專(zhuān)利名稱(chēng)：使用焊料合金的半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不含鉛的焊料合金和使用該焊料合金的半導(dǎo)體裝置，具體來(lái)說(shuō)涉及錫(Sn)-銻(Sb)體系的焊料合金。
背景技術(shù)：
焊料合金通常需要有足夠的結(jié)合性能和耐腐蝕性。在用于功率變換器(powerconverter)用途的功率半導(dǎo)體裝置中，用焊料合金將半導(dǎo)體芯片的背面與位于絕緣基片的主表面(前表面)的導(dǎo)體圖案相連，所述絕緣基片是在其表面上具有導(dǎo)體圖案的陶瓷基片。這種焊料合金需要有高的抗熱疲勞強(qiáng)度，這是由于在焊接區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)變(thermal strain)。半導(dǎo)體芯片的背面以平面焊接的方式與絕緣基片表面上的導(dǎo)體圖案相連，半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)與導(dǎo)體圖案的熱膨脹系數(shù)不同。另外，半導(dǎo)體芯片在導(dǎo)電期間會(huì)產(chǎn)生熱量。因此焊接部分會(huì)經(jīng)受很大的熱應(yīng)變。在安裝在功率變換器(在電動(dòng)車(chē)輛中用于功率變換)中的功率半導(dǎo)體裝置(powersemiconductor device)中，位于絕緣基片的其它主表面(背面)的導(dǎo)體圖案與金屬制成的散熱板相連。由于焊接區(qū)域非常寬，用于該接合處的焊料合金必須具有極好的潤(rùn)濕性。另夕卜，在散熱板和絕緣基片背面的導(dǎo)體圖案之間的接合區(qū)域中，由于絕緣基片(陶瓷基片)和散熱板的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)變。由于散熱板和絕緣基片背面上的導(dǎo)體圖案之間接合處的焊接區(qū)域很大，因此在焊接區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)變要大于前述半導(dǎo)體芯片和絕緣基片前表面上的導(dǎo)體圖案之間連接處所產(chǎn)生的應(yīng)變。近來(lái)，考慮到環(huán)境保護(hù)，需要有不含鉛(Pb)的焊料合金。一種已知的這種的焊料合金是錫(Sn)-銻(Sb)合金。一種已知的焊料合金(例如見(jiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)I)包含的主要組分是錫(Sn),還包含不超過(guò)3. 0重量％的鋪(Sb)、不超過(guò)3. 5重量％的銀(Ag)、不超過(guò)0. I重量％的鍺(Ge),另外,還包含不超過(guò)I. 0重量％的銅或不超過(guò)I. 0重量％的鎳、或同時(shí)包含這兩種元素。另一種已知的焊料合金(例如見(jiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)2)包含0.01-10重量％的鍺(Ge)、5-30重量％的銻和65-90重量％的錫(Sn)。[專(zhuān)利文獻(xiàn)I]日本未經(jīng)審查專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)第Hl 1-58066號(hào)[專(zhuān)利文獻(xiàn)2]日本未經(jīng)審查專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)第2003-94194號(hào) 錫(Sn)-銻(Sb)合金的轉(zhuǎn)熔點(diǎn)是在銻為8. 5重量％的位置，轉(zhuǎn)熔溫度為245°C，通常所用錫(Sn)-銻(Sb)合金的組成含有8重量％的銻。錫(Sn)-銻(Sb)合金在錫(Sn)的熔點(diǎn)232°C和轉(zhuǎn)熔點(diǎn)245°C之間發(fā)生發(fā)生熔化。固-液共存區(qū)域很窄，耐熱性良好，通過(guò)增加銻(Sb)的含量能夠獲得出眾的機(jī)械性能。然而，高含量的銻(Sb)會(huì)在合金焊接時(shí)帶來(lái)潤(rùn)濕性低的問(wèn)題。錫(Sn)之類(lèi)的焊料組分的氧化會(huì)帶來(lái)另外的問(wèn)題，即焊接性能變差。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述問(wèn)題進(jìn)行了本發(fā)明的研究。