oder manganhaltigem Oxid auf der Keramikkarte und/oder Metallfolie im Vorbereitungsschritt der Keramikkarte (Schritt S1a) und/oder im Vorbereitungsschritt der Metallfolie (Schritt S1b) zu bilden.
(Laminiertes Keramiksubstrat des Einzelbeispiels 1-2)
In Einzelbeispiel 1-2 wird ein Fall beschrieben, in dem die Keramikkarte 20 des laminierten Keramiksubstrats 10 durch Auftragen von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a von 4 hergestellt wird und die Metallschichten 30 und 40 durch Nassoxidation hergestellt werden, wobei auf die 9, 10 und 13 Bezug genommen wird. 9 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-2) und 10 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-2) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung. 9 zeigt schematisch den mikroskopischen Zustand an einer Stelle, die dem Bereich entspricht, der in 2 durch die gestrichelte Linie umgeben wird. 10 zeigt schematisch einen mikroskopischen Zustand, wenn ein Hochspannung zwischen den Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung in 2 angelegt wird.
Wie in 9 dargestellt, wird das laminierte Keramiksubstrat 10 in Einzelbeispiel 1-2 durch Laminieren der Metallschicht 40, der Zwischenschicht 50b, der Keramikkarte 20, der Zwischenschicht 50a und der Metallschichten 30 in dieser Reihenfolge von unten aufgebaut.
Auf dieselbe Weise wie im Einzelbeispiel 1-1 wird die Keramikkarte 20 durch Auftragen von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a von 4 hergestellt. Andererseits werden die Metallschichten 30 und 40 anders als im Einzelbeispiel 1-1 durch Nassoxidation in SchrittS1b von 4 hergestellt. Die Keramikkarte 20 umfasst das zweite Oxid, ein siliziumhaltiges Oxid 22 und Natriumoxid 23 zwischen den Teilchen aus Aluminiumoxid 21 (d.h. an den Korngrenzen und Tripelpunkten). Magnesiumoxid kann zusätzlich enthalten sein.
Die Metallschichten 30 und 40 sind mit Kupfer als Hauptbestandteil ausgebildet. Die Zwischenschichten 50a und 50b umfassen jeweils Oxide 52a und 52b (Mg-Mn-O), die Magnesium und Mangan als das erste Oxid enthalten. Die magnesium- und manganhaltigen Oxide 52a und 52b werden jeweils in großen Mengen in den Zwischenschichten 50a und 50b auf der Frontflächenseite und der Rückflächenseite der Keramikkarte 20 ausgebildet. Außerdem werden die kupferhaltigen Oxide 31 und 41 jeweils an den Grenzen zwischen den Metallschichten 30 und 40, der Keramikkarte 20 und den magnesium- und manganhaltigen Oxiden 52a und 52b ausgebildet.
Im Einzelbeispiel 1-1 ist der durch die Zwischenschichten 50a und 50b bedeckte Bereich auf dem laminierten Keramiksubstrat 10 (vor der Zuverlässigkeitsprüfung) beschränkt, so dass es nicht möglich ist, die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 zu erhöhen. Im Einzelbeispiel 1-2 können Zwischenschichten 50a und 50b einschließlich der magnesium- und manganhaltigen Oxide 52a und 52b über einen breiten Bereich ausgebildet werden. Infolgedessen kann die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 im Vergleich zu Einzelbeispiel 1-1 erhöht werden. Diese Zwischenschichten 50a und 50b sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie 20% oder mehr und 80% oder weniger der Bindungsoberfläche zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 bedecken.
Eine Ablösefestigkeitsprüfung wurde ebenfalls mit diesem laminierten Keramiksubstrat 10 durchgeführt. Wie in 13 dargestellt sind die Auswertungsergebnisse des Einzelbeispiels 1-2 „ausgezeichnet“ für die Frontfläche und Rückfläche des laminierten Keramiksubstrats 10. Das heißt, selbst wenn die Zuverlässigkeitsprüfung am laminierten Keramiksubstrat 10 durchgeführt wurde, wurden im Vergleich zu Einzelbeispiel 1-1 die Bondierfestigkeit der Metallschicht 40 an der Rückfläche der Keramikkarte 20 verbessert und das Absinken der Hafteigenschaften unterdrückt. Der Grund dafür ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Ohne der Theorie verpflichtet sein zu wollen, wird angenommen, dass dies auf die unten genannten Gründe zurückzuführen ist.
Das laminierte Keramiksubstrat 10 hat nach der Zuverlässigkeitsprüfung eine Zusammensetzung wie in 10 dargestellt ist. Durch Anlegen einer Hochspannung (positive Elektrode) und einer Niederspannung (negative Elektrode) an die Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung, wird das Natriumoxid 23 (siehe 9) in Natriumionen 24 und Sauerstoffionen 25 aufgespalten. Die Natriumionen 24 gehen durch das siliziumhaltige Oxid 22 an den Korngrenzen und Tripelpunkten des Aluminiumoxids 21 und wandern zur Niederspannungsmetallschicht 40, die die negative Elektrode ist. Die Sauerstoffionen 25 gehen durch das siliziumhaltige Oxid 22 an den Korngrenzen des Aluminiumoxids 21 und wandern zur Hochspannungsmetallschicht 30, die die positive Elektrode ist.
Die Sauerstoffionen 25, die zur positiven Elektrode gewandert sind, reagieren mit dem in den Metallschichten 30 enthaltenen Kupfer, um kupferhaltiges Oxid 31 zu bilden. Auf diese Weise nimmt in der positiven Elektrode das kupferhaltige Oxid 31 zu und die Bondierfestigkeit mit dem Aluminiumoxid 21 und dem siliziumhaltigen Oxid 22 wird verbessert.
In Einzelbeispiel 1-2 ist jedoch das Magnesiumoxid 26 im laminierten Keramiksubstrat 10 an den Korngrenzen und Tripelpunkten des Aluminiumoxids 21 angeordnet. Außerdem ist das magnesium- und manganhaltige Oxid 52b an den Grenzen und Tripelpunkten zwischen dem Aluminiumoxid 21 der negativen Elektrode und der Niederspannungsmetallschicht 40 ausgebildet. Insbesondere ist der Bereich, wo das magnesium- und manganhaltige Oxid 52b breiter ausgebildet ist, breiter als der, wo das magnesiumhaltige Oxid 51b im Einzelbeispiel 1-1 ausgebildet ist. Das bedeutet, dass ein Wandern der Natriumionen 24, die zur negativen Elektrode gewandert sind, durch das magnesium- und manganhaltige Oxid 52b blockiert wird. Entsprechend werden Reaktionen zwischen den Natriumionen 24 und dem kupferhaltigen Oxid 41 stärker gehemmt als im Einzelbeispiel 1-1. Das bedeutet, dass das kupferhaltige Oxid 41 an den Grenzen zwischen dem Aluminiumoxid 21, der Metallschicht 40 und dem magnesium- und manganhaltigen Oxid 52b zurückbleibt, ohne zu Kupfer zu werden. Entsprechend wird die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 günstiger beibehalten als im Einzelbeispiel 1-1.
Wie oben beschrieben, werden beim laminierten Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 1-2 im Vergleich zu dem Fall des Einzelbeispiels 1-1 das Absinken der Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 unterdrückt und die Bondierfestigkeit der Metallschicht 40 an der Keramikkarte 20 verbessert.
(Laminiertes Keramiksubstrat des Einzelbeispiels 1-3)
In Einzelbeispiel 1-3 wird ein Fall beschrieben, in dem die Keramikkarte 20 des laminierten Keramiksubstrats 10 ohne Auftragen von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a von 4 hergestellt wird und die Metallschichten 30 und 40 durch Nassoxidation hergestellt werden, wobei auf die 11, 12 und 13 Bezug genommen wird. 11 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-3) und 12 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 1-3) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung. 11 zeigt schematisch einen mikroskopischen Zustand am Bereich, der in 2 durch die gestrichelte Linie umgeben wird. 12 zeigt schematisch einen mikroskopischen Zustand, wenn ein Hochspannung zwischen den Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung in 2 angelegt wird.
Wie in 11 dargestellt, wird das laminierte Keramiksubstrat 10 in Einzelbeispiel 1-3 durch Laminieren der Metallschicht 40, der Zwischenschicht 50b, der Keramikkarte 20, der Zwischenschicht 50a und der Metallschichten 30 in dieser Reihenfolge von unten aufgebaut.
Anders als in Einzelbeispiele 1-1 und Einzelbeispiel 1-2 wird die Keramikkarte 20 ohne Auftragen von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a von 4 hergestellt. In derselben Weise wie in Einzelbeispiel 1-2 werden die Metallschichten 30 und 40 durch Nassoxidation in Schritt S1b von 4 hergestellt. Die Keramikkarte 20 umfasst das zweite Oxid, ein siliziumhaltiges Oxid 22 und Natriumoxid 23 zwischen den Teilchen aus Aluminiumoxid 21 (d.h. an den Korngrenzen und Tripelpunkten).
Die Metallschichten 30 und 40 sind mit Kupfer als Hauptbestandteil ausgebildet. Die Zwischenschichten 50a und 50b umfassen jeweils Oxide 53a und 51 (Mn-O), die Mangan als das erste Oxid enthalten. Die manganhaltigen Oxide 53a und 53b werden jeweils in großen Mengen in den Zwischenschichten 50a und 50b auf der Frontflächenseite und der Rückflächenseite der Keramikkarte 20 ausgebildet. Außerdem werden die kupferhaltigen Oxide 31 und 41, die kupferhaltige Oxide sind, jeweils an den Grenzen zwischen den Metallschichten 30 und 40, der Keramikkarte 20 und den manganhaltigen Oxiden 53a und 53b ausgebildet.
Auf dem laminierten Keramiksubstrat 10 (vor der Zuverlässigkeitsprüfung) sinkt die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40, wenn die Menge des manganhaltigen Oxids 53 zu groß ist. Aus diesem Grund werden die Zwischenschichten 50a und 50b mit den manganhaltigen Oxiden 53a und 53b vorzugsweise so ausgebildet, dass sie 10% oder mehr und 80% oder weniger der Bindungsoberflächen zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 abdecken, und besonders vorzugsweise 20% oder mehr und 50% oder weniger.
Eine Ablösefestigkeitsprüfung wurde ebenfalls mit diesem laminierten Keramiksubstrat 10 durchgeführt. Wie in 13 dargestellt sind die Auswertungsergebnisse des Einzelbeispiels 1-3 „ausgezeichnet“ für die Frontfläche und „sehr gut“ für die Rückfläche des laminierten Keramiksubstrats 10. Das heißt, selbst wenn die Zuverlässigkeitsprüfung am laminierten Keramiksubstrat 10 durchgeführt wurde, werden im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel die Bondierfestigkeit der Metallschicht 40 an der Rückfläche der Keramikkarte 20 etwas verbessert und das Absinken der Hafteigenschaften unterdrückt. Der Grund dafür ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Ohne der Theorie verpflichtet sein zu wollen, wird angenommen, dass dies auf die unten genannten Gründe zurückzuführen ist.
