專利名稱：半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體和半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體部件的內(nèi)部接合，特別涉及以Sn類焊錫將要求具有優(yōu)異的機(jī)械特性和耐熱性的功率半導(dǎo)體模塊的半導(dǎo)體元件和電極接合的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體等。
背景技術(shù)：
在電子安裝領(lǐng)域中，因?qū)︺U的有害性的擔(dān)憂和對環(huán)境關(guān)心的增強(qiáng)，期望不用鉛的接合，所以正在開發(fā)能替代作為通常的焊錫材料的Sn-Pb共晶焊錫的材料并將該材料實(shí)用化。另一方面，正在對作為半導(dǎo)體部件內(nèi)部的接合材料的高溫鉛焊錫的替代材料進(jìn)行探討。作為替代高溫鉛焊錫的后補(bǔ)材料，可以是Au類、Bi類、Zn類、Sn類的焊錫材料。關(guān)于Au類的焊錫材料，例如熔點(diǎn)為280°C的Au-20Sn等被一部分實(shí)用化了，但是因?yàn)槠渲鞒煞譃榻?，所以材料物性硬，材料成本高，用于小型部件受到限制等，所以沒有通用性。熔點(diǎn)為270°C左右的Bi，雖然熔融溫度方面沒有問題，但是其延伸性和導(dǎo)熱率差。另外，Zn類焊錫因彈性率過高，所以在半導(dǎo)體部件的內(nèi)部接合時(shí)存在機(jī)械特性和耐熱性的問題。另外，關(guān)于Sn類的焊錫材料，雖然具有優(yōu)異的機(jī)械特性，但是其熔點(diǎn)不到250°C，較低，缺乏耐熱性，因此為了提高Sn類的耐熱性，正在探討例如通過形成CuSn化合物，進(jìn)行金屬互化物化以提高熔點(diǎn)的接合材料(參考專利文獻(xiàn)I)。圖6是專利文獻(xiàn)I所記載的現(xiàn)有的接合結(jié)構(gòu)體的剖視圖。在圖6中，功率半導(dǎo)體模塊501具有在功率半導(dǎo)體元件502和電極503之間的接合部504。該接合部504使用CuSn化合物作為接合材料。專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2007 - 273982。

發(fā)明內(nèi)容
但是，專利文獻(xiàn)I的CuSn化合物的接合材料，在使用Sn和Cu的混合粉末作為焊錫材料，花充分時(shí)間進(jìn)行接合時(shí)，則如圖7所示那樣，雖然因Sn和Cu的金屬互化物化，接合部504對功率半導(dǎo)體模塊安裝在基板上時(shí)所產(chǎn)生的熱具有耐熱性，S卩，具有在通常的回流溫度(日文:U 7 口 一溫度)260°C的氣氛下的耐熱性，但是在使用功率半導(dǎo)體模塊時(shí)接合部504可能會(huì)產(chǎn)生開裂和剝離等。這被認(rèn)為是接合部504的大部分因Sn和Cu的金屬互化物化而導(dǎo)致接合部504的延伸性消失，受到功率半導(dǎo)體模塊使用時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的作用但不能緩和該應(yīng)力的緣故。另一方面，如果不花充分時(shí)間進(jìn)行接合時(shí)，則如圖8所示，Sn和Cu沒有完全金屬互化物化，Sn的部分有較大量殘存，雖然確保了接合部的延伸性，但是失去了接合部對功率半導(dǎo)體模塊501安裝在基板上時(shí)所產(chǎn)生的熱的耐熱性，即，失去了在通常的回流溫度260°C的氣氛下的耐熱性。這被認(rèn)為是Sn和Cu沒有完全金屬互化物化，Sn殘留，例如Sn以層狀殘存的情況下，回流時(shí)再熔融，可能會(huì)產(chǎn)生半導(dǎo)體元件和電極錯(cuò)位等不良現(xiàn)象的緣故。另外，雖然生成了金屬互化物，但是球狀的金屬互化物量少且離散地分散著。因此，由所述專利文獻(xiàn)I的接合材料所制得的接合結(jié)構(gòu)體存在要兼顧應(yīng)力緩和性和耐熱性兩者的課題?？紤]到現(xiàn)有的所述課題，本發(fā)明的目的是提供一種兼顧耐熱性和應(yīng)力緩和性的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體等。第一發(fā)明是一種半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體，該半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體是在基板電極上依次積層含有Sn的第一金屬互化物層、由含有Sn的第三金屬互化物部和含有Sn的相構(gòu)成的第三層、以及含有Sn的第二金屬互化物層，然后載置半導(dǎo)體元件的電極而形成的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體；所述第一金屬互化物層和所述第二金屬互化物層具有以所述第三金屬互化物部進(jìn)行層間接合的一部分。