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有極好潤(rùn)濕性和令人滿(mǎn)意焊接性能的錫(Sn)-銻(Sb)體系焊料合金。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供使用具有極好潤(rùn)濕性和令人滿(mǎn)意焊接性能的錫(Sn)-銻(Sb)體系焊料合金的半導(dǎo)體裝置。為了解決所述問(wèn)題，達(dá)到這些目的，根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求I的焊料合金包含3-5重量％的銻、痕量的鍺和余量的錫。根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求2的焊料合金是根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求I的合金，其中鍺的含量不超過(guò)0. 2重量％。根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求3的使用焊料合金的半導(dǎo)體裝置包括在其兩個(gè)表面上都具有導(dǎo)體圖案的絕緣基片，與所述絕緣基片前表面上的導(dǎo)體圖案相連的半導(dǎo)體芯片，與絕緣基片背面上的導(dǎo)體圖案相連的散熱板。用焊料合金對(duì)絕緣基片背面上的導(dǎo)體圖案和散熱板進(jìn)行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的銻、痕量的鍺和余量的錫。根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求4的使用焊料合金的半導(dǎo)體裝置，是根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求3的半導(dǎo)體裝置，其中用焊料合金對(duì)半導(dǎo)體芯片的背面和絕緣基片前表面上的導(dǎo)體圖案進(jìn)行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的銻、痕量的鍺和余量的錫。根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求5的使用焊接合金的半導(dǎo)體裝置，是根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求3或權(quán)利要求4的半導(dǎo)體裝置，其中用焊料合金對(duì)位于半導(dǎo)體芯片表面上的電極和用于接線(xiàn)的導(dǎo)體進(jìn)行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的銻、痕量的鍺和余量的錫。根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求6的使用焊料合金的半導(dǎo)體裝置，是根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)的半導(dǎo)體裝置，其中焊料合金中鍺的含量不超過(guò)0. 2重量％。根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求7的使用焊接合金的半導(dǎo)體裝置，是根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求
3-5中任一項(xiàng)的半導(dǎo)體裝置，其中所述絕緣基片是主要由氧化鋁、氮化鋁或氮化硅組成的陶瓷基片，在基片的兩個(gè)表面上都具有銅圖案，所述散熱板由銅制成。根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求1-7，在錫(Sn)中加入銻(Sb)，所得合金的耐熱性和抗熱疲勞強(qiáng)度都獲得了提高。合金的熔化溫度升高，耐熱性提高。由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的錫(Sn)晶粒粗化現(xiàn)象受到了抑制，改進(jìn)了熱老化性質(zhì)。在這里，因?yàn)槿绻R的含量小于3重量％，熱老化壽命會(huì)非常短，因此加入的銻(Sb)的量?jī)?yōu)選至少為3重量％。如果銻(Sb)的含量超過(guò)5重量％，焊料的潤(rùn)濕性會(huì)變差。因此，加入的銻(Sb)的量?jī)?yōu)選不超過(guò)5重量％。