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CN105452194B - 电路基板以及半导体装置 - Google Patents

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CN105452194B CN201480044159.1A CN201480044159A CN105452194B CN 105452194 B CN105452194 B CN 105452194B CN 201480044159 A CN201480044159 A CN 201480044159A CN 105452194 B CN105452194 B CN 105452194B
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Toshiba Materials Co Ltd
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Toshiba Corp
Toshiba Materials Co Ltd
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Abstract

提供具有高TCT可靠性、且在电路设计中具有高自由度的电路基板。具备：陶瓷基板；设置在陶瓷基板的第一面以及第二面中的至少一方之上，具有0.7mm以上的厚度T(mm)、85°以上95°以下的截面的内角的角度θ、设置在表面上的25mm2以上的半导体元件搭载部的铜电路板；以及将陶瓷基板与铜电路板接合的接合层。接合层具有露出部，该露出部以露出至铜电路板的外侧、且沿着铜电路板的侧面攀上的方式设置，具有0.1mm以上1.0mm以下的露出量W1和0.05T(mm)以上0.6T(mm)以下的攀上量W2。

Description

电路基板以及半导体装置
技术领域
实施方式大致涉及电路基板以及半导体装置。
背景技术
近年来，从工业用设备的高性能化或者地球环境问题等的观点出发，在电动车或者电车等中使用用于对大电流、高电压进行控制的功率模块。并且，作为半导体元件，具有高输出的SiC元件等半导体元件的开发得到发展。此外，伴随着半导体元件的高输出化，作为安装半导体元件的电路基板，谋求具有优异的耐久性的电路基板。
作为电路基板，能够举出具备陶瓷基板以及金属电路板的绝缘电路基板等。电路基板的可靠性用TCT(Temperature Cycle Test：TCT，温度循环测试)评价。TCT是指如下的检查方法：在将低温保持→室温保持→高温保持→室温保持的处理反复进行一定循环后，在电路基板中检查有无金属电路板的剥离、有无陶瓷基板的裂纹等。将用TCT评价的可靠性也称为TCT可靠性。
作为具有高TCT可靠性的电路基板，公知有具备具有像富士山脚下的原野那样的原野形状的端面的铜电路板的电路基板。具有原野形状的端面的铜电路板例如通过对端面进行加工而使其平缓地倾斜来形成。
在具有原野形状的端面的铜电路板中，需要使厚度为0.8mm以下。原野形状的端面例如通过对铜电路板进行蚀刻而形成。为了对铜电路板进行蚀刻，需要使用氯化铁、氯化铜等药液。虽然能够进行厚铜电路板的蚀刻的蚀刻技术的开发得到发展，但在使用上述药液的情况下，若铜电路板的厚度比0.8mm厚则难以对铜电路板进行蚀刻。在上述蚀刻中，不仅耗费成本，而且存在因废液处理而对环境造成影响的问题。
若半导体元件的高输出化得到发展则需要对半导体元件赋予大电流或者高电压。因此，期望加厚铜电路板从而提高电路基板的冷却效果。然而，若使铜电路板的厚度比0.7mm厚，则存在因铜电路板的高热膨胀率而使TCT可靠性降低的情况。
并且，在具有原野形状的端面的铜电路板中，难以在端部搭载半导体元件。为了确保搭载半导体元件的空间、并且确保铜电路板的电路图案间的尺寸，需要考虑原野形状而加大铜电路板。因此，电路设计的自由度降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2011/034075号
发明内容
在实施方式中，提供一种即便加厚铜电路板也具有高TCT可靠性，且在电路设计中具有高自由度的电路基板。
