專利名稱：用于半導體和功率模件的絕緣襯底板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體和功率模件的絕緣襯底板，尤其涉及具有高熱循環(huán)抵抗力的金屬-陶瓷電路襯底板，它適用于功率模件這樣的高功率電子零件的安裝，以及具有這種絕緣襯底板的功率模件。
通常進行所謂熱循環(huán)測試是為了知道襯底板的穩(wěn)定性和耐久性。在這樣的熱循環(huán)測試中，通過使襯底板的溫度短時間內(nèi)在可能的最高溫度和可能的最低溫度之間改變，對襯底板應(yīng)用熱沖擊，襯底板的任何破壞都得到調(diào)查。通常，應(yīng)用于機動車或電汽車的襯底板要求承受1000次熱循環(huán)測試。


圖1顯示了通常的功率模件的剖面圖。功率模件具有依次堆積的半導體觸點1，釬焊材料層(brazing material layer)4，金屬層3，陶瓷襯底板2作為絕緣襯底板，金屬層5，釬焊材料層6和金屬底座7。附注數(shù)字8代表形成于金屬層3和5以及金屬底板7之上的極板層。圖1中半導體觸點之間的布線省略了。
通常認為由與鋁極板連著的陶瓷襯底板組成的絕緣襯底板適合于這樣的功率模件，它具有能在機動車或電動車中使用的高穩(wěn)定性。通常，如果由金屬和陶瓷組成的絕緣襯底板遭受上面提到的熱循環(huán)試驗，在金屬和陶瓷之間的底表面上產(chǎn)生應(yīng)力，因為金屬與陶瓷的熱膨脹系數(shù)是不同的，以致于陶瓷襯底板最終破裂。然而，如果金屬是鋁，與銅比起來，熱循環(huán)的評價能得到顯著的加強，因為鋁是可變形的以致減少了作用于陶瓷上的壓力。
迄今為止，已經(jīng)提出各種辦法來焊接鋁板板和陶瓷襯底板，此襯底板使用如日本未經(jīng)審查的實用新型公布第57945/1991號和日本未經(jīng)審查的實用新型公布第68448/1990號所示的釬焊材料。在這些方法中，通過使用Al-Si系列或Al-Ge系列的釬焊材料，鋁極板與氮化鋁板或鋁板焊接。公布于1976年的美國專利號3,994,430，顯示了硅作為鋁粘合輔助的用途。
此外，日本未經(jīng)審查的專利公布第193358/1995號和第276035/1955號透露了這一方法熔化態(tài)的鋁與氮化鋁襯底板或鋁襯底板接觸，鋁凝結(jié)以致于鋁直接與襯底板焊接。
通過使用釬焊材料使半導體觸點與鋁焊接，由鋁和陶瓷組成的絕緣襯底板用于功率模件。在這樣的情況下，鋁與半導體觸點保留在陶瓷和釬焊材料之間，所以，鋁必須有孔用來保護陶瓷并具有容納釬焊材料和半導體觸點的功能。因此，需要不很受熱沖擊影響的絕緣襯底板。特別地，因為熱沖擊，在鋁或者引線焊料的釬焊材料中或在釬焊材料和鋁之間的交界表面中形成裂縫，功率模件的熱轉(zhuǎn)移能力顯著減小，以致于半導體溫度升高并最終破裂。
本發(fā)明的發(fā)明者做了各種研究，發(fā)現(xiàn)以上的目標能夠通過設(shè)置鋁-陶瓷絕緣襯底板中鋁的硬度在一個預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)得到解決。
特別地，發(fā)明者找到了絕緣襯底板的鋁的硬度范圍，在它之內(nèi)，陶瓷在熱沖擊中防護良好并且釬焊材料中沒有裂縫形成。上述范圍即在維氏硬度里不低于25且不高于40。如果維氏硬度不高于25，陶瓷在熱沖擊中防護良好，然而，鋁變形很大，并且當重復進行熱沖擊的時候在釬焊材料中容易形成裂縫。如果維氏硬度不低于40，當重復進行熱沖擊的時候，在陶瓷中容易形成裂縫，因為鋁幾乎不變形并且熱應(yīng)力幾乎不被吸收。
為了實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定范圍的以上硬度，在鋁中加入另一種金屬元素如硅就足夠了。硅是合適的，因為它在鋁中容易擴散并且形成低溫下的共晶。為了實現(xiàn)不低于25且不高于40的維氏硬度，需要硅的重量百分比不低于0.2％且不高于5％。有可能進一步加入Mn，Mg或類似金屬。
根據(jù)本發(fā)明用于半導體的絕緣襯底板，其特征在于包含陶瓷襯底板和主要由形成在陶瓷襯底板的至少一個表面部分上的鋁組成的金屬合金層，其中金屬合金層的維氏硬度不低于25且不高于40。
根據(jù)本發(fā)明的功率模件，其特征在于包含金屬底座，陶瓷襯底板，陶瓷襯底板的一個表面與金屬底座的一個表面部分焊接而其它表面與半導體觸點焊接，陶瓷襯底板至少一個表面部分具有主要由鋁組成的金屬合金層，其中金屬合金層的維氏硬度不低于25且不高于40。
金屬合金層包含硅在重量上不低于0.2％且不高于5％。
金屬合金層包含Mn在重量上不高于1.5％。
金屬合金層包含Mg在重量上不高于1％。
陶瓷襯底板是由從由鋁，氮化鋁和氮化硅組成的一群中選出的一種材料制成的。
金屬合金層包括Cu，Zn或Ni在重量上不少于0.2％且不高于3％。
當與下面的描述和附圖一起考慮時，本發(fā)明的這些以及其它方面和目的將得到更好的評價和理解。然而，必須明白，下面的描述，雖然簡要說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是是以舉例說明的方式給出的，并且不受此限制。在本發(fā)明的范圍內(nèi)不離開它的精神，可以有許多變化和修改，本發(fā)明包含所有這些修改。
具體實施例方式
(例1)在本發(fā)明的第一個例子中，如圖2所示，在形成于石墨坩堝9上面部分的凹面部分10中放置原材料11，在重量上它包含99.8％的鋁和0.2％的硅。凹面部分10用石墨活塞12關(guān)閉。厚0.635mm的氮化鋁陶瓷襯底板14放置在形成于坩堝9下面部分的空腔13中。然后，坩堝9放入到加熱到800℃的爐子中。結(jié)果，原材料11熔化并被活塞12的重力推出到其中包含陶瓷襯底板14的空腔13中。從爐子中取出坩堝9并在室溫下冷卻。在此例1中，為了防止坩堝9的氧化，坩堝9的加熱和冷卻都是在氮氣的氣氛中進行的。這樣就獲得了在每一側(cè)表面都有厚0.5mm的鋁合金層的陶瓷襯底，對它進行機械和電解拋光。