通過(guò)在錫(Sn)-銻(Sb)合金中加入痕量的鍺(Ge)，當(dāng)焊料熔化時(shí)會(huì)形成薄的氧化膜，從而抑制錫(Sn)之類(lèi)焊料組分的氧化，提高焊接功效。此處加入的鍺(Ge)的量?jī)?yōu)選至少為0.01重量％，以充分有效地抑制氧化。另一方面如果鍺含量超過(guò)0.2重量％，鍺(Ge)氧化膜會(huì)生長(zhǎng)得過(guò)厚，對(duì)焊接性能造成負(fù)面影響。因此，加入的鍺的量要適當(dāng)，不超過(guò)0.2重量％。因此當(dāng)鍺的加入量為0. 01-0. 2重量％時(shí)，能夠提供令人滿(mǎn)意的焊接性能和極好的熱老化性能。、
根據(jù)本發(fā)明，制得具有極好潤(rùn)濕性和令人滿(mǎn)意焊接性能的錫(Sn)-銻(Sb)合金。根據(jù)本發(fā)明，制得了一種使用具有極好潤(rùn)濕性和令人滿(mǎn)意焊接性能的錫(Sn)-銻(Sb)合金的半導(dǎo)體裝置。接下來(lái)將參照附圖對(duì)本發(fā)明的焊料合金以及使用該焊料合金的半導(dǎo)體裝置的一些優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。


圖I是使用本發(fā)明焊料合金的半導(dǎo)體裝置的例子的截面圖。符號(hào)說(shuō)明
I陶瓷基片2,3 導(dǎo)體圖案4半導(dǎo)體芯片5,7,9焊料合金6接線(xiàn)導(dǎo)體8散熱板10絕緣基片
具體實(shí)施例方式在一電爐內(nèi)熔化原料錫(Sn)、銻(Sb)和鍺(Ge)制備焊料合金。各原料的純度等于或高于99. 99%。所用材料的組成為3-5重量％的鋪、0. 01-0. 2重量％的鍺,余量為主要組分錫(Sn)。接下來(lái)，下面將描述一個(gè)使用上述焊料合金的半導(dǎo)體裝置的例子。圖I是說(shuō)明該半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的截面圖。參見(jiàn)圖1，絕緣基片10包括陶瓷基片I以及連接在該陶瓷基片兩個(gè)面上的導(dǎo)體圖案2和3。所述陶瓷基片主要由氧化鋁、氮化鋁或氮化硅組成。形成在陶瓷基片I前表面上的導(dǎo)體圖案2是構(gòu)成電路的金屬導(dǎo)體圖案。陶瓷基片I的背面上具有金屬導(dǎo)體圖案3。所述導(dǎo)體圖案2和3優(yōu)選由廉價(jià)且熱導(dǎo)性高的銅組成。半導(dǎo)體芯片4的背面上具有金屬膜形式的背面電極(圖中未顯示)。用具有前述組成的焊料合金5將這些背面電極與絕緣基片10的前表面上的導(dǎo)體圖案相連。在半導(dǎo)體芯片4的前表面上具有金屬膜前表面電極(圖中未顯示)。用具有上述組成的焊料合金7將前表面電極與連線(xiàn)導(dǎo)體6相連。用具有上述組成的焊料合金9將絕緣基片10背面上的導(dǎo)體圖案3與金屬散熱板8相連。所述散熱板是導(dǎo)熱體，能將熱量傳導(dǎo)到半導(dǎo)體外殼的外部散熱片(圖中未顯示)。散熱板優(yōu)選由廉價(jià)而熱導(dǎo)率高的銅制成。在絕緣基片10背面上的導(dǎo)體圖案3和散熱板8之間的焊接區(qū)域中，會(huì)由于絕緣基片10的陶瓷基片I與散熱板8之間熱膨脹系數(shù)的不同而造成很大的熱應(yīng)變。特別是具有大的熱膨脹系數(shù)的銅的熱膨脹系數(shù)與陶瓷基片I顯著不同。因此，在絕緣基片10背面上的導(dǎo)體圖案3和散熱板8之間的焊接區(qū)域中會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變。如果散熱板是由熱膨脹系數(shù)小于銅的材料(例如鋁或銅和鑰的合金)制成的，可以減少由于熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的應(yīng)變。然而這些材料價(jià)格貴且熱導(dǎo)率低，致使半導(dǎo)體裝置的冷卻性能變差。通過(guò)使用具有上述組成的焊料合金來(lái)連接導(dǎo)體圖案3和散熱板8，可以在使用廉價(jià)且熱導(dǎo)率高的銅的情況下得到極好的冷卻性能和令人滿(mǎn)意的焊接性能?？梢允褂门c焊料合金5、7、9組成不同的焊料來(lái)連接半導(dǎo)體芯片4的前表面電極和接線(xiàn)導(dǎo)體6，并用來(lái)連接半導(dǎo)體芯片4的背面電極和絕緣基片10上的導(dǎo)體圖案2。實(shí)施例實(shí)施例I至4制備具有如下組成的錫(Sn)-銻(Sb)體系焊料合金5.0重量％的銻(Sb)、四種含量在0. 01-0. 2重量％范圍的鍺(Ge)和余量的錫(Sn)。實(shí)施例I中的鍺含量為0. 01重量％，實(shí)施例2中的鍺含量為0. 05重量％，實(shí)施例3中的鍺含量為0. I重量％，實(shí)施例4中的鍺含量為0. 2重量％。