实施方式所涉及的电路基板具备：陶瓷基板，具有第一面和与第一面对置的第二面；铜电路板，设置在陶瓷基板的第一面以及第二面中的至少一方之上，具有0.7mm以上的厚度T(mm)、85°以上95°以下的截面的内角的角度θ、设置在表面上的25mm2以上的半导体元件搭载部；以及接合层，将陶瓷基板与铜电路板接合。接合层具备露出部，该露出部以露出至铜电路板的外侧、且沿着铜电路板的侧面攀上的方式设置，具有0.1mm以上1.0mm以下的露出量W1和0.05T(mm)以上0.6T(mm)以下的攀上量W2。
附图说明
图1是示出电路基板的一例的图。
图2是示出电路基板的一例的图。
图3是示出电路基板的一例的图。
图4是示出电路基板的一例的图。
图5是示出半导体装置的一例的图。
具体实施方式
图1是示出电路基板的构造例的图。图1所示的电路基板1具备陶瓷基板2、铜电路板3、接合层4。
陶瓷基板2例如具有第一面和与第一面对置的第二面。作为陶瓷基板2，例如能够使用氮化硅基板、氮化铝基板、或者氧化铝基板等。
作为氮化硅基板，例如能够使用具有70W/m·K以上的导热系数、且具有600MPa以上的基于3点弯曲试验的弯曲强度(3点弯曲强度)的氮化硅基板。氮化硅基板例如即便在具有70W/m·K以上110W/m·K以下的导热系数的情况下也具有高强度。因此，能够使厚度为0.1mm以上1.0mm以下、优选为0.1mm以上0.4mm以下。通过减薄陶瓷基板，能够提高导热系数。氮化硅基板的3点弯曲强度更优选为650MPa以上。
作为氮化铝基板，例如能够使用具有160W/m·K以上的导热系数、且具有300MPa以上的3点弯曲强度的氮化铝基板。氮化铝基板的强度为300MPa以上550MPa以下，强度低。因此，氮化铝基板的厚度优选为0.5mm以上1.2mm以下。并且，在氮化铝基板中，能够使导热系数为160W/m·K以上、进而为200W/m·K以上。
作为氧化铝基板，例如能够使用具有20W/m·K以上40W/m·K以下的导热系数、且具有400MPa以上的3点弯曲强度的氧化铝基板。氧化铝基板比氮化硅基板、氮化铝基板廉价。
铜电路板3设置在陶瓷基板2的单面(第一面)上。铜电路板3夹着接合层4接合在陶瓷基板2的第一面上。
铜电路板3具有设置在表面上的半导体元件搭载部。此时，铜电路板3优选在截面上具有85°以上95°以下的角度θ(也称为端部的截面角度θ)的内角。
通过在铜电路板3的截面上使铜电路板3的内角为大致直角，能够将铜电路板3端部作为半导体元件搭载部使用。并且，容易利用CCD相机等位置检测器检测铜电路板3端部。为了提高铜电路板3端部的检测精度，优选使角度θ为89°以上91°以下、更优选为90°。
半导体元件搭载部的面积优选为25mm2以上。通过增大半导体元件搭载部的面积能够提高电路设计的自由度。半导体元件搭载部的面积更优选为1cm2以上(100mm2以上)。
此处，半导体元件搭载部的面积是能够作为半导体元件的搭载区域使用的铜电路板3的表面积。例如，在图1所示的电路基板1中，半导体元件搭载部设置在铜电路板3的上表面。
作为半导体元件搭载部的表面形状，例如能够举出正方形状、长方形状等四边形状。为了在截面上将铜电路板3的内角的角度θ调整至85°以上95°以下，对铜电路板3进行冲压加工的方法是有效的。为了进行冲压加工，半导体元件搭载部的形状优选为四边形状那样的简单形状。在半导体元件搭载部的表面形状为四边形状的情况下，也可以使至少一边为波浪线状、S字状。此外，也可以使半导体元件搭载部的表面形状为圆形状、椭圆形状、多边形状等。
铜电路板3的厚度T优选为0.7mm以上。对于铜电路板3的厚度的上限，虽然并无特殊限定，但例如优选为7mm以下。若厚度超过7mm，则难以在截面上将铜电路板3的内角的角度θ调整至85°以上95°以下。铜电路板3的厚度T优选为1mm以上7mm以下、更优选为2mm以上5mm以下。
接合层4将陶瓷基板2和铜电路板3接合。接合层4例如优选含有Ag、Cu以及Ti。优选接合层4的Ag浓度为50质量％以上80质量％以下、Cu浓度为20质量％以上50质量％以下、Ti浓度为1质量％以上7质量％以下。接合层4例如通过在涂布包含Ag、Cu以及Ti的活性金属钎料膏后进行加热而粘合在陶瓷基板2以及铜电路板3上来形成。