陶瓷襯底板鋁合金層的維氏硬度是25。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例2)除了原材料11混合物是由在重量上占99.5％的鋁和占0.5％的硅構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是30。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例3)除了原材料11混合物是由在重量上占98％的鋁和占2％的硅構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是35。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例4)除了鋁作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例2相同的條件下形成的。襯底板的鋁合金層的維氏硬度是30。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例5)除了氮化硅作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例2相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是30。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例6)通過由在重量上占87.5％的鋁和占12.5％的硅組成的厚50μm的釬焊材料層，在厚0.635mm的氮化鋁襯底板的兩側(cè)表面的每一個上層壓由在重量上占99.5％的鋁和占0.5％的硅組成的厚0.4mm的極板。然后，極板放入到加熱到640℃的爐子中。結(jié)果，形成鋁合金極板和氮化鋁的金屬-陶瓷襯底板。襯底板鋁合金層的維氏硬度是31。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例7)除了原材料11混合物是由重量上97.9％的鋁，0.6％的硅和1.5％的Mn構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是32。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。這里，Mn用來增加硬度。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例8)除了層壓極板是由重量上占98.6％的鋁，占0.4％的硅和占1％的Mg構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例6相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是30。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。這里，Mg用來增加硬度。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例9)除了原材料11混合物是由在重量上占98％的鋁和占2％的Mn構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是30。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例10)除了原材料11混合物是由在重量上占99.8％的鋁和占0.2％的Mn構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是25。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例11)除了原材料11混合物是由在重量上占99.5％的鋁和占0.5％的Mn構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是27。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例12)除了鋁作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例11相同的條件下形成的。襯底板的鋁合金層的維氏硬度是27。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例13)除了氮化硅作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例11相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是27。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例14)除了原材料11混合物是由在重量上占99.0％的鋁和占1％的Cu構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是30。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
(例15)除了原材料11混合物是由在重量上占98％的鋁和占2％的Cu構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是32。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
(例16)除了鋁作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例15相同的條件下形成的。襯底板的鋁合金層的維氏硬度是32。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例17)除了氮化硅作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例15相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是32。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例18)除了原材料11混合物是由在重量上占98％的鋁和占2％的Zn構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是34。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例19)除了原材料11混合物是由在重量上占99.5％的鋁和占0.5％的Ni構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是33。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例20)通過由在重量上占87.5％的鋁和占12.5％的硅組成的厚50μm的釬焊材料層，在厚0.635mm的氮化鋁襯底板的兩側(cè)表面的每一個上層壓由在重量上占98％的鋁和2％的硅組成的厚0.4mm的極板。然后，極板放入到加熱到640℃的爐子中。結(jié)果，形成鋁合金極板和氮化鋁的金屬-陶瓷襯底板。襯底板鋁合金層的維氏硬度是25。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例21)除了層壓極板是由重量上占99.8％的鋁和占0.2％的Mg構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例20相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是25。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。