實(shí)施例5至8制備具有如下組成的錫(Sn)-銻(Sb)體系焊料合金3.0重量％的銻(Sb)、四種含量在0. 01-0. 2重量％范圍的鍺(Ge)和余量的錫(Sn)。實(shí)施例5中的鍺含量為0. 01重量％，實(shí)施例6中的鍺含量為0. 05重量％，實(shí)施例7中的鍺含量為0. I重量％，實(shí)施例8中的鍺含量為0. 2重量％。對(duì)比例I至4制備不含鍺(Ge)的焊料合金進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比例I中的Sb含量為6. 0重量％，對(duì)比例2中的Sb含量為5. 0重量％，對(duì)比例3中的Sb含量為3. 0重量％，對(duì)比例4中的Sb含量為2. 0重量％ ;在每個(gè)對(duì)比例中余下的組分是錫(Sn)。采用彎液面測(cè)量(meni scograph)法,使用RMA類(lèi)型的助焊劑(soldering flux),測(cè)量各制備的焊料合金的潤(rùn)濕性(濕強(qiáng)度(wet strength) )0測(cè)量各個(gè)焊料合金上的濕潤(rùn)面積的比率和濕潤(rùn)角，并觀察在熔體上的氧化膜形成情況。還評(píng)價(jià)各種焊料合金的熱老化壽命。在評(píng)價(jià)熱老化壽命時(shí)，使用各種焊料合金將絕緣基片上的金屬導(dǎo)體圖案與金屬散熱板焊接起來(lái)，制得了連接體(conjugated body)(散熱板8與絕緣基片10的結(jié)合,用焊料合金9將具有導(dǎo)體圖案3的絕緣基片10和散熱板8連接起來(lái)，如圖I所示)。對(duì)這些連接體反復(fù)施加_40°C至125°C的溫度循環(huán)。在1000個(gè)循環(huán)后測(cè)量裂紋的長(zhǎng)度。表I列出了結(jié)果。在表I的“氧化膜”欄中，X和◎分別表示顯著生成氧化膜和極少生成氧化膜。表I
權(quán)利要求
1.一種使用焊料合金的半導(dǎo)體裝置，該裝置包括 在其兩個(gè)表面上都具有導(dǎo)體圖案的絕緣基片， 與所述絕緣基片前表面上的導(dǎo)體圖案相連的半導(dǎo)體芯片， 與絕緣基片背面上的導(dǎo)體圖案相連的散熱板， 用焊料合金對(duì)絕緣基片背面上的導(dǎo)體圖案和散熱板進(jìn)行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的銻、O. 01-0. 05重量％的鍺和余量的錫； 所述絕緣基片是主要由氧化鋁、氮化鋁或氮化硅組成的陶瓷基片，在基片的兩個(gè)表面上都具有銅圖案，所述散熱板由銅制成。
2.如權(quán)利要求I所述的使用焊料合金的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，用焊料合金對(duì)半導(dǎo)體芯片的背面和絕緣基片前表面上的導(dǎo)體圖案進(jìn)行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的銻、O. 01-0. 05重量％的鍺和余量的錫。
全文摘要
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提高錫(Sn)-銻(Sb)體系焊料合金的潤(rùn)濕性和焊接性能。使用焊料合金6將具有半導(dǎo)體芯片4的絕緣基片10上的導(dǎo)體圖案3與散熱板8相連接，所述焊料合金包含3-5重量％的銻(Sb)、不超過(guò)0.2重量％的鍺(Ge)和余量的錫(Sn)?？捎猛?lèi)的焊料合金5將半導(dǎo)體芯片4和絕緣基片10上的半導(dǎo)體圖案2連接。可用同類(lèi)的焊料合金7將半導(dǎo)體芯片4和連線(xiàn)導(dǎo)體6連接。
文檔編號(hào)C22C13/02GK102637662SQ201210102888
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2006年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者両角朗, 征矢野伸, 高橋良和 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社