作为活性金属钎料，也可以除了Ag、Cu、Ti以外还添加5质量％以上25质量％以下的Sn以及In中的一方或者两方。通过添加Sn以及In中的至少一方，接合层4的柔软性提高，能够提高TCT可靠性。并且，接合温度降低，因此能够提高TCT可靠性。接合层4例如可以是活性金属钎料所含的金属成分与铜电路板3的反应层。
接合层4的厚度优选为20μm以上200μm以下。在接合层4的厚度小于20μm的情况下，容易形成陶瓷基板2与铜电路板3的未接合部。并且，若超过200μm则接合强度等的特性难以提高。另外，也可以将接合层4的由陶瓷基板2和铜电路板3夹着的部分的厚度看做接合层4的厚度。铜电路板3相对于陶瓷基板2的接合强度(剥离强度)优选为10kN/m以上。
接合层4具有露出至铜电路板3的外侧的露出部。露出部设置成沿着铜电路板3的侧面攀上。即，铜电路板3的一部分在厚度方向上埋入接合层4。如图1所示，将露出部的宽度称为接合层4的露出量W1。将在铜电路板3的厚度方向上接合层4的因攀上而与铜电路板的侧面接触的部分的长度(铜电路板3的埋入接合层4的部分的深度)称为接合层4的攀上量W2。露出量W1和攀上量W2的值例如能够通过活性金属钎料膏的组成、接合时的热处理条件控制。
露出量W1例如优选为0.1mm以上2mm以下。若露出量W1小于0.1mm则应力的缓和容易变得不充分。若应力的缓和不充分则TCT可靠性容易降低。若露出量W1超过2mm则接合强度等特性难以提高。并且，在陶瓷基板2上配置铜电路板3的空间变少，电路基板1的尺寸容易变大。露出量W1优选为0.1mm以上1.0mm以下、更优选为0.2mm以上0.7mm以下。
攀上量W2优选为例如相对于铜电路板3的厚度T(mm)为0.05T(mm)以上0.6T(mm)以下。若攀上量W2小于0.05T(mm)、即小于铜电路板3的厚度T的10％的情况下，应力的缓和容易变得不充分。若攀上量W2超过0.6T(mm)则接合强度等特性难以提高。并且，接合层4流下而难以将露出量W1调整至2mm以下。攀上量W2更优选为0.1T(mm)以上0.4T(mm)以下。
通过将露出量W1以及攀上量W2控制在上述范围，即便将具有0.7mm以上的厚度T(mm)、且具有25mm2以上的半导体元件搭载部的表面积的大型的铜电路板接合在陶瓷基板上，应力也缓和，能够提高TCT可靠性。
在实施方式所涉及的电路基板中，借助在截面上具有85°以上95°以下的角度θ的内角的铜电路板，能够在端部设置半导体元件搭载部，因此电路基板的面积的增大得到抑制、能够使电路基板小型。因此，使用了实施方式所涉及的电路基板的半导体装置具有高冷却效果，能够搭载高输出的半导体元件。并且，设计自由度提高，能够使产品小型，能够提高TCT可靠性。
此外，铜电路板3可以具有接合层4的成分的至少一部分扩散的扩散区域。扩散区域至少含有Ti，例如含有Ag、Cu、Ti。通过形成扩散区域，例如能够提高铜电路板3相对于陶瓷基板2的接合强度。并且，通过在接合层4中添加Sn以及In中的至少一方，扩散区域的柔软性提高，因此能够提高TCT可靠性。
扩散区域的厚度优选为0.01mm(10μm)以上。例如，通过使扩散区域的厚度为10μm以上，接合强度提高，例如能够使铜电路板3相对于陶瓷基板2的接合强度(剥离强度)为15kN/m以上。扩散区域的厚度优选为0.2mm(200μm)以下。若扩散区域的厚度超过0.2mm，则加热时间变长而在铜电路板3中过度地施加应力。扩散区域的厚度优选为10μm以上120μm以下、更优选为20μm以上100μm以下。
为了在期望的范围内形成扩散区域，例如优选控制接合时的热处理条件。并且，为了在期望的范围内形成扩散区域，优选使接合层4的厚度为30μm以上100μm以下。
图2是示出扩散区域的一例的图。图2所示的电路基板1除了具有图1所示的结构之外，还具有扩散区域5、扩散区域6、扩散区域7。扩散区域5是在铜电路板3的宽度方向上沿着与接合层4的接合面(铜电路板3的侧面)形成的宽度方向扩散区域。扩散区域6是在铜电路板3的厚度方向上沿着与接合层4的接合面(铜电路板3的底面)形成的厚度方向扩散区域。另外，扩散区域6的厚度成为铜电路板3的宽度方向的长度。并且，可以将扩散区域5至扩散区域7看做连续的一个扩散区域。