Das laminierte Keramiksubstrat 10 hat nach der Zuverlässigkeitsprüfung eine Zusammensetzung wie in 12 dargestellt ist. Durch Anlegen einer Hochspannung (positive Elektrode) und einer Niederspannung (negative Elektrode) an die Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung, wird das Natriumoxid 23 (siehe 11) in Natriumionen 24 und Sauerstoffionen 25 aufgespalten. Die Natriumionen 24 gehen durch das siliziumhaltige Oxid 22 an den Korngrenzen und Tripelpunkten des Aluminiumoxids 21 und wandern zur Niederspannungsmetallschicht 40, die die negative Elektrode ist. Die Sauerstoffionen 25 gehen durch das siliziumhaltige Oxid 22 an den Korngrenzen des Aluminiumoxids 21 und wandern zur Hochspannungsmetallschicht 30, die die positive Elektrode ist.
Die Sauerstoffionen 25, die zur positiven Elektrode gewandert sind, reagieren mit dem in den Metallschichten 30 enthaltenen Kupfer, um kupferhaltiges Oxid 31 zu bilden. Auf diese Weise nimmt in der positiven Elektrode das kupferhaltige Oxid 31 zu und die Bondierfestigkeit mit dem Aluminiumoxid 21 und dem siliziumhaltigen Oxid 22 wird verbessert.
Andererseits reagieren die Natriumionen 24, die zur negativen Elektrode gewandert sind, mit dem kupferhaltigen Oxid 41 (siehe 11) an Stellen, an denen das manganhaltige Oxid 53b nicht vorhanden ist, welches das Kupferoxid reduziert, was dazu führt, dass das kupferhaltige Oxid 41 der negativen Elektrode, das mit den Natriumionen 24 reagiert hat, zu Kupfer wird, das in die Metallschicht 40 aufgenommen wird. Die Natriumionen 24 werden ebenfalls oxidiert und werden zu Natriumoxid. Auf diese Weise sinkt die Menge des kupferhaltigen Oxids 41, das eine hohe Bondierfestigkeit für das Aluminiumoxid 21 und das siliziumhaltige Oxid 22 aufweist. Außerdem steigt die Konzentration von Natriumionen (Natriumoxid 23) in der Nähe der Grenze der Metallschicht 40 der negativen Elektrode und an den Korngrenzen und Tripelpunkten des siliziumhaltigen Oxids 22, wodurch sich die Teilchen aus Aluminiumoxid 21 leichter ablösen.
Das laminierte Keramiksubstrat 10 von Einzelbeispiel 1-3 weist jedoch das in den Zwischenschichten 50a und 50b angeordnete Manganoxid 27 auf. Dies hält die Natriumionen 24 davon ab, mit dem kupferhaltigen Oxid 41 zu reagieren. Entsprechend verbleibt das kupferhaltige Oxid 41 an den Stellen, wo das manganhaltige Oxid 53b ausgebildet wird, ohne zu Kupfer zu werden. Das Manganoxid 27 liegt auch an den Korngrenzen und Tripelpunkten des Aluminiumoxids 21 vor. Das bedeutet, dass einige Wanderrouten im siliziumhaltigen Oxid 22 an den Korngrenzen blockiert sind, was das Wandern einiger Natriumionen 24 blockiert. Entsprechend wird die Reaktion zwischen den Natriumionen 24 und dem kupferhaltigen Oxid 41 unterdrückt. Das bedeutet, dass die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 an solchen Stellen beibehalten wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Bondierfestigkeit in diesem Fall höher ist als im Einzelbeispiel 1-3.
Wie oben beschrieben, werden im laminierten Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 1-3 im Vergleich mit dem Fall von Einzelbeispiel 1-1 ein Absinken der Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 unterdrückt und die Bondierfestigkeit der Metallschicht 40 an der Keramikkarte 20 verbessert.
Zweites Ausführungsbeispiel
Im Vergleich zur Keramikkarte 20 des ersten Ausführungsbeispiels umfasst die im laminierten Keramiksubstrat 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel enthaltene Keramikkarte 20 zusätzlich Zirkoniumoxid (ZrO₂). Dieses zweite Ausführungsbeispiel wird später auf Grundlage der Halbleitervorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (in 1 und 2 dargestellt) beschrieben.
(Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung)
Das laminierte Keramiksubstrat 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird auch gemäß dem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Herstellungsverfahren im Flussdiagramm in 4 hergestellt. Auch in diesem zweiten Ausführungsbeispiel werden beim Herstellen des laminierten Keramiksubstrats 10 zunächst eine Keramikkarte und eine Metallfolie vorbereitet (Schritte S1a und S1b). Man beachte, dass entweder Schritt S1a oder S1b zuerst ausgeführt werden kann.
Die Vorbereitung der Keramikkarte wird nun beschrieben (Schritt S1a). Zuerst wird Siliziumoxid (SiO₂)-Pulver und auch Zirkoniumoxid (ZrO₂)-Pulver zu Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Pulver hinzugefügt und die Mischung wird zusammen in mit einem Bindemittel oder dergleichen verrührt und zu einer Karte gegossen. Magnesiumoxid (MgO)-Pulver wird auf die Oberfläche des plattenförmigen Formkörpers aufgetragen, der dann bei einer vorgegebenen Temperatur für eine vorgegebene Zeit gebrannt wird. Die auf diese Weise durch Brennen ausgebildete Keramikkarte enthält Aluminiumoxid als Keramikteilchen, enthält zirkoniumhaltiges Oxid („zweites Oxid“) und siliziumhaltiges Oxid an den Korngrenzen und Tripelpunkten der Keramikteilchen und enthält auch ein magnesiumhaltiges Oxid an der Oberfläche. Ein magnesiumhaltiges Oxid kann auch an den Korngrenzen und Tripelpunkten der Keramikteilchen ausgebildet sein. Durch das Vorhandensein von zirkoniumhaltigem Oxid ist es möglich, die Querbruchfestigkeit im Vergleich zu dem Fall zu erhöhen, in dem kein zirkoniumhaltiges Oxid vorhanden ist.
Um die Keramikkarte 20 des zweiten Ausführungsbeispiels herzustellen, kann Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) oder Calciumoxid (CaO) -Pulver zum Zirkoniumoxid (ZrO₂) -Pulver hinzugefügt werden. Ersatzweise kann teilweise stabilisiertes Zirkoniapulver anstelle des Zirkoniumoxid (ZrO₂) -Pulvers hinzugefügt werden. Auf diese Weise enthält die Keramikkarte 20 Aluminiumoxid als Keramikteilchen und Oxid (zweites Oxid), das teilweise stabilisiertes Zirkonia und Silizium an den Korngrenzen und Tripelpunkten der Keramikteilchen enthält. In diesem Fall enthält das teilweise stabilisierte Zirkonia 2.5 Molprozent oder mehr und 3.5 Molprozent oder weniger Yttrium in Einheiten von Yttriumoxid (YO)-Äquivalenten in Bezug auf das Zirkonia in Einheiten von Zirkoniumoxid (ZrO₂)-Äquivalenten. Auf diese Weise kann die Querbruchfestigkeit im Vergleich zu einem Fall, in dem nur Zirkoniumoxid verwendet wird, weiter erhöht werden. Auch die mittlere Teilchengröße der Keramikteilchen beträgt 0,5 µm oder mehr und 25 µm oder weniger und besonders vorzugsweise 1 µm oder mehr und 10 µm oder weniger.
In der Keramikkarte 20 beträgt der Gehalt von Aluminiumoxid vorzugsweise 80 Gewichtsprozent oder mehr und 95 Gewichtsprozent oder weniger in Bezug auf den Gesamtbetrag des Oxidäquivalents und besonders vorzugsweise 84 Gewichtsprozent oder mehr und 92 Gewichtsprozent oder weniger. Außerdem beträgt der Gehalt des zirkoniumhaltigen Oxids 5,0 Gewichtsprozent oder mehr und 20,0 Gewichtsprozent oder weniger in Einheiten von Zirkoniumoxid (ZrO₂)-Äquivalenten in Bezug auf den Gesamtbetrag des Oxidäquivalents und besonders vorzugsweise 8 Gewichtsprozent oder mehr und 16 Gewichtsprozent oder weniger. Außerdem beträgt der Gehalt des siliziumhaltigen Oxids in der Keramikkarte 20 0,01 Gewichtsprozent oder mehr und 3,0 Gewichtsprozent oder weniger in Einheiten von Siliziumoxid (SiO₂)-Äquivalent in Bezug auf den Gesamtbetrag des Oxidäquivalents und besonders vorzugsweise 1,0 Gewichtsprozent oder mehr und 3,0 Gewichtsprozent oder weniger. Wenn der Gehalt des siliziumhaltigen Oxids zu niedrig ist, verbleiben viele Leerstellen in der Keramikkarte, was die Karte anfällig zum Brechen macht. Wenn die Menge andererseits zu groß ist, nimmt die Wärmeleitfähigkeit der Keramikkarte ab, was zu einer schlechten Wärmeableitung führt.
Zusätzlich zu Keramikteilchen, magnesiumhaltigem Oxid, siliziumhaltigem Oxid und zirkoniumhaltigem Oxid enthält die Keramikkarte 20 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verschiedene beim Herstellen verwendete Materialien. Ein Beispiel solch eines Materials ist ein natriumhaltiges Oxid. Ein Beispiel ist Natriumoxid. Der Gehalt des natriumhaltigen Oxids in der Keramikkarte 20 beträgt 0,001 Gewichtsprozent oder mehr und 0,2 Gewichtsprozent oder weniger als Natriumoxid (Na₂O)-Äquivalent in Bezug auf den Gesamtbetrag des Oxidäquivalents und besonders vorzugsweise 0,002 Gewichtsprozent oder mehr und 0,2 Gewichtsprozent oder weniger. Wenn der Gehalt des natriumhaltigen Oxids zu niedrig ist, wird es schwierig werden, das pulverförmige keramische Rohmaterial zu verfeinern. Wenn die Menge zu groß ist, bildet sich β-Aluminiumoxid, das dazu neigt, eine Verschlechterung der Isoliereigenschaften und einen Abfall der Festigkeit zu bewirken. Vorzugsweise enthält die Keramikkarte 20 kein β-Aluminiumoxid.