第二發(fā)明是第一發(fā)明的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體，所述第三金屬互化物部呈現(xiàn)棒狀的形態(tài)。第三發(fā)明是第一發(fā)明的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體，所述第一金屬互化物層是由Cu-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成；所述第二金屬互化物層是由Cu-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成；所述第三金屬互化物部是由Au-Sn或Ag-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成；所述含有Sn的相是含有Au或Ag的構(gòu)成。第四發(fā)明是第一發(fā)明的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體，所述第一金屬互化物層是由Ag-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成；所述第二金屬互化物層是由Ag-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成；所述第三金屬互化物部是由Au-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成；所述含有Sn的相是含有Au或Ag的構(gòu)成。第五發(fā)明是一種半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體的制造方法，包括半導(dǎo)體元件表面的金屬膜形成工序:在半導(dǎo)體元件的電極表面形成金屬膜，該金屬膜是與Sn形成金屬互化物的金屬膜；電極表面的金屬膜形成工序:在基板電極表面形成金屬膜，該金屬膜是與Sn形成金屬互化物的金屬膜；接合工序:在使形成有所述金屬膜的半導(dǎo)體元件的電極面和形成有所述金屬膜的基板電極的面相對，以含有Sn的焊錫材料將相對的面之間進(jìn)行接合時(shí)，通過所述含有Sn的焊錫材料所形成的第三金屬互化物部將形成在所述基板電極的面上的第一金屬互化物層和形成在所述半導(dǎo)體元件的電極面上的第二金屬互化物層進(jìn)行一部分層間接合。第六發(fā)明是第五發(fā)明的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體的制造方法，形成在所述半導(dǎo)體元件的表面的金屬膜的材料為Ag和/或Cu ;形成在所述電極的表面的金屬膜的材料為Au和/或Ag ;所述含有Sn的焊錫材料為Sn — 3wt%Ag 一 0.5wt%Cu。
發(fā)明的效果如上所述，通過本發(fā)明能確保對功率半導(dǎo)體模塊使用時(shí)溫度循環(huán)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的應(yīng)力緩和性，同時(shí)還能確保接合部對功率半導(dǎo)體模塊安裝在基板上時(shí)所產(chǎn)生的熱的耐熱性，通過兼顧應(yīng)力緩和性和耐熱性的兩者，以高品質(zhì)將半導(dǎo)體元件和電極接合，可提高接合
可靠性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方式中的功率半導(dǎo)體模塊的剖視圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施方式中的實(shí)施例1的接合結(jié)構(gòu)體的制造工序流程圖。圖3是說明本發(fā)明實(shí)施方式中的實(shí)施例1的接合結(jié)構(gòu)體的制造工序的剖視圖。圖4是以將材料概括化的用語來說明本發(fā)明實(shí)施方式中的圖3的接合結(jié)構(gòu)體的圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施方式中的實(shí)施例1的接合結(jié)構(gòu)體的制造工序流程圖。圖6是現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體模塊中的接合結(jié)構(gòu)體的剖視圖。圖7是顯示了現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體模塊的制造工序中的接合加熱時(shí)間足夠長的情況下的功率半導(dǎo)體模塊的剖視圖。圖8是顯示了現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體模塊的制造工序中的接合加熱時(shí)間短的情況下的功率半導(dǎo)體模塊的剖視圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖1是本發(fā)明實(shí)施方式中的功率半導(dǎo)體模塊100的剖視圖。