扩散区域7在铜电路板3的宽度方向以及厚度方向上设置在与接合层4的接合面的端部。即，扩散区域7设置在扩散区域5与扩散区域6的重叠部。扩散区域7的Ti浓度比扩散区域5、扩散区域6的各自的Ti浓度高。因此，扩散区域7也称为Ti浓区域。通过设置作为Ti浓区域的扩散区域7，能够抑制容易施加有应力的铜电路板3端部的热膨胀。
扩散区域7的Ti浓度比扩散区域的Ti浓度的平均值高该平均值的30％以上。此处，扩散区域的Ti浓度的平均值是测定扩散区域5以及扩散区域6的各自的Ti浓度的值的平均值。当Ti浓度比平均值的30％低时，与扩散区域5或者扩散区域6的Ti浓度差小，因此无法得到充分的热膨胀抑制效果。扩散区域7的Ti浓度优选比扩散区域的Ti浓度的平均值高该平均值的30％以上70％以下。
对于常温(25℃)下的各元素的线膨胀系数，Ti为8.4×10-6/K、Cu为16.6×10-6/K、Ag为19.0×10-6/K。对于陶瓷基板2的线膨胀系数(25℃)，氧化铝基板为6.7×10-6/K以上7.4×10-6/K以下，氮化铝基板为4.5×10-6/K以上5.5×10-6/K以下，氮化硅基板为2.5×10-6/K以上3.5×10-6/K以下。
扩散区域7的面积优选为400μm2以上(＝20μm×20μm)，更优选为10000μm2(＝100μm×100μm)以上。虽然扩散区域7的面积的上限并无特殊限定，但优选为500000μm2以下。若扩散区域7的范围大则需要延长加热时间。因此，存在在铜电路板3中产生不需要的应力的顾虑。
扩散区域5、扩散区域6以及扩散区域7中的Ag、Cu、Ti的扩散区域的范围例如能够通过EPMA(Electron Probe Micro Analyser：EPMA，电子探针微量分析器)测定。例如通过在Ag以及Ti的面分析中进行颜色映射，能够检查铜电路板中的扩散区域的范围。
例如，在扩散区域5的检测中，在铜电路板3的宽度方向上，在宽度500μm以上的范围进行颜色映射。在扩散区域6的检测中，在铜电路板3的厚度方向上，在宽度500μm以上的范围进行颜色映射。在扩散区域7的检测中，在铜电路板3的宽度方向以及厚度方向上，在500μm×500μm以上的范围进行颜色映射。此外，通过针对从铜电路板3切出的、含有扩散区域5、扩散区域6以及扩散区域7的各个的各试样进行ICP(Inductively Coupled Plasma：ICP，感应耦合等离子体)质量分析(ICP-MS)来测定元素浓度。
当在接合层4中添加有Sn以及In中的至少一方的情况下，Sn、In也扩散至扩散区域5、扩散区域6以及扩散区域7。因此，通过与Ag、Cu、Ti同样对铜电路板3的截面利用EPMA进行分析，能够分析Sn或者In的分散状态。
图3是示出在陶瓷基板的两面具备铜电路板的电路基板的一例的图。图3所示的电路基板1具备陶瓷基板2、铜电路板3(表面侧铜电路板)、铜电路板8(背面侧铜电路板)。在图3所示的电路基板1中，对于与图1以及图2所示的电路基板1相同的构成要素，能够适当援引图1以及图2所示的电路基板1的说明。
铜电路板8夹着接合层4b接合在陶瓷基板2的单面(第二面)。作为铜电路板8，能够使用与铜电路板3同样的材料。作为接合层4b，能够使用与接合层4具有同样的功能的、同样的材料。接合层4b的露出量W1以及攀上量W2可以是与接合层4同样的值。例如，接合层4b的露出量W1优选为0.1mm以上2mm以下。接合层4b的攀上量W2优选为0.05T(mm)以上0.6T(mm)以下。并且，与铜电路板3同样，铜电路板8可以具有扩散区域5、扩散区域6、以及扩散区域7。
图4是示出在陶瓷基板的单面具备多个铜电路板的电路基板的一例的图。图4所示的电路基板1具备陶瓷基板2、两个铜电路板3、铜电路板8。在图4所示的电路基板1中，对于与图1至图3所示的电路基板1相同的构成要素，能够适当援引图1至图3所示的电路基板1的说明。
两个铜电路板3分别夹着接合层4接合在陶瓷基板2上。在如图4所示使用两个铜电路板3的情况下，与图1至图3所示的铜电路板3同样，优选各个铜电路板3的厚度T为0.7mm以上、露出量W1为0.1mm以上2mm以下、攀上量W2为0.05T(mm)以上0.6T(mm)以下。并且，在图4中图示出配置有两个铜电路板3的例子，但也可以配置三个以上的铜电路板3。另外，也可以在图4所示的铜电路板3以及铜电路板8中形成图2以及图3所示的扩散区域5至扩散区域7。