這里，Mg用來增加硬度。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例22)除了層壓極板是由重量上占99.5％的鋁和占0.5％的Mg構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例20相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是27。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。這里，Mg用來增加硬度。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例23)除了鋁作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例22相同的條件下形成的。襯底板的鋁合金層的維氏硬度是27。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例24)除了氮化硅作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例22相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是27。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例25)除了原材料11混合物是由在重量上占99.0％的鋁和占1％的Cu構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例20相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是31。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例26)除了原材料11混合物是由在重量上占98％的鋁和占2％的Cu構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例20相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是33。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例27)除了鋁作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例26相同的條件下形成的。襯底板的鋁合金層的維氏硬度是33。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例28)除了氮化硅作為陶瓷使用外，金屬-陶瓷襯底板是在與例26相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是33。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例29)除了原材料11混合物是由在重量上占98％的鋁和占2％的Zn構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例20相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是35。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例30)除了原材料11混合物是由在重量上占99.5％的鋁和占1％的Ni構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例20相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是33。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例31)除了原材料11混合物是由在重量上占99.4％的鋁，占0.1％的硅和占0.5％的Mg構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是28。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例32)通過由在重量上占87.5％的鋁和占12.5％的硅組成的厚50μm的釬焊材料層，在厚0.635mm的氮化鋁襯底板的兩側(cè)表面的每一個上層壓由在重量上占99.4％的鋁，占0.5％的Mg和占0.1％的硅組成的厚0.4mm的極板。然后，極板放入加熱到640℃的爐子中。結(jié)果，形成鋁合金極板和氮化鋁的金屬-陶瓷襯底板。襯底板鋁合金層的維氏硬度是28。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例33)除了層壓極板是由重量上占98.9％的鋁，占0.1％的硅和占1％的Cu構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例31相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是32。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例34)除了層壓極板是由重量上占98.9％的鋁，占0.1％的硅和占1％的Cu構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例32相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是32。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例35)除了層壓極板是由重量上占98.8％的鋁，占0.1％的硅，占1％的Cu和占0.1％的Mg形成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例31相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是33。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。這里，Mg用來增加硬度。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(例36)除了層壓極板是由重量上占98.8％的鋁，占0.1％的硅，占1％的Cu和占0.1％的Mg構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與例32相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是33。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。這里，Mg用來增加硬度。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在3000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷和陶瓷與底座之間的釬焊材料中沒有發(fā)現(xiàn)變化。
