[發明專利]金剛石和鋁的接合體及其制造方法

有效

• 申請號: 201110145074.0
• 申請日: 2011-05-24
• 公開（公告）號: CN102263073A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 橫田嘉宏;長尾護;橘武史
• 申請（專利權）人: 株式會社神戶制鋼所
• 主分類號: H01L23/373
• 分類號: H01L23/373;H01L21/48;H01S5/024
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 雒運樸

技術領域

本發明涉及能夠作為功率半導體器件的熱沉(heat?sink)等加以利用的金剛石和鋁的接合體及其制造方法。

背景技術

功率半導體器件是被用作功率控制用等的半導體器件。IGBT(絕緣柵雙極晶體管)和MOSFET(功率場效應晶體管的一種)等的功率半導體器件的熱沉，具有有著高導熱性和絕緣性的熱沉基體，和被接合在該熱沉基體的表面的金屬膜。所述熱沉基體由AlN、Si₃N₄、Al₂O₃等陶瓷構成。

與功率半導體器件接合的所述金屬膜，其厚度需要適應功率半導體器件上所流通的電流量，有著厚達100μm以上的膜厚。該金屬膜還承擔著緩和功率半導體器件與熱沉基體的熱應力以及作為均熱片(heat?spreader)的任務。因為對于金屬膜要求其導電性高，熱傳導率高，實用上廉價，所以多使用Cu和Al。

不過，作為由金剛石構成的熱沉基體，通過以之取代由陶瓷構成的所述熱沉基體，能夠實現功率半導體器件壽命的延長化，另外，還可以應對功率半導體器件的更高輸出功率化。金剛石具有高熱傳導性(室溫下全部的物質中最大)，小的低熱膨脹率和優異的電絕緣性。

在特開平11-26887號公報中，公開有一種具有金剛石制熱沉的半導體激光器。該半導體激光器顯示在圖3中。圖3是用于說明現有技術的圖，是表示具有金剛石制熱沉的半導體激光器的構造的圖。

半導體激光器，如圖3所示，由如下構成：板狀的基板55；形成于基板55的表面的、膜厚為3μm～9μm的氣相合成金剛石層54；以覆蓋氣相合成金剛石層的表面的方式設置的金屬化(metallize)層53；在金屬化層53上經由厚2μm～8μm的釬料層52接合的半導體激光器芯片51。

所述基板55由Si構成。所述金屬化層53是用于將半導體激光器芯片51釬焊到基板55表面所形成的氣相合成金剛石層54上所需要的。所述金屬化層53是從與氣相合成金剛石層54接觸的一側開始，按Ti、Pt、Au的順序層疊而成。金剛石制熱沉由形成于所述基板55表面的氣相合成金剛石層54和金屬化層53構成。表面被覆有氣相合成金剛石層54的金剛石被覆基板呈0.75mm×0.75mm的正方形，如圖3所示，該金剛石被覆基板的周圍全部面(表面、背面、側面)被Ti、Pt、Au金屬化。而且，在金屬化的金剛石被覆板上，使用AuSn合金釬料，以290℃的釬焊溫度釬焊有由0.3mm×0.3mm×0.1mm的InGaAsP構成的半導體激光器芯片51。

前述的現有金剛石制熱沉是尺寸很小的半導體激光器用熱沉，大小為0.3mm×0.3mm左右。因此，該金屬化層可以是厚數μm的薄膜，對于金屬化層來說，即使是使用理想的材料，諸如Au、Pt這樣的貴金屬，也不太會招致成本升高。

但是，具有前述的由Au、Pt這樣的貴金屬構成的金屬化層的金剛石制熱沉，作為流通大電流的1cm大小級別的功率半導體器件用，因為會招致大幅度的成本提升，所以不能采用。

近年來，在大功率用的逆變器電路中，例如有釬焊接合了厚數百μm、由Al或Cu構成的金屬膜的陶瓷制熱沉，被組裝在大小為20mm×30mm左右，由AlN、Al₂O₃等構成的板狀的陶瓷制熱沉基體上。然后在所述金屬膜上，接合有1cm大小級別的很大的IGBT和FWD(反向恢復用二極管)等的功率半導體器件。功率半導體器件的接合多采用釬焊接合。所述金屬膜在作為電流通路的同時，還承擔著均熱片的任務。

使用金剛石制熱沉基體替代這種面積比較大的陶瓷制熱沉基體時，金屬膜不使用Au等這樣高價的貴金屬，而是合理的使用廉價的Al或Cu。Al和Cu被認為有各自的長處和短處，根據用途分別使用，例如想使熱沉本身輕量時，則Al有利。

【專利文獻1】特開平11-26887號公報

發明內容

因此，本發明的課題在于，提供一種金剛石和鋁的接合體及其制造方法，其具有金剛石板和用于安裝功率半導體器件等的發熱物的由純鋁或鋁合金構成的金屬膜，即使用2cm大小級別的大面積的金屬膜，金剛石板和該金屬膜的附著性也很高，翹曲小。

為了解決上述的課題，在本申請發明中，闡述以下的技術性手段。

第一發明是金剛石和鋁的接合體，其特征在于，在金剛石板上，按照從該金剛石板側開始的順序，具有由含硅鋁合金構成的中間層和由純鋁或鋁合金構成的金屬膜。