在如图3以及图4那样设置铜电路板8的情况下，铜电路板8的厚度优选为0.7mm以上、更优选为1mm以上。并且，铜电路板8的体积可以与铜电路板3的体积相同。铜电路板8具有防止电路基板1的翘曲的功能。通过接合具有与铜电路板3的体积大致同等的体积的铜电路板8，能够防止翘曲。并且，如图4所示，在配置多个铜电路板3的情况下，优选铜电路板3的总和的体积与铜电路板8的体积大致同等。
在上述电路基板中，能够提高TCT可靠性。并且，由于将厚度0.7mm以上的铜电路板接合在陶瓷基板上，因此也能够赋予大电流、高电压。此外，即便将SiC元件那样具有高动作温度的半导体元件搭载于电路基板，也能够提高TCT可靠性。
在上述电路基板中，例如在以-50℃×30分钟保持→室温(25℃)×10分钟保持→175℃×30分钟保持→室温(25℃)×10分钟保持作为1个循环的、1000循环的TCT中，能够防止铜电路板的剥落、陶瓷基板的裂纹的产生。并且，在1000循环的TCT后，能够使铜电路板相对于陶瓷基板的接合强度(剥离强度)的降低率为10％以下。并且，通过使用具有600MPa以上的3点弯曲强度的氮化硅基板，即便在3000循环、进而在5000循环的TCT后也能够使接合强度(剥离强度)的降低率为10％以下。
在具备上述电路基板的半导体装置中，能够得到优异的TCT可靠性。图5是示出半导体装置的一例的图。图5所示的半导体装置10具备：陶瓷基板2；设置在陶瓷基板2的第一面上的铜电路板3；将陶瓷基板的第一面与铜电路板3接合的接合层4；设置在陶瓷基板2的第二面上的铜电路板8；将陶瓷基板2的第二面与铜电路板8接合的接合层4b；以及半导体元件9。可以在铜电路板3以及铜电路板8中分别形成扩散区域5至扩散区域7。在图5所示的半导体装置10中，对于与图1至图4所示的电路基板1相同的构成要素，能够适当援引各图的电路基板1的说明。另外，可以在图5所示的铜电路板3以及铜电路板8中形成图2以及图3所示的扩散区域5至扩散区域7。
半导体元件9夹着接合钎料接合在铜电路板3上。在截面上，铜电路板3具有85°以上95°以下的角度θ的内角，因此能够以包含距铜电路板3端部0.1mm以上2mm以下的位置的方式设置半导体元件搭载部。即，能够在距铜电路板3端部0.1mm以上2mm以下的位置搭载半导体元件9。此外，也能够在距铜电路板3端部0.1mm以上1.0mm以下的位置搭载半导体元件9。
在截面上，铜电路板3具有85°以上95°以下的角度θ的内角，因此容易利用CCD(Charge Coupled Device：CCD，电荷耦合元件)相机等检测半导体元件搭载部的位置。因此，容易作为在半导体装置中使用的电路基板而使用。
其次，对电路基板的制造方法进行说明。对于电路基板的制造方法，只要能够满足上述电路基板的结构即可，并无特殊限定，但作为高效的电路基板的制造方法，例如能够举出如下的方法。
首先，准备陶瓷基板2。作为陶瓷基板2，如上所述能够使用氮化硅基板、氮化铝基板、或者氧化铝基板等。
其次，准备用于形成接合层4的钎料膏。钎料优选为活性金属钎料。在活性金属钎料中，Ag浓度优选为50质量％以上80质量％以下，Cu浓度优选为20质量％以上50质量％以下，Ti浓度优选为1质量％以上7质量％以下的范围。在活性金属钎料中，除了Ag、Cu、Ti以外，也可以按照5质量％以上25质量％以下的比例添加Sn以及In中的一方或者两方。例如，能够通过将各金属粉末与有机溶剂混合来调制活性金属钎料膏。另外，各金属粉末的平均粒径优选为1μm以上7μm以下。
其次，将活性金属钎料膏涂布在陶瓷基板上。活性金属钎料膏的涂布层的厚度优选为10μm以上50μm以下。若涂布层的厚度小于10μm，则难以在铜电路板中形成扩散区域。并且，若涂布层的厚度超过50μm，则接合强度等特性难以提高，并且成为成本上升的主要原因。涂布层的厚度更优选为20μm以上40μm以下。
其次，在涂布层的一部分之上配置铜电路板。在配置铜电路板时，优选施加应力而配置铜电路板。通过对铜电路板施加应力而进行配置，所涂布的钎料膏稍稍扩展。由此，能够形成接合层的露出部。并且，优选在厚度方向上将铜电路板的一部分埋入涂布层。由此，能够容易地以沿着铜电路板的侧面攀上的方式形成接合层的露出部。另外，在不施加应力而配置铜电路板的情况下，可以追加活性金属钎料膏。当在设置背面侧铜电路板的情况下、在配置多个表面侧铜电路板的情况下，也优选进行与上述同样的工序。