Das Vorbereiten der Metallfolie in Schritt S1b wird auf dieselbe Weise durchgeführt wie im ersten Ausführungsbeispiel. Das Verfahren zum Herstellen ab Schritt S2 und weiter wird auf dieselbe Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel unter Verwendung der in Schritt S1a des zweiten Ausführungsbeispiels vorbereiteten Keramikkarte durchgeführt.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren wird das laminierte Keramiksubstrat 10 mit den Zwischenschichten 50a und 50b zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 hergestellt. In diesem laminierten Keramiksubstrat 10 unterdrücken die Zwischenschichten 50a und 50b eine Verschlechterung der Hafteigenschaften zwischen den Metallschichten 30 und 40 und der Keramikkarte 20. Man beachte, dass wenn Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a des zweiten Ausführungsbeispiels im laminierten Keramiksubstrat aufgetragen wurde, beträgt der Gehalt des magnesiumhaltigen Oxids in den Zwischenschichten 50a und 50b und der Keramikkarte 20 0,1 Gewichtsprozent oder mehr und 1,5 Gewichtsprozent oder weniger in Einheiten von Magnesiumoxid (MgO)-Äquivalenten, bezogen auf die Gesamtmenge des Oxidäquivalents. Außerdem beträgt der Gehalt von Magnesium in Einheiten von Magnesiumoxid (MgO) -Äquivalenten in diesem Fall 2,0 Gewichtsprozent oder mehr und 20,0 Gewichtsprozent oder weniger in Bezug auf den Gehalt von Zirkonium in Einheiten von Zirkoniumoxid (ZrO₂) -Äquivalenten und besonders vorzugsweise 7,5 Gewichtsprozent oder mehr und 15 Gewichtsprozent oder weniger. Wenn in Schritt S1a des zweiten Ausführungsbeispiels kein Magnesiumoxidpulver aufgetragen wird, wird das laminierte Keramiksubstrat 10 kein Magnesium enthalten (d.h. die Menge wird unter der Messgrenze von 0,01 Gewichtsprozent liegen). Wenn die Nassoxidation in Schritt S1b unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung im laminierten Keramiksubstrate 10 durchgeführt wird, beträgt der Gehalt an manganhaltigem Oxid in der Keramikkarte 20 und den Zwischenschichten 50a und 50b 0,01 Gewichtsprozent oder mehr und 0,15 Gewichtsprozent oder weniger. Außerdem beträgt der Gehalt von Mangan in Einheiten von Manganoxid-Äquivalenten in diesem Fall 0,05 Gewichtsprozent oder mehr und 2 Gewichtsprozent oder weniger in Bezug auf den Gehalt von Zirkonium in Einheiten von Zirkoniumoxid-Äquivalenten und besonders vorzugsweise 0,2 Gewichtsprozent oder mehr und 0,8 Gewichtsprozent oder weniger. Wenn in Schritt S1b keine Nassoxidation unter Verwendung einer manganhaltigen Lösung durchgeführt wurde, wurde kein Gehalt von Mangan im laminierten Keramiksubstrat 10 bestätigt, d.h. die Menge liegt unter der unteren Messgrenze von 0,01 Gewichtsprozent.
Das zweite Ausführungsbeispiel ist nicht auf das obige beschränkt, und es ist möglich, magnesiumhaltiges Oxid in den Zwischenschichten 50a und 50b durch Sputtern oder Aufdampfen von Magnesium oder magnesiumhaltigem Oxid auf der Keramikkarte und/oder Metallfolie beim Vorbereiten der Keramikkarte (Schritt S1a) und Vorbereiten der Metallfolie (Schritt S1b) zu bilden. Im Vorbereitungsschritt (Schritt S1a) der Keramikkarte können Magnesium oder ein Pulver oder eine magnesiumhaltige Lösung auf die Oberfläche des plattenartigen Formkörpers aufgetragen werden und dann gebrannt werden.
In der folgenden Beschreibung werden Einzelbeispiele 2-1 bis 2-3 beschrieben, welche die Zwischenschichten 50a und 50b im laminierten Keramiksubstrat 10 mit der Keramikkarte, die Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid als Hauptbestandteil aufweist, betreffen. Man beachte, dass dieselben Zuverlässigkeitsprüfungen wie im ersten Ausführungsbeispiel auch im zweiten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden.
(Laminiertes Keramiksubstrat des Vergleichsbeispiels 2)
Im Folgenden wird zuerst als Vergleichsbeispiel 2 ein laminiertes Keramiksubstrat, das keine Zwischenschichten 50a und 50b aufweist, unter Bezugnahme auf 14 und 15 beschrieben, um zu beschreiben, wie die Zwischenschichten 50a und 50b die Verschlechterung der Hafteigenschaften der Metallschichten 30 und 40 auf der Keramikkarte 20 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterdrücken. 14 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats des Vergleichsbeispiels 2 und 15 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats des Vergleichsbeispiels 2 unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung. 14 zeigt schematisch den mikroskopischen Zustand in dem Bereich, der in 2 durch die gestrichelte Linie umgeben wird. 15 zeigt schematisch den mikroskopischen Zustand, wenn ein Hochspannung zwischen den Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung in 2 angelegt wird.
Die Keramikkarte 120 von Vergleichsbeispiel 2 wurde ohne Anwenden von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a (des zweiten Ausführungsbeispiels) von 4 hergestellt. Die Metallschichten 30 und 40 wurden durch Trockenoxidation in Schritt S1b von 4 hergestellt.
Wie in 14 dargestellt, wird das wie oben beschrieben hergestellte laminierte Keramiksubstrat 100 durch Laminieren der Metallschicht 40, der Keramikkarte 120 und der Metallschichten 30 in dieser Reihenfolge von unten aufgebaut. Die Keramikkarte 120 umfasst als das zweite Oxid siliziumhaltiges Oxid 22 und Zirkoniumoxid 28 zwischen den Teilchen aus Aluminiumoxid 21 (an den Korngrenzen und Tripelpunkten). Die Keramikkarte 120 kann zusätzlich Natriumoxid 23 umfassen. Anstelle von Zirkoniumoxid 28 kann die Keramikkarte 120 zirkoniumhaltiges Oxid aufweisen, beispielsweise teilweise stabilisiertes Zirkonia. Wie im ersten Ausführungsbeispiel werden die Metallschichten 30 und 40 mit Kupfer als Hauptbestandteil hergestellt.
Das laminierte Keramiksubstrat 100 dieses Vergleichsbeispiels umfasst kein Magnesium oder Mangan. Das heißt, in dem wie oben beschrieben hergestellten laminierten Keramiksubstrat 100 werden die Zwischenschichten 50a, 50b, die magnesium- und/oder manganhaltiges Oxid umfassen, nicht ausgebildet.
Eine Ablösefestigkeitsprüfung wurde ebenfalls auf dieselbe Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel mit diesem laminierten Keramiksubstrat 100 durchgeführt. Das Auswertungsergebnis war „nicht gut“ sowohl für die Frontfläche als auch die Rückfläche der Keramikkarte (dies wurde in der Tabelle nicht dargestellt). Der Grund dafür ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Ohne der Theorie verpflichtet sein zu wollen, wird angenommen, dass dies auf die unten genannten Gründe zurückzuführen ist.
Wie in 15 dargestellt, werden im laminierten Keramiksubstrat 100 des Vergleichsbeispiels 2 eine Hochspannung (positive Elektrode) und eine Niederspannung (negative Elektrode) an die Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung angelegt. Infolgedessen wird das an den Grenzen zwischen der Metallschicht 40 auf der negativen Elektrodenseite und dem Zirkoniumoxid 28 der Keramikkarte 20 ausgebildete kupferhaltige Oxid 41 (Cu-O) reduziert. Beispielsweise erfolgt die Reaktion CuO+2e (Elektronen) → Cu+O^2-. Das bedeutet, dass es auf der negativen Elektrodenseite eine Abnahme des kupferhaltigen Oxids 41 gibt, und dass die Bondierfestigkeit zwischen der Metallschicht 40 und dem laminierten Keramiksubstrat 10 abnimmt. Die bei der Reduktion des kupferhaltigen Oxids 41 (Cu-O) entstehenden Sauerstoffionen 25 durchdringen dann das Zirkoniumoxid 28 an den Korngrenzen und Tripelpunkten des Aluminiumoxids 21 und wandern zu den Hochspannungsmetallschichten 30, die die positive Elektrode bilden. Die Sauerstoffionen 25, die zur positiven Elektrode gewandert sind, reagieren mit dem Kupfer der Metallschichten 30, um kupferhaltiges Oxid 31 zu bilden. Beispielsweise erfolgt die Reaktion Cu+O^2- → CuO+2e (Elektronen). Das bedeutet, dass das kupferhaltige Oxid 31 an der positiven Elektrode übermäßig zunimmt, und dass die Bondierfestigkeit zwischen den Metallschichten 30 und dem laminierten Keramiksubstrat 10 abnimmt.
In der Keramikkarte 120 des laminierten Keramiksubstrats 100 von Vergleichsbeispiel 2 zum zweiten Ausführungsbeispiel wird wie zuvor beschrieben das Wandern von Sauerstoffionen durch das Zirkoniumoxid gefördert. Das bedeutet, dass sich die Reduktion auf der negativen Elektrodenseite und die Oxidierung auf der positiven Elektrodenseite fortsetzen. Entsprechend nimmt die Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 mit dem laminierten Keramiksubstrat 100 noch weiter ab als im Vergleichsbeispiel 1 zum ersten Ausführungsbeispiel.
(Laminiertes Keramiksubstrat des Einzelbeispiels 2-1)
Als nächstes wird ein laminiertes Keramiksubstrat 10 mit den Zwischenschichten 50a und 50b unter Bezugnahme auf 16 und 17 beschrieben. Das Einzelbeispiel 2-1 entspricht dem Einzelbeispiel 1-1. 16 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-1) und 17 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-1) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung. 16 zeigt schematisch den mikroskopischen Zustand in dem Bereich, der in 2 durch die gestrichelte Linie umgeben wird. 17 zeigt schematisch einen mikroskopischen Zustand, wenn ein Hochspannung zwischen den Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung in 2 angelegt wird.
Wie in 16 dargestellt, wird das laminierte Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 2-1 durch Laminieren der Metallschicht 40, der Zwischenschicht 50b, der Keramikkarte 20, der Zwischenschicht 50a und der Metallschichten 30 in dieser Reihenfolge von unten aufgebaut.
Die Keramikkarte 20 wird durch Auftragen von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a (des zweiten Ausführungsbeispiels) von 4 hergestellt. Die Metallschichten 30 und 40 werden durch Trockenoxidation in Schritt S1b von 4 hergestellt.
Die Keramikkarte 20 umfasst ein zweites Oxid, das siliziumhaltige Oxid 22 und das Zirkoniumoxid 28 zwischen Teilchen aus Aluminiumoxid 21 (d.h. an den Korngrenzen und Tripelpunkten). Natriumoxid 23 und/oder Magnesiumoxid können zusätzlich enthalten sein. Es ist zu beachten, dass zirkoniumhaltiges Oxid, wie z.B. teilweise stabilisiertes Zirkonia, anstelle des Zirkoniumoxids 28 verwendet werden kann.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel werden die Metallschichten 30 und 40 mit Kupfer als Hauptbestandteil hergestellt. Die Zwischenschichten 50a und 50b umfassen jeweils Oxide 51a und 51, die Magnesium als das erste Oxid enthalten. Die magnesiumhaltigen Oxide 51a und 51b werden jeweils in großen Mengen in den Zwischenschichten 50a und 50b auf der Frontflächenseite und der Rückflächenseite der Keramikkarte 20 ausgebildet. Außerdem werden die kupferhaltigen Oxide 31 und 41 jeweils an den Grenzen zwischen den Metallschichten 30 und 40 und der Keramikkarte 20 und auch an den Grenzen zwischen den magnesiumhaltigen Oxiden 51a und 51b und den Metallschichten 30 und 40 und der Keramikkarte 20 gebildet.
Auf dem laminierten Keramiksubstrat 10 (vor der Zuverlässigkeitsprüfung) sinkt die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40, wenn die Mengen der magnesiumhaltigen Oxide 51a und 51b zu groß sind. Aus diesem Grund werden die Zwischenschichten 50a und 50b mit den magnesiumhaltigen Oxiden 51a und 51b vorzugsweise so ausgebildet, dass sie 10% oder mehr und 80% oder weniger der Bindungsoberflächen zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 abdecken, und besonders vorzugsweise 20% oder mehr und 50% oder weniger.