半導(dǎo)體元件102通過接合材料104與基板電極103 (以后簡稱為電極103)接合，形成接合結(jié)構(gòu)體105，該接合結(jié)構(gòu)體105被安裝在基板101上。接著，對所形成的接合結(jié)構(gòu)體105進(jìn)行詳細(xì)說明。圖2是本發(fā)明實(shí)施方式中實(shí)施例1的接合結(jié)構(gòu)體的制造工序流程圖。圖2 (a)是將焊錫材料203供給至電極103的工序圖。這里所用的由Cu合金構(gòu)成的電極103上通過電鍍法預(yù)先形成厚度3 μ m的Ag層202以及在所述的Ag層202上成膜有厚度3 μ m的Au層201。在供給焊錫材料203時(shí)，使用在含有氫5%的氮?dú)夥罩屑訜岬?60°C狀態(tài)的電極103。在該Au層201上供給長度500 — 800 μ m、直徑Φ 1.0mm的線狀的Sn — 3wt%Ag —
0.5wt%Cu (以后簡稱為Sn - 3Ag 一 0.5Cu)(熔點(diǎn)為217°C )的焊錫材料203。然后，在焊錫材料203上載置半導(dǎo)體元件102。圖2 (b)是在焊錫材料203上載置半導(dǎo)體元件102的工序圖。這里所用的由GaN構(gòu)成的厚度為0.3mm和大小為4mmX5mm的半導(dǎo)體兀件102上通過電鍍法預(yù)先形成厚度10 μ m的Cu層206以及在所述的Cu層206上成膜有厚度5 μ m的Ag層205。在載置半導(dǎo)體元件102時(shí)，與所述焊錫材料203的供給工序同樣，使用在含有氫5%的氮?dú)夥罩屑訜岬?60°C狀態(tài)的電極103。為了將該Ag層205與焊錫材料203接合，以50gf — 150fg左右的負(fù)荷將半導(dǎo)體元件102載置在供給至電極103的焊錫材料203上。然后，直接使用在含有氫5%的氮?dú)夥罩屑訜岬?60°C狀態(tài)的電極103，將半導(dǎo)體元件102載置在焊錫材料203上后放置約10分鐘后，通過自然冷卻，形成使電極103和半導(dǎo)體元件102接合的接合部212，制得了接合結(jié)構(gòu)體105。這里就使電極103和半導(dǎo)體元件102接合的接合部212進(jìn)行說明。圖3 (a)是剛將半導(dǎo)體元件102載置在供給至電極103上的焊錫材料203上之后的示意圖。通過圖2 (b)所示的Ag層205與焊錫材料203之間的擴(kuò)散反應(yīng)，以及Au層201和Ag層202與焊錫材料203之間的擴(kuò)散反應(yīng)，如圖3 (a)所示，開始形成棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209混在的棒狀金屬互化物部209 (對應(yīng)于后敘的第三金屬互化物部的一例)。這里所說的棒狀是指成核的結(jié)晶生長，縱橫比不同的柱狀。同時(shí)，一邊形成所述的棒狀金屬互化物部209，一邊發(fā)生圖2(b)所示的Cu層206與焊錫材料203之間的擴(kuò)散反應(yīng)，開始形成如圖3 (a)所示的CuSn金屬互化物層208 (對應(yīng)于后敘的第二金屬互化物層的一例)以及CuSn金屬互化物層207 (對應(yīng)于后敘的第一金屬互化物層的一例)。圖3(b)是從圖3(a)開始放置了 10分鐘的示意圖。通過在260°C加熱的狀態(tài)下放置10分鐘，圖3 (a)所形成的棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209混在的棒狀金屬互化物部209、CuSn金屬互化物層208和CuSn金屬互化物層207生長。作為圖2(c)的詳細(xì)圖的圖3(c)是使圖3(b)自然冷卻，完成接合結(jié)構(gòu)體的示意圖。在接合部212中，圖3(b)狀態(tài)下所形成的棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209混在的棒狀金屬互化物部209以及作為Sn/Au/Ag混在組織的應(yīng)力吸收部的含有Sn的相210被CuSn金屬互化物層208和CuSn金屬互化物層207夾在中間，棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209再以與上下的CuSn金屬互化物層208和CuSn金屬互化物層207層間接合的狀態(tài)進(jìn)行凝固。通過以上結(jié)構(gòu)，電極103和半導(dǎo)體元件102被接合部212接合，而該接合部212即是棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209混在的棒狀金屬互化物部209以及作為Sn/Au/Ag混在組織的應(yīng)力吸收部的含有Sn的相210被CuSn金屬互化物層208和CuSn金屬互化物層207夾在中間，棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209再以與上下的CuSn金屬互化物層208和CuSn金屬互化物層207層間接合的狀態(tài)凝固而成的接合部212。圖4是使用將材料概括化(上位概念化)的用語對圖3的接合狀態(tài)進(jìn)行說明的圖。這里的第一金屬互化物層207 ‘是所述CuSn金屬互化物層207的概括,第二金屬互化物層208 ‘是所述CuSn金屬互化物層208的概括。另外，棒狀金屬互化物部209 ‘是所述棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209的概括，是本發(fā)明的第三金屬互化物部的一例。