作为铜电路板，可以使用通过冲压加工或者切断加工而加工成目标尺寸的铜电路板。通过利用冲压加工、切断加工，容易在截面上将内角的角度θ调整至85°以上95°以下。
其次，进行加热接合。在加热接合中，在真空中(1×10-2Pa以下)或者氮气气氛之类的惰性气氛中，以700℃以上900℃以下的温度加热10分钟以上150分钟以下。为了形成扩散区域，优选加热10分钟以上。并且，为了形成Ti浓区域，优选加热30分钟以上。
在加热接合工序中，小于500℃时在氮气气氛中(10Pa以上)、500℃以上在真空中(1×10-2Pa以下)进行加热接合工序的做法也是有效的。通过在氮气气氛中进行热处理，能够促进接合层中的TiN(氮化钛)的生成。并且，通过在真空中加热，能够容易地使由活性金属钎料膏产生的气体成分逃逸至外部。结果，铜电路板相对于陶瓷基板的剥离强度提高。
在加热接合工序中，在真空中(1×10-2Pa以下)和氮气气氛中(10Pa以上)交替地切换而进行加热接合的做法也是有效的。通过交替地切换在真空中和氮气气氛中，能够有效地进行TiN(氮化钛)的生成和气体成分的排出。
另外，存在加热接合时活性金属钎料膏在铜电路板的侧面攀上，在加热前后攀上量W2变化的情况。因此，在活性金属钎料膏上配置铜电路板的工序中，优选预先使攀上量W2为0.1T(mm)以上0.4T(mm)以下。
能够通过以上的工序制造电路基板。通过以上述方式控制活性金属钎料膏的组成以及接合时的热处理条件，能够控制接合层的露出量W1、攀上量W2、扩散区域的范围等。
在上述电路基板的制造方法中，无需进行用于形成具有原野形状的端面的铜电路板的蚀刻。因此，能够抑制成本上升。并且，在形成上述铜电路板时，也不需要进行氯化铁液体、氯化铜液体、以及在TiN的蚀刻中使用的氢氟酸系的蚀刻液的处理。因此，能够降低环境负荷。
实施例
(实施例1～6、比较例1～3)
首先，准备陶瓷基板。表1中示出实施例1～6、比较例1～3的各个中的陶瓷基板的种类。另外，作为氮化硅基板，准备导热系数为90W/m·K、3点弯曲强度为700MPa、纵50mm×横35mm×厚度0.32mm的氮化硅基板。作为氮化铝基板，准备导热系数为190W/m·K、3点弯曲强度为360MPa、纵50mm×横35mm×厚度0.635mm的氮化铝基板。作为氧化铝基板，准备导热系数为20W/m·K、3点弯曲强度为500MPa、纵50mm×横35mm×厚度1.0mm的氧化铝基板。
其次，将65质量％的Ag粉末、30质量％的Cu粉末、5质量％的Ti粉末、有机溶剂混合，调制Ag、Cu、Ti的总和为100质量％的活性金属钎料膏。另外，Ag粉末、Cu粉末、Ti粉末各自的平均粒径为2μm。
其次，准备铜电路板。表1中示出实施例1～6、比较例1～3各个中的铜电路板的尺寸(纵(mm)×横(mm)×厚度(mm))以及截面的内角的角度θ。另外，通过模具冲压加工或者切断加工将铜电路板加工成目标尺寸。
其次，在陶瓷基板的第一面上涂布活性金属钎料膏，在活性金属钎料膏的涂布层的一部分之上配置成为表面侧铜电路板的铜电路板。此时，对表面侧铜电路板施加应力，在厚度方向上，以将铜电路板的一部分埋入活性金属钎料膏的方式进行配置。同样，在陶瓷基板的第二面上涂布活性金属钎料膏，在活性金属钎料膏的涂布层的一部分之上配置成为背面侧铜电路板的铜电路板。
其次，通过在真空中(1×10-3Pa)以800℃以上850℃以下、70分钟以上90分钟以下的条件进行加热接合来制作实施例1～6、比较例1～3所涉及的电路基板。表1中示出实施例1～6、比较例1～3中的接合层的厚度、露出量W1、攀上量W2。另外，比较例1中W1＝0T、W2＝0T。比较例2中不施加应力而配置铜电路板，W2＝0T。在比较例3中，在施加应力的同时配置铜电路板，W2＝0.8T。
[表1]
在实施例1～6、比较例1～3所涉及的电路基板中，通过利用EPMA测定截面上的Ti的分散状态，计算出宽度方向扩散区域的厚度、厚度方向扩散区域的厚度、以及Ti浓区域的面积。表2中示出结果。
[表2]
(实施例7～10)
首先，作为陶瓷基板，准备纵50mm×横35mm×厚度0.32mm的氮化硅基板。表3中示出实施例7～10的氮化硅基板的导热系数与3点弯曲强度。