(比較例1)下面的樣本是準備用來做比較的。如圖2所示，在形成于石墨坩堝9上面部分的凹面部分10中放置100％鋁的原材料11和石墨活塞12。厚0.635mm的氮化鋁陶瓷襯底板14放置在形成于坩堝9下面部分的空腔13中。然后，坩堝9放入加熱到800℃的爐子中。結(jié)果，原材料11熔化并被活塞12的重力推出到包含陶瓷襯底板14的空腔13中。從爐子中取出坩堝9并在室溫下冷卻。在此比較例1中，為了防止坩堝9的氧化，坩堝9的加熱和冷卻都是在氮氣的氣氛中進行的。這樣就獲得了在每一側(cè)表面都有厚0.5mm的鋁合金層的陶瓷襯底板，對它進行機械和電解拋光。
襯底板鋁合金層的維氏硬度是20。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在2000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷與底座之間的釬焊材料中發(fā)現(xiàn)小的裂縫。然而，模件的功能沒有減小。
(比較例2)除了原材料11混合物是由在重量上占95％的鋁和占5％的硅構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與比較例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是40。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在1000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷中發(fā)現(xiàn)裂縫。
(比較例3)通過由在重量上占87.5％的鋁和占12.5％的硅組成的厚50μm的釬焊材料層，在厚0.635mm的氮化鋁襯底板的兩側(cè)表面的每一個上層壓由在重量上占95％的鋁和占5％的硅組成的厚0.4mm的極板。然后，極板放入加熱到640℃的爐子中。結(jié)果，形成鋁合金極板和氮化鋁的金屬-陶瓷襯底板。襯底板鋁合金層的維氏硬度是40。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在1000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷中發(fā)現(xiàn)裂縫。
(比較例4)除了原材料11混合物是由在重量上占95％的鋁和占5％的Ni構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與比較例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是42。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在1000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷中發(fā)現(xiàn)裂縫。然而，在1000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷與底座之間的釬焊材料層中沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。
(比較例5)除了原材料11混合物是由在重量上占95％的鋁和占5％的Cu構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與比較例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是68。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在100次的熱循環(huán)之后，在陶瓷中發(fā)現(xiàn)裂縫。然而，在100次的熱循環(huán)之后，在陶瓷與底座之間的釬焊材料層中沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。
(比較例6)除了原材料11混合物是由在重量上占98％的鋁和占2％的Mg構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與比較例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是67。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在100次的熱循環(huán)之后，在陶瓷中發(fā)現(xiàn)裂縫。然而，在100次的熱循環(huán)之后，在陶瓷與底座之間的釬焊材料層中沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。
(比較例7)除了原材料11混合物是由在重量上占95％的鋁和占5％的Zn形成外，金屬-陶瓷襯底板是在與比較例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是40。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在1000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷中發(fā)現(xiàn)裂縫。然而，在1000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷與底座之間的釬焊材料層中沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。
(比較例8)除了原材料11混合物是由在重量上占95％的鋁和占5％的Cu構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與比較例3相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是68。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在100次的熱循環(huán)之后，在陶瓷中發(fā)現(xiàn)裂縫。然而，在100次的熱循環(huán)之后，在陶瓷與底座之間的釬焊材料層中沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。