由作為該第三金屬互化物部的一例的棒狀金屬互化物部209和含有Sn的相210構(gòu)成了本發(fā)明的第三層300。作為該第三金屬互化物部的其他例，可以為柱狀或針狀等的金屬互化物部。使用經(jīng)過所述工序(實(shí)施例1的接合時(shí)間為10分鐘的情況)所完成的接合結(jié)構(gòu)體，實(shí)施引線接合和密封，形成功率半導(dǎo)體模塊，因能確認(rèn)接合結(jié)構(gòu)體的接合部的開裂和剝離的情況，所以可確認(rèn)制品的成品率。制品成品率的確認(rèn)方法是將低溫側(cè)為一 45°C，高溫側(cè)為125°C的溫度循環(huán)試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行300次后，利用超聲波圖像來觀察制品，以判定接合結(jié)構(gòu)體的接合部的開裂和剝離，算出開裂和剝離相對于接合部的表面積的比例不到20%時(shí)的制品成品率(N數(shù)=20)。制品成品率的判定為:以將80 以上定為O，將50以上且不到80 的定為Δ，將不到50%定為X進(jìn)行區(qū)別，將80%以上(〇)定為優(yōu)質(zhì)品。因?yàn)榻?jīng)所述工序所完成的接合結(jié)構(gòu)體的功率半導(dǎo)體模塊的制品成品率為100%，所以為〇，判定為優(yōu)質(zhì)品。由此未確認(rèn)到接合部的開裂和剝離。該功率半導(dǎo)體模塊中的接合結(jié)構(gòu)體的接合部沒有產(chǎn)生開裂和剝離的理由被推測如下:被認(rèn)為是在接合結(jié)構(gòu)體的接合部212中存在具有比金屬互化物強(qiáng)的延伸性的Sn/Au/Ag混在組織，對溫度循環(huán)試驗(yàn)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，Sn/Au/Ag的混在組織會(huì)產(chǎn)生變形，顯現(xiàn)出應(yīng)力緩和性的緣故。再者，在確認(rèn)將接合結(jié)構(gòu)體作為功率半導(dǎo)體模塊使用時(shí)的耐熱性的過程中，在設(shè)定回流溫度為260°C的氣氛下，來自接合結(jié)構(gòu)體的半導(dǎo)體元件和電極的剪切方向的接合強(qiáng)度為30gf以上。這被推測是通過CuSn金屬互化物層207、CuSn金屬互化物層208以及棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)u`Sn金屬互化物部209的形成，金屬互化物層和棒狀金屬互化物部連接(層間接合)，具有260°C的耐熱性的緣故。這里的CuSn金屬互化物層207和208的熔點(diǎn)都約為415°C，棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209的熔點(diǎn)分別約為260°C和480°C，這些都在260°C以上，所以可以說通過金屬互化物層和棒狀金屬互化物部連接就具有260°C的耐熱性。通過相關(guān)的構(gòu)成，即通過棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209混在的棒狀金屬互化物部209以及作為Sn/Au/Ag混在組織的應(yīng)力吸收部的含有Sn的相210被CuSn金屬互化物層208和CuSn金屬互化物層207夾在中間，棒狀A(yù)gSn金屬互化物部209和棒狀A(yù)uSn金屬互化物部209再以與上下的CuSn金屬互化物層208和CuSn金屬互化物層207層間接合的狀態(tài)凝固而成的接合部212，將半導(dǎo)體元件和電極進(jìn)行接合，就能同時(shí)確保現(xiàn)有技術(shù)不能獲得的對溫度循環(huán)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的應(yīng)力緩和性和接合部對功率半導(dǎo)體模塊被安裝在基板時(shí)所產(chǎn)生的熱具有耐熱性，藉此能夠以高品質(zhì)將半導(dǎo)體元件和電極進(jìn)行接合，提高接合可靠性。由此可以說本發(fā)明的實(shí)施方式中的接合結(jié)構(gòu)體解決了以往的問題。接下來，使電極和半導(dǎo)體元件上預(yù)先成膜的層的材料構(gòu)成和厚度進(jìn)行變化并確認(rèn)應(yīng)力緩和性和耐熱性。這里，如下所述確定各層的名稱并對其進(jìn)行說明。如圖5所示，從與電極的面接觸開始將通過電鍍法在電極上成膜的膜的名稱定為電極表面第二處理層402和電極表面第一處理層401。然后，從與元件的面接觸開始將通過電鍍法在半導(dǎo)體元件上成膜的膜的名稱定為元件表面第二處理層406和元件表面第一處理層405。變化膜的構(gòu)成和厚度形成接合部。表I顯示了在本發(fā)明實(shí)施方式中探討過的構(gòu)成的實(shí)施例。表I