[表3]
其次，将60质量％的Ag粉末、26质量％的Cu粉末、10质量％的Sn粉末、4质量％的Ti粉末、有机溶剂混合，调制Ag、Cu、Sn、Ti的总和为100质量％的活性金属钎料膏。另外，Ag粉末、Cu粉末、Sn粉末、Ti粉末的各自的平均粒径为2μm。
其次，准备铜电路板。表4中示出实施例7～10的铜电路板的尺寸(纵(mm)×横(mm)×厚度(mm))以及截面的内角的角度θ。另外，通过模具冲压加工或者切断加工将铜电路板加工至目标尺寸。
其次，在陶瓷基板的第一面上涂布活性金属钎料膏，在活性金属钎料膏的涂布层的一部分之上配置成为表面侧铜电路板的铜电路板。此时，对表面侧铜电路板施加应力，以将表面侧铜电路板的一部分埋入活性金属钎料膏层的方式配置表面侧铜电路板。同样，在陶瓷基板的第二面上涂布活性金属钎料膏，在活性金属钎料膏的涂布层的一部分之上配置成为背面侧铜电路板的铜电路板。
其次，通过以表4所示的条件进行加热接合工序，制作实施例7～10所涉及的电路基板。表4中示出实施例7～10中的接合层的厚度、露出量W1、攀上量W2。
[表4]
其次，在实施例7～10所涉及的电路基板中，通过利用EPMA测定截面上的Ti的分散状态，计算出宽度方向上的扩散区域以及厚度方向上的扩散区域的厚度、以及Ti浓区域的面积。表5中示出结果。
[表5]
在实施例7～9中，组合氮气气氛和真空气氛进行加热接合，在接合层的氮化硅基板侧生成较多的TiN(氮化钛)，扩散区域小。另一方面，在实施例10中，热处理时间短，因此Ti浓区域的面积小。由此可知：能够根据热处理条件来控制Ti浓区域等的扩散区域的范围。
针对实施例以及比较例所涉及的电路基板，评价铜电路板的接合强度、TCT可靠性。作为铜电路板的接合强度，求出铜电路板相对于陶瓷基板的剥离强度。并且，将以-40℃×30分钟保持→室温(25℃)×10分钟保持→175℃×30分钟保持→室温(25℃)×10分钟保持作为1个循环的TCT反复进行1000个循环。在TCT后，确认有无铜电路板的剥落、陶瓷基板的裂纹的产生等不良情况，由此来评价TCT可靠性。并且，针对未产生不良情况的电路基板，测定铜电路板相对于陶瓷基板的剥离强度，计算出从TCT前的剥离强度的降低率。表6中示出结果。
[表6]
如从表6可知，在实施例1～10所涉及的电路基板中，剥离强度高或者剥离强度的降低率低。因此可知：即便是将具有0.7mm以上、进而具有1mm以上的厚度的铜电路板与陶瓷基板接合而成的电路基板，也能够提高TCT特性。
针对实施例1～10所涉及的电路基板，将以-40℃×30分钟保持→室温(25℃)×10分钟保持→175℃×30分钟保持→室温(25℃)×10分钟保持作为1个循环的TCT反复进行3000个循环以及5000个循环。在3000个循环或者5000个循环的TCT后，确认有无铜电路板的剥落、陶瓷基板的裂纹的产生等不良情况。测定5000个循环TCT后的铜电路板相对于陶瓷基板的剥离强度。表7中示出结果。
[表7]
如表7所示，使用了具有600MPa以上的3点弯曲强度的氮化硅基板的实施例1～3以及实施例6～10所涉及的氮化硅电路基板呈现出优异的TCT特性。朝活性金属钎料添加Sn后的实施例7～9所涉及的氮化硅基板的接合强度高，5000个循环的TCT后的、铜电路板相对于氮化硅基板的剥离强度高、且剥离强度的降低率低。
为了在实施例1～10所涉及的电路基板的铜电路板上搭载半导体元件，利用CCD相机进行位置检测，测定能够检测到的距铜电路板端部的最短位置。并且，作为比较例4，准备截面的内角的角度θ为80°的铜电路板，同样测定能够检测到的距铜电路板端部的最短位置。表8中示出结果。
[表8]
如从表8可知，在实施例1～10所涉及的电路基板中，能够检测到的距铜电路板端部的最短位置为0.1mm。这样，在实施例1～10所涉及的电路基板中，能够利用CCD相机等检测距端部0.1mm的位置。因此，在实施例1～10所涉及的电路基板中，能够将包含距铜电路板的端部0.1mm的位置的区域作为半导体元件搭载部使用。与此相对，当像比较例4所涉及的铜电路板那样截面的内角的角度θ为80°的情况下，若不是距铜电路板的端部1.2mm以上的位置则无法检测到。