Eine Ablösefestigkeitsprüfung wurde ebenfalls mit diesem laminierten Keramiksubstrat 10 durchgeführt. Die Auswertungsergebnisse des Einzelbeispiels 2-1 sind „gut“ für die Frontfläche und „gut“ für die Rückfläche des laminierten Keramiksubstrats 10. Das heißt, im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel, wurde die Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 mit der Keramikplatte 20 des laminierten Keramiksubstrats 10 etwas verbessert und ein Absinken der Hafteigenschaften wurde unterdrückt. Der Grund dafür ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Ohne der Theorie verpflichtet sein zu wollen, wird angenommen, dass dies auf die unten genannten Gründe zurückzuführen ist.
Wie in 17 dargestellt, wird auf dem laminierten Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 2-1 eine Spannung mit hohem Potenzial (positive Elektrode) und niedrigem Potenzial (negative Elektrode) an die Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung angelegt. An Stellen, wo die Zwischenschicht 50b mit dem magnesiumhaltigen Oxid 51b nicht vorhanden ist, wird das kupferhaltige Oxid 41 (Cu-O) an den Grenzen zwischen der Metallschicht 40 auf der negativen Elektrodenseite und dem Zirkoniumoxid 28 der Keramikkarte 20 reduziert. Anders als im Vergleichsbeispiel 2 weist das laminierte Keramiksubstrat 10 jedoch eine Zwischenschicht 50b mit dem magnesiumhaltigen Oxid 51b an der negativen Elektrodenseite auf. Das bedeutet, dass in einem Teil, wo die Zwischenschicht 50b auf der negativen Elektrodenseite ausgebildet ist, das Zirkoniumoxid 28 und das kupferhaltige Oxid 41 (Cu-O) sich nicht direkt berühren, so dass die Reduktion des kupferhaltigen Oxids 41 unterdrückt wird. Das heißt, die Zwischenschicht 50b blockiert die Reduktion des kupferhaltigen Oxids 41. Entsprechend verbleibt das kupferhaltige Oxid 41, ohne an Stellen zu Kupfer zu werden, wo die Zwischenschicht 50b ausgebildet wird. Da außerdem die Reduktion an der negativen Elektrode unterdrückt wird, werden weniger Sauerstoffionen produziert und eine übermäßige Oxidierung von Kupfer an der Grenze zwischen den Metallschichten 30 und der Keramikkarte 20 wird an der positiven Elektrodenseite ebenfalls unterdrückt. Da entsprechend die Zwischenschicht 50b, die das magnesiumhaltige Oxid 51b enthält, auf der negativen Elektrodenseite gebildet wird, ist die Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 auf der Keramikkarte 20 im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 2 etwas verbessert, was ein Absinken der Hafteigenschaften unterdrückt.
Magnesiumoxid 26 kann auch an Korngrenzen und Tripelpunkten vorliegen. Auf diese Weise werden die Wanderrouten der Sauerstoffionen an den Korngrenzen teilweise blockiert. Dies unterdrückt auch die Oxidations- und Reduktionsreaktionen an der positiven Elektrode und der negativen Elektrode. Das laminierte Keramiksubstrat 10 kann auch die Zwischenschicht 50a mit dem magnesiumhaltigen Oxid 51a, das auf der positiven Elektrodenseite ausgebildet wird, aufweisen. Auf diese Weise werden sich das Zirkoniumoxid 28 und das kupferhaltige Oxid 31 (Cu-O) nicht direkt an Teilen berühren, wo die Zwischenschicht 50b auf der positiven Elektrodenseite ausgebildet wird, was die Oxidierung der Metallschichten 30 unterdrückt. Das heißt, die Zwischenschicht 50a blockiert die Oxidierung der Metallschichten 30. Auf diese Weise wird die Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 mit der Keramikkarte 20 weiter verbessert und das Absinken der Hafteigenschaften wird unterdrückt.
Wie oben beschrieben, werden im laminierten Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 2-1 auf dieselbe Weise wie im Einzelbeispiel 1-1 ein Absinken der Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 unterdrückt und die Bondierfestigkeit der Metallschicht 40 mit der Keramikkarte 20 wird verbessert. Wenn im Einzelbeispiel 2-1 auf dieselbe Weise wie im Einzelbeispiel 1-1 das laminierte Keramiksubstrat 10 mindestens die Zwischenschicht 50b zwischen der Rückfläche (Niederpotenzialseite) der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 aufweist, wird ein Nachlassen der Hafteigenschaften der Metallschicht 40 unterdrückt und eine Verschlechterung des laminierten Keramiksubstrats 10 kann verhindert werden.
(Laminiertes Keramiksubstrat des Einzelbeispiels 2-2)
In Einzelbeispiel 2-2 wird ein Fall beschrieben, in dem die Keramikkarte 20 des laminierten Keramiksubstrats 10 durch Auftragen von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a (des zweiten Ausführungsbeispiels) von 4 hergestellt wird und die Metallschichten 30 und 40 durch Nassoxidation hergestellt werden, wobei auf die 18 und 19 Bezug genommen wird. 18 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-2) und 19 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-2) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung. 18 zeigt schematisch den mikroskopischen Zustand an einer Stelle, die dem Bereich entspricht, der in 2 durch die gestrichelte Linie umgeben wird. 19 zeigt schematisch einen mikroskopischen Zustand, wenn ein Hochspannung zwischen den Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung in 2 angelegt wird.
Wie in 18 dargestellt, wird das laminierte Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 2-2 durch Laminieren der Metallschicht 40, der Zwischenschicht 50b, der Keramikkarte 20, der Zwischenschicht 50a und der Metallschichten 30 in dieser Reihenfolge von unten aufgebaut.
Die Keramikkarte 20 wird auf dieselbe Weise wie im Einzelbeispiel 2-1 durch Anwenden von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a (des zweiten Ausführungsbeispiels) von 4 hergestellt. Anders als im Einzelbeispiel 2-1 werden die Metallschichten 30 und 40 durch Nassoxidation in Schritt S1b von 4 hergestellt.
Die Keramikkarte 20 umfasst als zweites Oxid, ein siliziumhaltiges Oxid 22 und Zirkoniumoxid 28 zwischen Teilchen aus Aluminiumoxid 21 (d.h. an den Korngrenzen und Tripelpunkten). Natriumoxid 23 und/oder Magnesiumoxid können zusätzlich enthalten sein. Es ist zu beachten, dass zirkoniumhaltiges Oxid, wie z.B. teilweise stabilisiertes Zirkonia, anstelle des Zirkoniumoxids 28 enthalten sein kann.
Die Metallschichten 30 und 40 sind mit Kupfer als Hauptbestandteil hergestellt. Wie im Einzelbeispiel 1-2, umfassen die Zwischenschichten 50a und 50b jeweils Oxide 52a und 52b, die Magnesium und Mangan als das erste Oxid enthalten. Die magnesium- und manganhaltigen Oxide 52a und 52b werden jeweils in großen Mengen in den Zwischenschichten 50a und 50b auf der Frontflächenseite und der Rückflächenseite der Keramikkarte 20 ausgebildet. Außerdem werden die kupferhaltigen Oxide 31 und 41 jeweils an den Grenzen zwischen den Metallschichten 30 und 40, der Keramikkarte 20 und den magnesium- und manganhaltigen Oxiden 52a und 52b ausgebildet.
Im Einzelbeispiel 2-1 ist der durch die Zwischenschichten 50a und 50b bedeckte Bereich auf dem laminierten Keramiksubstrat 10 (vor der Zuverlässigkeitsprüfung) beschränkt, so dass es nicht möglich ist, die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 zu erhöhen. Im Einzelbeispiel 2-2 können Zwischenschichten 50a, 50b einschließlich der magnesium- und manganhaltigen Oxide 52a, 52b über einen breiten Bereich ausgebildet werden. Infolgedessen kann die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 im Vergleich zu Einzelbeispiel 2-1 erhöht werden. Diese Zwischenschichten 50a und 50b sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie 20% oder mehr und 80% oder weniger der Bindungsoberfläche zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 bedecken.
Eine Ablösefestigkeitsprüfung wurde ebenfalls mit diesem laminierten Keramiksubstrat 10 durchgeführt. Die Auswertungsergebnisse des Einzelbeispiels 2-2 sind „ausgezeichnet“ für die Frontfläche und „ausgezeichnet“ für die Rückfläche des laminierten Keramiksubstrats 10. Das heißt, der Abfall der Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 auf der Keramikplatte 20 des laminierten Keramiksubstrats 10 wurde im Vergleich zum Vergleichsbeispiel stark unterdrückt. Außerdem wird der Abfall der Bondierfestigkeit zwischen den Metallschichten 30 und 40 und der Keramikplatte 20 im Vergleich zum Einzelbeispiel 2-1 unterdrückt. Der Grund dafür ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Ohne der Theorie verpflichtet sein zu wollen, wird angenommen, dass dies auf die unten genannten Gründe zurückzuführen ist.
Wie in 19 dargestellt, wird auf dem laminierten Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 2-2 eine Spannung mit einem hohem Potenzial (positive Elektrode) und einem niedrigem Potenzial (negative Elektrode) an die Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung angelegt. Das laminierte Keramiksubstrat 10 weist die Zwischenschicht 50b mit einem auf der negativen Elektrodenseite angeordneten magnesium- und manganhaltigen Oxid 52b auf. Das bedeutet, dass in Teilen, wo die Zwischenschicht 50b auf der negativen Elektrodenseite ausgebildet ist, das Zirkoniumoxid 28 und das kupferhaltige Oxid 41 (Cu-O) sich nicht direkt berühren, was die Reduktion des kupferhaltigen Oxids 41 unterdrückt. Das heißt, die Zwischenschicht 50b blockiert die Reduktion des kupferhaltigen Oxids 41. Entsprechend verbleibt das kupferhaltige Oxid 41, ohne an Stellen zu Kupfer zu werden, wo die Zwischenschicht 50b ausgebildet wird. Da außerdem die Reduktion an der negativen Elektrode unterdrückt wird, werden weniger Sauerstoffionen produziert und eine übermäßige Oxidierung von Kupfer an der Grenze zwischen den Metallschichten 30 und der Keramikkarte 20 wird an der positiven Elektrodenseite ebenfalls unterdrückt. Da entsprechend die Zwischenschicht 50b, die das magnesium- und manganhaltige Oxid 52b umfasst, auf der negativen Elektrodenseite gebildet wird, wird die Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 mit der Keramikkarte 20 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 2 stark verbessert und ein Absinken der Hafteigenschaften wird unterdrückt. Da außerdem die Reduktion stärker als im Einzelbeispiel 2-1 und Einzelbeispiel 2-3, die später beschrieben werden, blockiert wurde, wird angenommen, dass das Absinken der Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 mit der Keramikplatte 20 im Vergleich zum Einzelbeispielen 2-1 und 2-3 weiter unterdrückt werden wird.