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體，該半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體是在基板電極上依次積層含有Sn的第一金屬互化物層、由含有Sn的第三金屬互化物部和含有Sn的相構(gòu)成的第三層、以及含有Sn的第二金屬互化物層，然后載置半導(dǎo)體元件的電極而形成的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體； 所述第一金屬互化物層和所述第二金屬互化物層具有以所述第三金屬互化物部進(jìn)行層間接合的一部分。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述第三金屬互化物部呈現(xiàn)棒狀的形態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述第一金屬互化物層是由Cu-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成； 所述第二金屬互化物層是由Cu-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成； 所述第三金屬互化物部是由Au-Sn或Ag-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成； 所述含有Sn的相是含有Au或Ag的構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述第一金屬互化物層是由Ag-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成； 所述第二金屬互化物層是由Ag-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成； 所述第三金屬互化物部是由Au-Sn構(gòu)成的金屬互化物構(gòu)成； 所述含有Sn的相是含有Au或Ag的構(gòu)成。
5.一種半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體的制造方法，包括 半導(dǎo)體元件表面的金屬膜形成工序:在半導(dǎo)體元件的電極表面形成金屬膜，該金屬膜是與Sn形成金屬互化物的金屬膜； 電極表面的金屬膜形成工序:在基板電極表面形成金屬膜，該金屬膜是與Sn形成金屬互化物的金屬膜； 接合工序:在使形成有所述金屬膜的半導(dǎo)體元件的電極面和形成有所述金屬膜的基板電極的面相對，以含有Sn的焊錫材料將相對的面之間進(jìn)行接合時(shí)，通過所述含有Sn的焊錫材料所形成的第三金屬互化物部將形成在所述基板電極的面上的第一金屬互化物層和形成在所述半導(dǎo)體元件的電極面上的第二金屬互化物層進(jìn)行一部分層間接合。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，形成在所述半導(dǎo)體兀件的表面的金屬膜的材料為Ag和/或Cu ; 形成在所述電極的表面的金屬膜的材料為Au和/或Ag ; 所述含有Sn的焊錫材料為Sn - 3wt%Ag 一 0.5wt%Cu。
全文摘要
提供一種具有優(yōu)異的應(yīng)力緩和性，同時(shí)具有耐熱性的半導(dǎo)體接合結(jié)構(gòu)體，它是通過焊錫材料將半導(dǎo)體元件(102)和電極(103)接合而成的接合結(jié)構(gòu)體。接合部分(212)具有形成在電極側(cè)的第一金屬互化物層(207‘)、形成在半導(dǎo)體元件側(cè)的第二金屬互化物層(208‘)以及被第一金屬互化物層(207‘)和第二金屬互化物層(208‘)的二層夾在中間的由含有Sn的相(210)和棒狀金屬互化物部(209‘)構(gòu)成的第三層(300)，棒狀金屬互化物部(209‘)與第一金屬互化物層(207‘)和第二金屬互化物層(208‘)的兩者層間接合。
文檔編號(hào)C22C13/00GK103155127SQ20118004940
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者中村太一, 古澤彰男, 酒谷茂昭, 北浦秀敏, 石丸幸宏 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社