上述实施方式只是作为例子加以提示，并不意图限定发明的范围。上述实施方式能够以其他各种各样的方式实施，能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更等。上述实施方式及其变形例包含于发明的范围、主旨中，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围中。并且，上述的各实施方式能够相互组合而实施。

Claims (14)

1.一种电路基板，具备：
陶瓷基板，具有第一面和与所述第一面对置的第二面；
铜电路板，设置在所述陶瓷基板的所述第一面以及所述第二面中的至少一方之上，具有0.7mm以上的厚度T(mm)、在截面上的85°以上95°以下的角度θ的内角、设置在表面上的25mm2以上的半导体元件搭载部；以及
接合层，含有Ag、Cu以及Ti，将所述陶瓷基板与所述铜电路板接合，
所述接合层具备露出部，该露出部以露出至所述铜电路板的外侧、且沿着所述铜电路板的侧面攀上的方式设置，具有0.1mm以上1.0mm以下的露出量W1和0.05T(mm)以上0.6T(mm)以下的攀上量W2。
2.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
所述陶瓷基板是具有0.1mm以上1.0mm以下的厚度的氮化硅基板。
3.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
所述铜电路板具有1mm以上的所述厚度T(mm)。
4.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
所述铜电路板在截面上具有89°以上91°以下的角度θ的所述内角。
5.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
所述铜电路板具有7mm以下的所述厚度T(mm)。
6.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
所述铜电路板具有100mm2以上的所述半导体元件搭载部。
7.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
所述接合层含有Sn以及In中的至少一方。
8.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
所述铜电路板具有扩散区域，该扩散区域沿着所述铜电路板与所述接合层的接合面设置，至少含有Ti，且具有0.01mm以上的厚度，
所述扩散区域具有：
第一扩散区域，在所述铜电路板的宽度方向上沿着所述铜电路板与所述接合层的接合面设置；
第二扩散区域，在所述铜电路板的厚度方向上沿着所述铜电路板与所述接合层的接合面设置；以及
第三扩散区域，设置在所述第一扩散区域与所述第二扩散区域的重叠部，含有比所述第一扩散区域以及第二扩散区域的Ti浓度的平均值高所述平均值的30％以上的浓度的Ti。
9.根据权利要求8所述的电路基板，其中，
所述第三扩散区域的面积为400μm2以上。
10.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
所述铜电路板相对于所述陶瓷基板的剥离强度为10kN/m以上。
11.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
在1000个循环的TCT后，所述铜电路板相对于所述陶瓷基板的剥离强度的降低率为10％以下。
12.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
所述半导体元件搭载部以包含距所述铜电路板的端部0.1mm以上2mm以下的位置的方式设置。
13.根据权利要求1所述的电路基板，其中，
作为所述铜电路板，具备第一铜电路板以及第二铜电路板，
作为所述接合层，具备将所述陶瓷基板的第一面与所述第一铜电路板接合的第一接合层、以及将所述陶瓷基板的第二面与所述第二铜电路板接合的第二接合层。
14.一种半导体装置，具备：
权利要求1所述的电路基板；以及
搭载于所述半导体元件搭载部的半导体元件。
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