Magnesiumoxid 26 kann auch an Korngrenzen und Tripelpunkten vorliegen. Auf diese Weise werden die Wanderrouten der Sauerstoffionen an den Korngrenzen teilweise blockiert. Dies unterdrückt auch die Oxidations- und Reduktionsreaktionen an der positiven Elektrode und der negativen Elektrode. Das laminierte Keramiksubstrat 10 kann auch eine Zwischenschicht 50a mit dem magnesium- und manganhaltigen Oxid 52a auf der positiven Elektrodenseite aufweisen. Auf diese Weise berühren sich das Zirkoniumoxid 28 und das kupferhaltige Oxid 31 (Cu-O) nicht direkt an Teilen, wo die Zwischenschicht 50b auf der positiven Elektrodenseite ausgebildet wird, was die Oxidierung der Metallschichten 30 unterdrückt. Das heißt, die Zwischenschicht 50a blockiert die Oxidierung der Metallschichten 30. Auf diese Weise wird die Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 mit der Keramikkarte 20 weiter verbessert und ein Absinken der Hafteigenschaften wird unterdrückt.
Wie oben beschrieben, wird beim laminierten Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 2-2 ein Absinken der Haftfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 im Vergleich zum Einzelbeispiel 2-1 und Einzelbeispiel 2-3, die später beschrieben werden, weiter unterdrückt, und die Haftfestigkeit der Metallschicht 40 an der Keramikkarte 20 wird verbessert.
(Laminiertes Keramiksubstrat des Einzelbeispiels 2-3)
In Einzelbeispiel 2-3 wird ein Fall beschrieben, in dem die Keramikkarte 20 des laminierten Keramiksubstrats 10 ohne Auftragen von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a (des zweiten Ausführungsbeispiels) von 4 hergestellt wird und die Metallschichten 30 und 40 durch Nassoxidation hergestellt werden, wobei auf die 20 und 21 Bezug genommen wird. 20 ist eine schematische Schnittansicht eines laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-3) und 21 ist eine schematische Schnittansicht des laminierten Keramiksubstrats gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Einzelbeispiel 2-3) unter Hochspannung in einer Hochtemperaturumgebung. 20 zeigt schematisch einen mikroskopischen Zustand im Bereich, der in 2 durch die gestrichelte Linie umgeben wird. 21 zeigt schematisch einen mikroskopischen Zustand, wenn ein Hochspannung zwischen den Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung in 2 angelegt wird.
Wie in 20 dargestellt, wird das laminierte Keramiksubstrat 10 in Einzelbeispiel 2-3 durch Laminieren der Metallschicht 40, der Zwischenschicht 50b, der Keramikkarte 20, der Zwischenschicht 50a und der Metallschichten 30 in dieser Reihenfolge von unten aufgebaut.
Anders als in Einzelbeispielen 2-1 und 2-2 wird die Keramikkarte 20 ohne Anwenden von Magnesiumoxidpulver in Schritt S1a (des zweiten Ausführungsbeispiels) von 4 hergestellt. In derselben Weise wie in Einzelbeispiel 2-2 werden die Metallschichten 30 und 40 durch Nassoxidation in Schritt S1b von 4 hergestellt.
Die Keramikkarte 20 umfasst ein zweites Oxid, das siliziumhaltige Oxid 22 und Zirkoniumoxid 28 zwischen Teilchen aus Aluminiumoxid 21 (d.h. an den Korngrenzen und Tripelpunkten). Die Keramikkarte 20 kann zusätzlich Natriumoxid 23 umfassen. Anstelle von Zirkoniumoxid 28 kann die Keramikkarte 20 zirkoniumhaltiges Oxid aufweisen, beispielsweise teilweise stabilisiertes Zirkonia.
Die Metallschichten 30 und 40 sind mit Kupfer als Hauptbestandteil hergestellt. Die Zwischenschichten 50a und 50b umfassen jeweils Oxide 53a und 51, die Mangan als das erste Oxid enthalten. Die manganhaltigen Oxide 53a und 53b werden jeweils in großen Mengen in den Zwischenschichten 50a und 50b auf der Frontflächenseite und der Rückflächenseite der Keramikkarte 20 ausgebildet. Außerdem werden die kupferhaltigen Oxide 31 und 41 jeweils an den Grenzen zwischen den Metallschichten 30 und 40, der Keramikkarte 20 und den manganhaltigen Oxiden 53a und 53b gebildet.
Auf dem laminierten Keramiksubstrat 10 (vor der Zuverlässigkeitsprüfung) sinkt die Bondierfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40, wenn die Mengen der manganhaltigen Oxide 53a und 53b zu groß sind. Aus diesem Grund werden die Zwischenschichten 50a und 50b mit den manganhaltigen Oxiden 53a und 53b vorzugsweise so ausgebildet, dass sie 10% oder mehr und 80% oder weniger der Bindungsoberflächen zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30 und 40 abdecken, und besonders vorzugsweise 20% oder mehr und 50% oder weniger.
Eine Ablösefestigkeitsprüfung wurde ebenfalls mit dem laminierten Keramiksubstrat 10 durchgeführt. Die Auswertungsergebnisse des Einzelbeispiels 2-1 sind „ausgezeichnet“ für die Frontfläche und „sehr gut“ für die Rückfläche des laminierten Keramiksubstrats 10. Das heißt, der Abfall der Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 auf der Keramikplatte 20 des laminierten Keramiksubstrats 10 wurde im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 2 unterdrückt. Außerdem wurde der Abfall der Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 auf der Keramikplatte 20 im Vergleich zum Einzelbeispiel 2-1 unterdrückt. Der Grund dafür ist derzeit noch nicht vollständig geklärt. Ohne der Theorie verpflichtet sein zu wollen, wird angenommen, dass dies auf die unten genannten Gründe zurückzuführen ist.
Wie in 21 dargestellt, wird im laminierten Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 2-3 eine Spannung mit einem hohem Potenzial (positive Elektrode) und einem niedrigem Potenzial (negative Elektrode) an die Metallschichten 30 und 40 in einer Hochtemperaturumgebung angelegt. Das laminierte Keramiksubstrat 10 weist die Zwischenschicht 50b mit dem auf der negativen Elektrodenseite angeordneten manganhaltigen Oxid 53b auf. Das bedeutet, dass in Teilen, wo die Zwischenschicht 50b auf der negativen Elektrodenseite ausgebildet ist, das Zirkoniumoxid 28 und das kupferhaltige Oxid 41 (Cu-O) sich nicht direkt berühren, was die Reduktion des kupferhaltigen Oxids 41 unterdrückt. Das heißt, die Zwischenschicht 50b blockiert die Reduktion des kupferhaltigen Oxids 41. Entsprechend verbleibt das kupferhaltige Oxid 41, ohne an Stellen zu Kupfer zu werden, wo die Zwischenschicht 50b ausgebildet wird. Da außerdem die Reduktion an der negativen Elektrode unterdrückt wird, werden weniger Sauerstoffionen produziert und eine übermäßige Oxidierung von Kupfer an der Grenze zwischen den Metallschichten 30 und der Keramikkarte 20 wird an der positiven Elektrodenseite ebenfalls unterdrückt. Da entsprechend die Zwischenschicht 50b, die das manganhaltige Oxid 52b umfasst, auf der negativen Elektrodenseite gebildet wird, wird die Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 mit der Keramikkarte 20 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 2 stark verbessert und ein Absinken der Hafteigenschaften wird unterdrückt. Da außerdem die Reduktion stärker als im Einzelbeispiel 2-1 blockiert wurde, wird angenommen, dass das Absinken der Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 mit der Keramikplatte 20 im Vergleich zum Einzelbeispiel 2-1 weiter unterdrückt werden wird.
Das laminierte Keramiksubstrat 10 kann auch eine Zwischenschicht 50a mit dem manganhaltigen Oxid 53a auf der positiven Elektrodenseite aufweisen. Auf diese Weise berühren sich das Zirkoniumoxid 28 und das kupferhaltige Oxid 31 (Cu-O) nicht direkt an Teilen, wo die Zwischenschicht 50a auf der positiven Elektrodenseite ausgebildet wird, was die Oxidierung der Metallschichten 30 unterdrückt. Das heißt, die Zwischenschicht 50a blockiert die Oxidierung der Metallschichten 30. Auf diese Weise wird die Bondierfestigkeit der Metallschichten 30 und 40 mit der Keramikkarte 20 weiter verbessert und ein Absinken der Hafteigenschaften wird unterdrückt.
Wie oben beschrieben, wird beim laminierten Keramiksubstrat 10 des Einzelbeispiels 2-3 ein Absinken der Haftfestigkeit zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40 im Vergleich zum Einzelbeispiel 2-1 weiter unterdrückt, und die Haftfestigkeit der Metallschicht 40 an der Keramikkarte 20 wird verbessert.
Drittes Ausführungsbeispiel
Wie oben im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, wird in einem Fall, in dem eine der Metallplatten 30 und die Metallplatte 40 auf hohem Potenzial und die andere auf niedrigem Potenzial im laminierten Keramiksubstrat 10 angeordnet werden, eine Zwischenschicht zumindest zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallplatte gebildet, an die das niedrige Potenzial angelegt wird. Auf diese Weise wurde das Ablösen der Metallplatte (auf welcher die Zwischenschicht ausgebildet wurde) von der Keramikkarte 20 unterdrückt.
In diesem dritten Ausführungsbeispiel werden die in 1 bis 3 dargestellten Bereiche der Halbleitervorrichtung 1, in denen eine Zwischenschicht gebildet werden soll, anhand der Potenzialdifferenz beschrieben, die zwischen den Metallplatten 30 und 40 des laminierten Keramiksubstrats 10 erzeugt wird, wenn die Halbleitervorrichtung 1 betrieben und angehalten wird.
Zuerst wird die Situation beschrieben, wenn die Halbleitervorrichtung 1 angehalten wird. Wenn die Halbleitervorrichtung 1 angehalten wird, sind die in die Steuerelektroden 61a und 61b der Halbleiterchips 60a und 60b eingegebenen Steuersignale beide aus. Entsprechend werden das laminierte Keramiksubstrat 10, die Metallschichten 30a und 30b auf ein hohes Potenzial und die Metallschicht 30d auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Der Oberarmabschnitt A und der Unterarmabschnitt B sind zu diesem Zeitpunkt beide in einem sogenannten „angehaltenen Zustand“. Wenn die Halbleitervorrichtung 1 gestoppt wird, entspricht dies auch den später beschriebenen 22(A), 23(A) und 24(A).
Die Halbleitervorrichtung 1 im angetriebenen Zustand wird nun beschrieben. Wenn die Halbleitervorrichtung 1 angetrieben wird, ist das in die Steuerelektrode 61a des Halbleiterchips 60a eingegebene Steuersignal an und das in die Steuerelektrode 61b des Halbleiterchips 60b eingegebene Steuersignal ist aus. Entsprechend werden das laminierte Keramiksubstrat 10, die Metallschichten 30a, 30b und 30c auf ein hohes Potenzial und die Metallschicht 30d auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Der Oberarmabschnitt A ist zu diesem Zeitpunkt im sogenannten „angetriebenen Zustand“ und der Unterarmabschnitt B ist im sogenannten „angehaltenen Zustand“. Wenn die Halbleitervorrichtung 1 auf diese Weise angetrieben wird, entspricht dies den später beschriebenen 22(B), 23(B) und 24(B).