(比較例9)除了原材料11混合物是由在重量上占98％的鋁和占2％的Mg構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與比較例3相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是67。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在100次的熱循環(huán)之后，在陶瓷中發(fā)現(xiàn)裂縫。然而，在100次的熱循環(huán)之后，在陶瓷與底座之間的釬焊材料層中沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。
(比較例10)除了原材料11混合物是由在重量上占99.9％的鋁和占0.1％的Cu構(gòu)成外，金屬-陶瓷襯底板是在與比較例1相同的條件下形成的。鋁襯底板的鋁合金層的維氏硬度是22。然后，通過使用共晶成分的釬焊材料把金屬陶瓷襯底板與Al-SiC復合材料底座結(jié)合形成了功率模件。
為了評估功率模件而進行熱循環(huán)試驗。在2000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷中發(fā)現(xiàn)裂縫。然而，在2000次的熱循環(huán)之后，在陶瓷與底座之間的釬焊材料層中沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。
表1-5顯示了以上結(jié)果。
表1


表2


表3


表4


表5


根據(jù)本發(fā)明的功率模件，如同上面提到的，通過設(shè)定鋁-陶瓷絕緣襯底板中鋁的硬度在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，能夠獲得高的穩(wěn)定性和高的熱循環(huán)承受力，陶瓷在熱沖擊中防護良好并且能防止在釬焊材料中形成裂縫。
為了提高抗蝕能力和對釬焊材料的親和力，可以在陶瓷襯底板上進行噴鍍Au或Ni。
陶瓷之間的鋁有高的熱絕緣能力并且便宜。氮化鋁有高的熱傳導率和高的熱輻射，以致它能更優(yōu)越地容納大電流控制觸點。氮化硅有高的強度和高的熱循環(huán)承受力，以致它能應(yīng)用在如發(fā)動機室這樣猛烈的環(huán)境下。
此外，通過使用微-維氏硬度表(由卡布士開開斯亞美瑟奇沙(Kabushiki Kaisya Mei Seki Sha)制造的MVK-G1)，在15秒內(nèi)測量了關(guān)于與鋁焊接在一起的重50g的陶瓷的鋁表面的維氏硬度。表1中的維氏硬度的值是二十個部分獲得的平均值。熱循環(huán)測試是在氣相進行的，它的一個循環(huán)是-40℃的溫度持續(xù)30分鐘，25℃持續(xù)10分鐘，125℃持續(xù)30分鐘，25℃持續(xù)10分鐘，-40℃的溫度持續(xù)30分鐘。
當已經(jīng)參照本發(fā)明的優(yōu)選實施方案特殊地顯示和描述了它之后，本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員將明白不離開如附加權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍。在形式和細節(jié)上能有多種變化。
權(quán)利要求
1.用于半導體的絕緣襯底板，其特征在于包括陶瓷襯底板(2)和形成在陶瓷襯底板(2)的至少一個表面部分上的主要含鋁的金屬合金層(3)，其中金屬合金層(3)的維氏硬度不低于25且不高于40。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的絕緣襯底板，其中的金屬合金層(3)包含硅在重量上不低于0.2％且不高于5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的絕緣襯底板，其中的金屬合金層(3)包含Mn在重量上不高于1.5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的絕緣襯底板，其中的金屬合金層(3)包含Mg在重量上不高于1％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2或4的絕緣襯底板，其中的金屬合金層(3)包含Cu在重量上不低于0.2％且不高于3％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的絕緣襯底板，其中的金屬合金層(3)包含Zn在重量上不低于0.2％且不高于3％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的絕緣襯底板，其中的金屬合金層(3)包含Ni在重量上不低于0.2％且不高于3％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5，6或7的絕緣襯底板，其中陶瓷襯底板(2)是由從鋁，氮化鋁和氮化硅組成的組中選出的一種材料制成。
9.一種功率模件，其特征在于包括金屬底座(7)，陶瓷襯底板(2)，其一個表面與金屬底座(7)焊接而其它表面焊接在半導體觸點(1)上，陶瓷襯底板(2)的至少一個表面部分具有主要包含鋁的金屬合金層(3)，其中金屬合金層(3)的維氏硬度不低于25且不高于40。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的功率模件，其中的金屬合金層(3)包含硅在重量上不低于0.2％且不高于5％。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的功率模件，其中的金屬合金層(3)包含Mn在重量上不高于1.5％。
12.根據(jù)權(quán)利要求9，10或11的功率模件，其中的金屬合金層(3)包含Mg在重量上不高于1％。
13.根據(jù)權(quán)利要求9，10，11或12的功率模件，其中陶瓷襯底板(2)是由從鋁，氮化鋁和氮化硅組成的組中選出的一種材料制成。
全文摘要
本發(fā)明中絕緣襯底板包括陶瓷襯底板(2)和形成在陶瓷襯底板(2)一個表面部分的包含鋁的金屬合金層(3),其中金屬合金層(3)的維氏硬度不低于25且不高于40。金屬合金層(3)包含硅在重量上不低于0.2%且不高于5%。陶瓷襯底板(2)是由從鋁,氮化鋁和氮化硅組成的一群中選出的一種材料制成。本發(fā)明的功率模件包括金屬底座(7),陶瓷襯底板(2),陶瓷襯底板的一個表面與金屬底座(7)焊接而其它表面焊接在半導體觸點(1)上,陶瓷襯底板(2)的至少一個表面部分具有主要包含鋁的金屬合金層(3),其中金屬合金層(3)的維氏硬度不低于25且不高于40。
文檔編號H01L25/07GK1374694SQ0210682
公開日2002年10月16日 申請日期2002年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月1日
發(fā)明者風呂正博, 小山內(nèi)英世 申請人:同和礦業(yè)株式會社