Wenn die Halbleitervorrichtung 1 auf eine andere Weise angetrieben wird, ist die Steuerelektrode 61a des Halbleiterchips 60a aus und die Steuerelektrode 61b des Halbleiterchips 60b ist an. Entsprechend werden das laminierte Keramiksubstrat 10, die Metallschichten 30a und 30b auf ein hohes Potenzial und die Metallschichten 30c und 30d auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Der Oberarmabschnitt A ist zu diesem Zeitpunkt im sogenannten „angehaltenen Zustand“ und der Unterarmabschnitt B ist im sogenannten „angetriebenen Zustand“. Wenn die Halbleitervorrichtung 1 auf diese Weise angetrieben wird, entspricht dies den später beschriebenen 22(C), 23(C) und 24(C).
Als nächstes werden Bereiche, wo die Zwischenschichten entsprechend der jeweiligen Potenziale der Metallplatten 30 und 40 des laminierten Keramiksubstrats 10 ausgebildet werden, unter Bezugnahme auf 22 bis 25 beschrieben. 22 ist eine Serie von Schaubildern, die nützlich zum Beschreiben von Bereichen sind, wo eine Zwischenschicht in einem laminierten Keramiksubstrat (wo die Rückflächen-Metallschicht auf einem niedrigen Potenzial ist) gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. 23 ist eine Serie von Schaubildern, die nützlich zum Beschreiben von Bereichen sind, wo eine Zwischenschicht im laminierten Keramiksubstrat (wo die Rückflächen-Metallschicht auf einem hohen Potenzial ist) gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. 24 ist eine Serie von Schaubildern, die nützlich zum Beschreiben von Bereichen sind, wo eine Zwischenschicht im laminierten Keramiksubstrat (wo eine Rückflächen-Metallschicht auf einem Schwebepotenzial ist) gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. 25 ist ein Schaubild, das nützlich zum Beschreiben von Bereichen ist, wo eine Zwischenschicht im laminierten Keramiksubstrat gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
Hierbei ist zu beachten, dass 22 bis 24 Vereinfachungen des laminierten Keramiksubstrats 10, der Halbleiterchips 60a und 60b und der externen Anschlussklemmen 71 bis 75 in 2 darstellen. In diesen Zeichnungen weisen nur beschriebene Bestandteile Bezugszeichen auf. 22(A), 23(A) und 24(A) entsprechen einem Fall, in dem der Oberarmabschnitt A und der Unterarmabschnitt B im angehaltenen Zustand sind. 22(B), 23(B) und 24(B) entsprechen einem Fall, in dem der Oberarmabschnitt A im angetrieben Zustand ist und der Unterarmabschnitt B im angehaltenen Zustand ist. 22(C), 23(C) und 24(C) entsprechen einem Fall, in dem der Oberarmabschnitt A im angehaltenen Zustand ist und der Unterarmabschnitt B im angetrieben Zustand ist. 22(D), 23(D) und 24(D) zeigen jeweils Bereiche, wo eine Zwischenschicht ausgebildet ist.
Ein Fall, in dem die Metallschicht 40, welche die Metallschicht auf der Rückfläche des laminierten Keramiksubstrats 10 ist, auf einem niedrigen Potenzial ist wird unter Bezugnahme auf 22 beschrieben. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Oberarmabschnitt A und der Unterarmabschnitt B wie in 22(A) dargestellt im angehaltenen Zustand sind, werden die Metallschicht 30a und 30b auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschicht 30d auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Die Metallschicht 30c hat ein Schwebepotenzial. Eine Potenzialdifferenz wird in der Keramikkarte 20 zwischen den Hochspannungsmetallschichten 30a und 30b und der Niederspannungsmetallschicht 40 erzeugt (d.h. in den durch die gestrichelten Linien angezeigten Bereichen P1 und P2) Das bedeutet, dass es denkbar ist, dass das Ablösen zwischen der Keramikkarte 20 im Bereich P1 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30a zugewandt ist, auftritt. Es ist auch denkbar, dass das Ablösen zwischen der Keramikkarte 20 im Bereich P2 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30b zugewandt ist, auftritt.
Wenn als nächstes wie in 22(B) dargestellt der Oberarmabschnitt A im angetriebenen Zustand ist und der Unterarmabschnitt B im angehaltenen Zustand ist, werden die Metallschichten 30a, 30b und 30c auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschicht 30d auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Eine Potenzialdifferenz wird in der Keramikkarte 20 zwischen den Hochspannungsmetallschichten 30a, 30b und 30c und der Niederspannungsmetallschicht 40 erzeugt (d.h. in den durch die gestrichelten Linien angezeigten Bereichen P1 bis P3) Das bedeutet, dass es denkbar ist, dass das Ablösen zwischen der Keramikkarte 20 im Bereich P1 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30a zugewandt ist, auftritt. Es ist auch denkbar, dass das Ablösen zwischen der Keramikkarte 20 im Bereich P2 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30b zugewandt ist, auftritt. Es ist auch denkbar, dass das Ablösen zwischen der Keramikkarte 20 im Bereich P3 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30c zugewandt ist, auftritt.
Wenn als nächstes wie in 22(C) dargestellt der Oberarmabschnitt A in einem angehaltenen Zustand ist und der Unterarmabschnitt B in einem angetriebenen Zustand ist, werden die Metallschichten 30a und 30b auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschichten 30c und 30d werden auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Eine Potenzialdifferenz wird in der Keramikkarte 20 zwischen den Hochspannungsmetallschichten 30a und 30b und der Niederspannungsmetallschicht 40 erzeugt (d.h. in den durch die gestrichelten Linien angezeigten Bereichen P1 und P2) Das bedeutet, es ist denkbar, dass das Ablösen zwischen der Keramikkarte 20 im Bereich P1 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30a zugewandt ist, auftritt. Es ist auch denkbar, dass das Ablösen zwischen der Keramikkarte 20 im Bereich P2 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30b zugewandt ist, auftritt.
In den oben beschriebenen 22(A) bis 22(C) werden Zwischenschichten in den in 22(D) dargestellten L1- bis L3-Bereichen ausgebildet, auf Grundlage der Potenzialdifferenzen, die während dem angehaltenen Zustand und dem angetriebenen Zustand der Halbleitervorrichtung 1 erzeugt werden. Der L1-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30d zugewandt ist. Der L2-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30b zugewandt ist. Der L3-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30c zugewandt ist. Insbesondere wie in 22(A) bis 22(C) dargestellt wird angenommen, dass Potenzialdifferenzen oft zwischen der Keramikkarte 20 und den Bereichen der Metallschicht 40, die den Metallschichten 30a und 30b zugewandt ist, auftreten. Aus diesem Grund werden mindestens in den L1- und L2-Bereichen Zwischenschichten ausgebildet.
Ein Fall, in dem die Metallschicht 40, welche die Metallschicht auf der Rückfläche des laminierten Keramiksubstrats 10 ist, auf ein hohes Potenzial gesetzt wird, wird nun unter Bezugnahme auf 23 beschrieben. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Oberarmabschnitt A und der Unterarmabschnitt B wie in 23(A) dargestellt im angehaltenen Zustand sind, werden die Metallschicht 30a und 30b auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschicht 30d auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Die Metallschicht 30c wird ein Schwebepotenzial. Eine Potenzialdifferenz wird in der Keramikkarte 20 zwischen der Niederspannungsmetallschicht 30d und der Hochspannungsmetallschicht 40 erzeugt (d.h. in einem durch die gestrichelte Linie angezeigten Bereich P4) Das bedeutet, dass es denkbar ist, dass das Ablösen der Metallschicht 30d zwischen der Keramikkarte und der Metallschicht 30d im P4-Bereich auftritt.
Wenn als nächstes wie in 23(B) dargestellt der Oberarmabschnitt A im angetriebenen Zustand ist und der Unterarmabschnitt B im angehaltenen Zustand ist, werden die Metallschichten 30a, 30b und 30c auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschicht 30d auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Eine Potenzialdifferenz wird in der Keramikkarte 20 zwischen der Niederspannungsmetallschicht 30d und der Hochspannungsmetallschicht 40 erzeugt (d.h. in einem durch die gestrichelte Linie angezeigten Bereich P4) Das bedeutet, dass es denkbar ist, dass das Ablösen der Metallschicht 30d zwischen der Keramikkarte und der Metallschicht 30d im P4-Bereich auftritt.
Wenn als nächstes wie in 23(C) dargestellt der Oberarmabschnitt A im angehaltenen Zustand ist und der Unterarmabschnitt B im angetriebenen Zustand ist, werden die Metallschichten 30a und 30b auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschichten 30c und 30d werden auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Eine Potenzialdifferenz wird in der Keramikkarte 20 zwischen den Niederspannungsmetallschichten 30c und 30d und der Hochspannungsmetallschicht 40 erzeugt (d.h. in den durch die gestrichelten Linien angezeigten Bereichen P3 und P4) Das bedeutet, dass es denkbar ist, dass das Ablösen der Metallschicht 30c zwischen der Keramikkarte und der Metallschicht 30c im P3-Bereich auftritt. Es ist auch denkbar, dass das Ablösen der Metallschicht 30d zwischen der Keramikkarte und der Metallschicht 30d im P4-Bereich auftritt.
In den oben beschriebenen 23(A) bis 23(C) wird eine Zwischenschicht in den in 23(D) dargestellten L4- bis L5-Bereichen ausgebildet, auf Grundlage der Potenzialdifferenzen, die im angehaltenen Zustand und dem angetriebenen Zustand der Halbleitervorrichtung 1 erzeugt werden. Der L4-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 30c. Der L5-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 30c. Insbesondere wie in 23(A) bis 23(C) dargestellt wird angenommen, dass Potenzialdifferenzen oft zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 30d auftreten. Aus diesem Grund ist mindestens im L5-Bereich eine Zwischenschicht ausgebildet.
Ein Fall, in dem die Metallschicht 40, welche die Metallschicht auf der Rückfläche des laminierten Keramiksubstrats 10 ist, auf ein Schwebepotenzial gesetzt wird, wird nun unter Bezugnahme auf 24 beschrieben. Dies entspricht dem Fall, wenn kein Potenzial an die Metallschicht 40 angelegt wird in einem Zustand, in dem die Halbleitervorrichtung 1 nicht angetrieben wird. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Oberarmabschnitt A und der Unterarmabschnitt B wie in 24(A) dargestellt im angehaltenen Zustand sind, werden die Metallschicht 30a und 30b auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschicht 30d auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt hat die Metallschicht 40, d.h. die Metallschicht auf der Rückfläche, ein Potenzial, das dem Verhältnis der Flächen mit den unterschiedlichen Potenzialen auf der Frontfläche entspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fläche mit hohem Potenzial groß im Vergleich zur Fläche mit niedrigem Potenzial (siehe 1). Das heißt, die Metallschicht 40 hat ein Potenzial, das näher am hohen Potenzial als am niedrigen Potenzial ist. Dementsprechend entsteht in der Keramikkarte 20 eine Potenzialdifferenz zwischen der Metallschicht 30d mit niedrigerem Potenzial und der Metallplatte 40 (der durch die gestrichelte Linie gekennzeichnete Bereich P4). Das bedeutet, dass es denkbar ist, dass das Ablösen der Metallschicht 30d zwischen der Keramikkarte und der Metallschicht 30d im P4-Bereich auftritt.
Wenn als nächstes wie in 24(B) dargestellt der Oberarmabschnitt A im angetriebenen Zustand ist und der Unterarmabschnitt B im angehaltenen Zustand ist, werden die Metallschichten 30a, 30b und 30c auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschicht 30d auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt hat die Metallschicht 40, d.h. die Metallschicht auf der Rückfläche, ein Potenzial, das dem Verhältnis der Flächen mit den unterschiedlichen Potenzialen auf der Frontfläche entspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fläche mit hohem Potenzial ziemlich groß im Vergleich zur Fläche mit niedrigem Potenzial (siehe 1). Das heißt, an die Metallschicht 40 wird ein Potenzial angelegt, das im Wesentlichen gleich dem hohen Potenzial ist. Entsprechend wird die Metallzunahmeschicht 40 auf im Wesentlichen dasselbe Potenzial wie die Metallschichten 30a, 30b und 30c gesetzt. In der Keramikkarte 20 wird eine Potenzialdifferenz zwischen der Niederspannungsmetallschicht 30d und der Metallschicht 40 mit dem hohen Potenzial (der durch die gestrichelte Linie gekennzeichnete Bereich P4) erzeugt. Das bedeutet, dass es denkbar ist, dass das Ablösen der Metallschicht 30d zwischen der Keramikkarte und der Metallschicht 30d im P4-Bereich auftritt.
Wenn als nächstes wie in 24(C) dargestellt der Oberarmabschnitt A im angehaltenen Zustand ist und der Unterarmabschnitt B im angetriebenen Zustand ist, werden die Metallschichten 30a und 30b auf ein hohes Potenzial gesetzt und die Metallschichten 30c und 30d werden auf ein niedriges Potenzial gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt hat die Metallschicht 40, d.h. die Metallschicht auf der Rückfläche, ein Potenzial, das dem Verhältnis der Flächen mit den unterschiedlichen Potenzialen auf der Frontfläche entspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fläche mit hohem Potenzial im Wesentlichen gleich groß wie die Fläche mit niedrigem Potenzial (siehe 1). Aus diesem Grund wird an die Metallschicht 40 ein Potenzial angelegt, das im Wesentlichen in der Mitte des hohen Potenzials und des niedrigen Potenzials ist. In der Keramikkarte 20 entsteht zwischen den Hochspannungsmetallschichten 30a und 30b und der Metallschicht 40 (die durch die gestrichelten Linien angedeuteten Bereiche P1 und P2) eine Potenzialdifferenz von der Hälfte der Differenz zwischen dem hohen Potenzial und dem niedrigen Potenzial . Außerdem entsteht zwischen den Niederspannungsmetallschichten 30c und 30d und der Metallschicht 40 (die durch die gestrichelten Linien angedeuteten Bereiche P3 und P4) eine Potenzialdifferenz von der Hälfte der Differenz zwischen dem hohen Potenzial und dem niedrigen Potenzial . Das bedeutet, dass es denkbar ist, dass das Ablösen zwischen der Metallschicht 40 und der Keramikkarte 20 in den P1- und P2-Bereichen auftritt. Es ist auch denkbar, dass das Ablösen zwischen den Metallschichten 30c und 30d und der Keramikkarte 20 in den P3- und P4-Bereichen auftritt.
Die Zwischenschichten werden in den in 24(D) dargestellten Bereichen L1, L2 und L5 auf der Grundlage der Potenzialdifferenzen gebildet, die auftreten, wenn die Halbleitervorrichtung 1 in 24(A) bis 24(C) angehalten und angesteuert wird. Der L1-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30d zugewandt ist. Der L2-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30b zugewandt ist. Der L5-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 30d. Insbesondere wie in 24(A) bis 24(C) dargestellt wird angenommen, dass Potenzialdifferenzen oft zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 30d auftreten. Aus diesem Grund ist mindestens im L5-Bereich eine Zwischenschicht ausgebildet.
In Anbetracht der oben beschriebenen 22(D), 23(D) und 24(D) weist das laminierte Keramiksubstrat 10 Zwischenschichten auf, die in den durch gestrichelte Linien in 25 gekennzeichneten Bereichen L1 bis L5 gebildet werden. Der L1-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30d zugewandt ist. Der L2-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30b zugewandt ist. Der L3-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30c zugewandt ist. Der L4-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 30c. Der L5-Bereich ist die Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und der Metallschicht 30d. Unter Berücksichtigung der Häufigkeit des Auftretens von Potenzialdifferenzen in 22 bis 24 werden zumindest im L1-Bereich, im L2-Bereich und im L5-Bereich Zwischenschichten gebildet.
Andererseits wird keine Zwischenschicht an der Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und den Metallschichten 30a und 30b benötigt. Eine Zwischenschicht wird auch nicht an der Grenze zwischen der Keramikkarte 20 und dem Bereich der Metallschicht 40, die der Metallschicht 30d zugewandt ist, benötigt.
Die obige Beschreibung illustriert lediglich die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Für den Fachmann gibt es eine große Anzahl von Änderungen und Modifikationen, und die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebene und illustrierte Konstruktion und Anwendung beschränkt. Alle entsprechenden Abwandlungen und Äquivalente sind als in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallend zu betrachten, wie er durch die beigefügten Patentansprüche und ihre Äquivalente definiert ist. Als ein Beispiel kann die Keramikkarte 20 aus einer Keramik als Hauptbestandteil gefertigt werden, die elektrisch isolierend ist und günstige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Solche Keramik ist nicht auf Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid beschränkt. Beispielsweise kann der Hauptbestandteil Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) sein. Außerdem kann Zirkoniumoxid zusätzlich zu solchem Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid hinzugefügt werden. Die Keramikkarte 20 kann auch Korngrenzenmaterialien umfassen, die an den Korngrenzen und Tripelpunkten der Keramikteilchen ausgebildet sind. Beispielsweise können solche Korngrenzenmaterialien aluminiumhaltige und/oder siliziumhaltige Oxide (die zweiten Oxide) umfassen.
Bezugszeichenliste

1: Halbleitervorrichtung
10: laminiertes Keramiksubstrat
20: Keramikkarte
21: Aluminiumoxid
22: siliziumhaltiges Oxid
23: Natriumoxid
24: Natriumionen
25: Sauerstoffionen
26: Magnesiumoxid
27: Manganoxid
30, 30a bis 30f: Metallschicht (Hochspannungsmetallschicht)
35: Bondierelement
31, 41: kupferhaltiges Oxid
40: Metallschicht (Niederspannungsmetallschicht)
50a, 50b: Zwischenschicht
51a, 51b: magnesiumhaltiges Oxid
52a, 52b: magnesium- und manganhaltiges Oxid
53a, 53b: manganhaltiges Oxid
60a, 60b, 65a, 65b: Halbleiterchip
61a, 61b: Steuerelektrode
62a, 62b: Ausgangselektrode
66a, 66b: Eingangselektrode
71 bis 75: externe Anschlussklemme
80a bis 80e: Bondierdraht
81 bis 85: Verdrahtung
90: Gehäuse
91: Verkapselungselement
92: Wärmeableitungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017147327 [0003]

Claims

Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Halbleiterchip: ein Bondierelement; und ein plattenartiges laminiertes Substrat mit einer Frontfläche und einer Rückfläche auf einer gegenüberliegenden Seite der Frontfläche, wobei der Halbleiterchip über ein Bondierelement auf die Frontfläche bondiert ist, wobei das laminierte Halbleitersubstrat umfasst: eine plattenartige Keramikkarte mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche auf einer gegenüberliegenden der ersten Hauptoberfläche, und die eine Vielzahl von Keramikteilchen umfasst; eine Hochspannungsmetallschicht, die Kupfer enthält und auf die erste Hauptoberfläche bondiert ist; eine Niederspannungsmetallschicht, die Kupfer enthält, auf die zweite Hauptoberfläche bondiert ist und ein niedrigeres Potenzial aufweist als die erste Hauptoberfläche; und eine Zwischenschicht, die zwischen der zweiten Hauptoberfläche und der Niederspannungsmetallschicht ausgebildet ist und ein erstes Oxid umfasst, das Magnesium oder Mangan enthält.
(Hinzugefügt) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Oxid sowohl die erste Hauptoberfläche als auch die Niederspannungsmetallschicht berührt.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste Hauptoberfläche eine Frontfläche des laminierten Substrats ist, die zweite Hauptoberfläche eine Rückfläche des laminierten Substrats ist, und der Halbleiterchip elektrisch mit der Hochspannungsmetallschicht verbunden ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste Hauptoberfläche eine Rückfläche des laminierten Substrats ist, die zweite Hauptoberfläche eine Frontfläche des laminierten Substrats ist, und der Halbleiterchip elektrisch mit der Niederspannungsmetallschicht verbunden ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Keramikkarte und die Zwischenschicht mindestens umfassen: 0,1 Gewichtsprozent oder mehr und 1,5 Gewichtsprozent oder weniger Magnesium in Einheiten von Oxidäquivalenten, oder 0,01 Gewichtsprozent oder mehr und 0,15 Gewichtsprozent oder weniger Mangan in Einheiten von Oxidäquivalenten.
(Hinzugefügt) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Oxid an einem Teil einer Schnittstelle zwischen der zweite Hauptoberfläche und der Niederspannungsmetallschicht ausgebildet ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Zwischenschicht 10% oder mehr und 80% oder weniger der zweiten Hauptoberfläche bedeckt.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vielzahl von Keramikteilchen und das erste Oxid jeweils auf einer Bindungsoberfläche zwischen der Keramikkarte und der Niederspannungsmetallschicht angeordnet sind, und das erste Oxid an der Bindungsoberfläche ferner zwischen der Vielzahl von Keramikteilchen auf der der zweiten Hauptoberflächenseite angeordnet ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das erste Oxid in großer Menge auf der zweiten Hauptoberflächenseite der Zwischenschicht ausgebildet ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Oxid ferner ein aluminiumhaltiges Oxid umfasst.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Oxid eines der folgenden Bestandteile enthält: MgO, MnO, (Mg,Mn)O, und (Mg,Mn)Mn₂O₄.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, wobei das erste Oxid ein aluminiumhaltiges Spinell-Kristallsystem umfasst.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Keramikkarte ferner ein zweites Oxid umfasst, das Silizium an mindestens einer der Korngrenzen oder Dreifachpunkte der Vielzahl von Keramikteilchen enthält.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Gehalt des Siliziums in der Keramikkarte mindestens 0,01 Gewichtsprozent oder mehr und 3,0 Gewichtsprozent oder weniger in Einheiten von Oxidäquivalenten beträgt.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Gehalt von Silizium in der Keramikkarte mindestens 1,0 Gewichtsprozent oder mehr und 3,0 Gewichtsprozent oder weniger in Einheiten von Oxidäquivalenten beträgt.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das laminierte Substrat umfasst: magnesiumhaltiges Oxid und 10 Gewichtsprozent oder mehr und 50 Gewichtsprozent oder weniger Magnesium in Einheiten von Magnesiumoxid (MgO)-Äquivalenten in Bezug auf einen Gehalt von Silizium in Einheiten von Siliziumoxid (SiO₂)-Äquivalenten enthält; oder manganhaltiges Oxid und 1,0 Gewichtsprozent oder mehr und 5,0 Gewichtsprozent oder weniger Mangan in Einheiten von Manganoxid (MnO)-Äquivalenten in Bezug auf einen Gehalt von Silizium in Einheiten von Siliziumoxid (SiO₂)-Äquivalenten enthält.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Keramikkarte ferner das zweite Oxid umfasst, das Natriumoxid an mindestens einer der Korngrenzen oder Dreifachpunkte der Vielzahl von Keramikteilchen enthält, und ein Gehalt des Natriumoxids in der Keramikkarte 0,001 Gewichtsprozent oder mehr und 0,2 Gewichtsprozent oder weniger in Einheiten von Oxidäquivalenten beträgt.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Vielzahl von Keramikteilchen Aluminiumoxid enthalten.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, wobei ein Gehalt des Aluminiumoxids in der Keramikkarte 90 Gewichtsprozent oder mehr und 99 Gewichtsprozent oder weniger beträgt.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, wobei die Keramikkarte ferner zirkoniumhaltiges Oxid an mindestens einer der Korngrenzen oder Dreifachpunkte der Vielzahl von Keramikteilchen enthält.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, wobei die Keramikkarte ferner zirkoniumhaltiges und yttriumhaltiges Oxid an mindestens einer der Korngrenzen oder Dreifachpunkte der Vielzahl von Keramikteilchen enthält.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei ein Gehalt des Zirkoniumoxids in der Keramikkarte 5,0 Gewichtsprozent oder mehr und 20,0 Gewichtsprozent oder weniger in Einheiten von Oxidäquivalenten beträgt.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei das zirkoniumhaltige und yttriumhaltige Oxid 2.5 Molprozent oder mehr und 3.5 Molprozent oder weniger Yttrium in Einheiten von Yttriumoxid (Y₂O₃)-Äquivalenten in Bezug auf das Zirkonium in Einheiten von Zirkoniumoxid (ZrO₂)-Äquivalenten enthält.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei das laminierte Substrat ein magnesiumhaltiges Oxid umfasst und 2,0 Gewichtsprozent oder mehr und 20,0 Gewichtsprozent oder weniger Magnesium in Einheiten von Magnesiumoxid (MgO)-Äquivalenten in Bezug auf das Zirkonium in Einheiten von Zirkoniumoxid (ZrO₂)-Äquivalenten enthält.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei das laminierte Substrat ein manganhaltiges Oxid umfasst und 0,05 Gewichtsprozent oder mehr und 2,0 Gewichtsprozent oder weniger Mangan in Einheiten von Manganoxid (MnO)-Äquivalenten in Bezug auf das Zirkonium in Einheiten von Zirkoniumoxid (ZrO₂)-Äquivalenten enthält.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Halbleiterchip einen ersten Halbleiterchip und einen zweiten Halbleiterchip umfasst, die Hochspannungsmetallschicht umfasst: eine positive Elektrodenmetallschicht, mit der ein Pluspol verbunden ist; eine Chipmetallschicht, auf die der erste Halbleiterchip bondiert ist; eine Ausgangsmetallschicht, auf die der zweite Halbleiterchip bondiert ist, und mit der eine Ausgangsklemme verbunden ist; und eine negative Elektrodenmetallschicht, mit der ein Minuspol verbunden ist, und wobei die Zwischenschicht in einem Bereich der zweiten Hauptoberfläche enthalten ist, die der positiven Elektrodenmetallschicht zugewandt ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Zwischenschicht ferner in einem Bereich der zweiten Hauptoberfläche enthalten ist, die der Chipmetallschicht zugewandt ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Halbleiterchip einen ersten Halbleiterchip und einen zweiten Halbleiterchip umfasst, die Niederspannungsmetallschicht umfasst: eine positive Elektrodenmetallschicht, mit der ein Pluspol verbunden ist; eine Chipmetallschicht, auf die der erste Halbleiterchip bondiert ist; eine Ausgangsmetallschicht, auf die der zweite Halbleiterchip bondiert ist, und mit der eine Ausgangsklemme verbunden ist; und eine negative Elektrodenmetallschicht, mit der ein Minuspol verbunden ist, und wobei die Zwischenschicht in einem Bereich der zweiten Hauptoberfläche enthalten ist, welcher der negativen Elektrodenmetallschicht zugewandt ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Zwischenschicht ferner in einem Bereich der zweiten Hauptoberfläche enthalten ist, die der Ausgangsmetallschicht zugewandt ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste Hauptoberfläche eine Frontfläche des laminierten Substrats ist, die zweite Hauptoberfläche eine Rückfläche des laminierten Substrats ist, die Niederspannungsmetallschicht auf einem Schwebepotenzial liegt, und der Halbleiterchip elektrisch mit der Hochspannungsmetallschicht verbunden ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 30, wobei der Halbleiterchip einen ersten Halbleiterchip und einen zweiten Halbleiterchip umfasst, die Hochspannungsmetallschicht umfasst: eine positive Elektrodenmetallschicht, mit der ein Pluspol verbunden ist; eine Chipmetallschicht, auf die der erste Halbleiterchip bondiert ist; eine Ausgangsmetallschicht, auf die der zweite Halbleiterchip bondiert ist, und mit der eine Ausgangsklemme verbunden ist; und eine negative Elektrodenmetallschicht, mit der ein Minuspol verbunden ist, und wobei die Zwischenschicht in einem Bereich der ersten Hauptoberfläche enthalten ist, die der negativen Elektrodenmetallschicht zugewandt ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Zwischenschicht ferner in Bereichen der zweiten Hauptoberfläche enthalten ist, die der positiven Elektrodenmetallschicht und der Chipmetallschicht zugewandt sind.
(Geändert) Halbleitervorrichtung, umfassend: einen ersten Halbleiterchip und einen zweiten Halbleiterchip; ein Bondierelement; und ein plattenartiges laminiertes Substrat mit einer Frontfläche und einer Rückfläche auf einer gegenüberliegenden Seite der Frontfläche, und den ersten Halbleiterchip und den zweiten Halbleiterchip aufweist, die über ein Bondierelement auf die Frontfläche bondiert sind, wobei das laminierte Halbleitersubstrat umfasst: eine plattenartige Keramikkarte mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche auf einer gegenüberliegenden der ersten Hauptoberfläche, und die eine Vielzahl von Keramikteilchen umfasst; eine erste Metallschicht, die Kupfer enthält und auf die erste Hauptoberfläche bondiert ist; eine zweite Metallschicht, die Kupfer enthält und auf die zweite Hauptoberfläche bondiert ist; und eine Zwischenschicht, die ein erstes Oxid umfasst, das Magnesium und Mangan enthält, die erste Metallschicht umfasst: eine positive Elektrodenmetallschicht, mit der ein Pluspol verbunden ist; eine Chipmetallschicht, auf die der erste Halbleiterchip bondiert ist; eine Ausgangsmetallschicht, auf die der zweite Halbleiterchip bondiert ist, und mit der eine Ausgangsklemme verbunden ist; und eine negative Elektrodenmetallschicht, mit der ein Minuspol verbunden ist, und wobei die Zwischenschicht in Bereichen der zweiten Hauptoberfläche, welche der positiven Elektrodenmetallschicht und der Chipmetallschicht zugewandt ist, und einem Bereich der ersten Hauptoberfläche, welcher der negativen Elektrodenmetallschicht zugewandt ist, umfasst ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Zwischenschicht ferner in einem Bereich der zweiten Hauptoberfläche, welcher der Ausgangsmetallschicht zugewandt ist, und einem Bereich der ersten Hauptoberfläche, welcher der Ausgangsmetallschicht zugewandt ist, umfasst ist.
(Geändert) Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Halbleiterchip: ein Bondierelement; und ein plattenartiges laminiertes Substrat mit einer Frontfläche und einer Rückfläche auf einer gegenüberliegenden Seite der Frontfläche, wobei der Halbleiterchip über ein Bondierelement auf die Frontfläche bondiert ist, wobei das laminierte Halbleitersubstrat umfasst: eine Keramikkarte, die Keramikteilchen, ein erstes magnesiumhaltiges Oxid und ein zweites siliziumhaltiges Oxid umfasst, wobei 10 Gewichtsprozent oder mehr oder 50 Gewichtsprozent oder weniger des ersten Oxids in Einheiten eines Gehalts des zweiten Oxids enthalten sind; und eine mit einer Hauptoberfläche der Keramikkarte bondierte Metallschicht.
(Geändert) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 35, wobei die Keramikkarte ferner Siliziumoxid mit einem Gehalt von 0,001 Gewichtsprozent oder mehr und 0,2 Gewichtsprozent oder weniger in Einheiten des Natriumoxidäquivalents umfasst.
(Hinzugefügt) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 36, wobei die Konzentration von Natriumoxid auf der zweiten Hauptoberflächenseite höher ist als auf der ersten Hauptoberflächenseite.
(Geändert) Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Halbleiterchip: ein Bondierelement; und ein plattenartiges laminiertes Substrat mit einer Frontfläche und einer Rückfläche auf einer gegenüberliegenden Seite der Frontfläche, wobei der Halbleiterchip über ein Bondierelement auf die Frontfläche bondiert ist, wobei das laminierte Halbleitersubstrat umfasst: eine Keramikkarte, die Keramikteilchen enthält; eine mit einer Hauptoberfläche der Keramikkarte bondierte Metallschicht; und eine Zwischenschicht, die zwischen der Hauptoberfläche und der Metallschicht ausgebildet ist und ein erstes manganhaltiges Oxid enthält.
(Hinzugefügt) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 38, wobei die Keramikkarte ferner ein zweites Oxid umfasst, das Silizium an mindestens einer der Korngrenzen oder Dreifachpunkte der Vielzahl von Keramikteilchen enthält, und ein Gehalt von Mangan in Einheiten von Manganoxidäquivalenten 0,1 Gewichtsprozent oder mehr und 5,0 Gewichtsprozent oder weniger beträgt in Bezug auf einen Gehalt von Silizium in Einheiten von Siliziumoxidäquivalenten.
(Hinzugefügt) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 38, wobei die Keramikkarte ferner ein zweites Oxid umfasst, das Silizium an mindestens einer der Korngrenzen oder Dreifachpunkte der Vielzahl von Keramikteilchen enthält, und ein Gehalt von Mangan in Einheiten von Manganoxidäquivalenten 0,05 Gewichtsprozent oder mehr und 2 Gewichtsprozent oder weniger beträgt in Bezug auf einen Gehalt von Zirkonium in Einheiten von Zirkoniumoxidäquivalenten.
(Hinzugefügt) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 38, wobei das erste Oxid ferner Magnesium umfasst und wobei die Keramikkarte und die Zwischenschicht umfassen: 0,1 Gewichtsprozent oder mehr und 1,5 Gewichtsprozent oder weniger Magnesium in Einheiten von Oxidäquivalenten, oder 0,01 Gewichtsprozent oder mehr und 0,15 Gewichtsprozent oder weniger Mangan in Einheiten von Oxidäquivalenten.