專利名稱：釬焊材料、半導(dǎo)體器件、釬焊方法和半導(dǎo)體器件制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及釬焊材料(soldering material)、釬焊方法、使用上述材料的半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法，所述釬焊材料特別適用于電子器件各部件之間、金屬材料之間、表面上用金屬進(jìn)行金屬化的非金屬材料與金屬材料之間、表面上用金屬進(jìn)行金屬化的非金屬材料之間的釬焊。
背景技術(shù)：
釬焊接合技術(shù)是使用某種物質(zhì)以及熔點比前述物質(zhì)低的另一種物質(zhì)的釬焊技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)被普遍使用，并且還被廣泛地用于將電子裝置釬焊到釬料半導(dǎo)體(solder semiconductor)元件和電子部件上，電子部件例如微處理器、存儲芯片、電阻器和具有裝置板的電容器。釬焊接合的特征是部件被機(jī)械固定到板上，并且通過在釬料中包含具有導(dǎo)電性的金屬而被電氣接合。
現(xiàn)在，隨著個人電子器件和裝置例如個人計算機(jī)、手機(jī)等的快速普及，釬焊材料的選擇或電子部件封裝技術(shù)中的釬焊方法已經(jīng)變得越來越重要了。
傳統(tǒng)上，經(jīng)常使用錫-鉛基共晶釬料，因為它非常適合實際使用。但是，錫-鉛基共晶釬料中含有的鉛對人類有害。因此，需要在短時間內(nèi)開發(fā)所說的不含鉛的無鉛釬料。
另一方面，在當(dāng)前在半導(dǎo)體器件中使用的、例如在功率器件中使用的釬焊材料中，主要使用熔點約183℃的低溫型釬料(Sn-Pb共晶釬料)和熔點約300℃的高溫型釬料(Pb-5Sn釬料)，并且取決于各個工藝而選擇性地加以使用。
關(guān)于兩者中的低溫型釬料，大體上錫-銀-銅基合金已經(jīng)達(dá)到了實踐階段，希望很多裝配廠將在幾年內(nèi)完成到無鉛釬料的替換。
但是，關(guān)于高溫型釬料，即用于形成釬焊部分以既便在高溫例如260℃也保持良好機(jī)械強(qiáng)度的釬焊材料，除了高鉛含量的材料之外，還沒有找到其它有希望的候選材料。
當(dāng)想要使用不含有害物質(zhì)例如鉛等的金屬材料來開發(fā)熔點約300℃的金屬合金時，可以想到的是將主要含錫(熔點為232℃)的錫基合金制成具有更高熔點的材料，將含鋅(熔點為420℃)的鋅基合金制成具有更低熔點的材料，等等。但是，從對這些合金的開發(fā)中，還沒有找到能夠形成可以在高溫下既具有機(jī)械強(qiáng)度又具有良好釬焊性能的釬焊部分的釬焊材料。
關(guān)于形成可以在高溫條件下保持良好機(jī)械特性的釬焊部分的技術(shù)，已經(jīng)提出了將釬焊部分改變成金屬間化合物以提高耐熱性的方法，例如，T.Yamamoto等的“Reactivity to form intermetalliccompounds in the micro joint using Sn-Ag solder”(13thMicroElectronics Symposium research papers(2003)，45至48頁)，以及T.Yamamoto等的“Evaluation of Reactivity between Sn-AgSolder and Au/Ni-Co Plating to Increase the Melting Temperatureof Micro Joints”(10thSymposium on“Microjoining and AssemblyTechnology in Electrics”，10(2004)，117至122頁)。
但是，上述方法的缺點是這些方法需要將釬焊部分的整個界面變成金屬間化合物，這需要很長的持續(xù)時間來使化合物充分生長，例如，約30分鐘到1小時來安裝器件。此外，還有一個缺點，即由于金屬間化合物的脆性，釬焊部分的機(jī)械可靠性較差，并且擔(dān)心熱導(dǎo)率和電阻也將變差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過使用基本不含鉛的釬焊材料，提供了可以在短時間內(nèi)形成即使在高溫條件下也能夠保持良好機(jī)械強(qiáng)度的釬焊部分的釬焊材料(soldered material)；提供了釬焊方法；提供了半導(dǎo)體器件，其使用基本不含鉛的釬焊材料可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)釬焊，使得半導(dǎo)體元件的釬焊部分和引線框即使在高溫條件下也能保持良好的機(jī)械強(qiáng)度；還提供了制造半導(dǎo)體器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，可以提供釬焊材料，其包括待釬焊的第一金屬材料、待釬焊的第二金屬材料以及在第一金屬材料與第二金屬材料之間釬焊的釬焊層，所述第二金屬材料位于第一金屬材料附近、且基本上由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成，其中，在釬焊層的橫截面顯微結(jié)構(gòu)中，存在包括構(gòu)成第二金屬材料的元素和錫的固溶體相。釬焊層的橫截面顯微結(jié)構(gòu)還具有多個金屬間化合物相，這些相具有構(gòu)成第二金屬材料的至少一種元素和錫作為組成元素。
在釬焊材料中，期望第一金屬材料基本上由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成。在這些釬焊材料中，更期望第一金屬材料基本上由鎳或鉑組成。此外，在這些釬焊材料中，期望第二金屬材料基本上由鎳或鉑組成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以提供半導(dǎo)體器件，包括具有第一表面的半導(dǎo)體元件，該第一表面用金屬薄膜金屬化；具有第二表面的金屬引線框，該第二表面用于安裝該半導(dǎo)體元件，第二表面基本上由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成；介于(interposed)半導(dǎo)體元件的第一表面與金屬引線框的第二表面之間的釬焊層，以釬焊半導(dǎo)體元件和金屬引線框，并且在該釬焊層的橫截面顯微結(jié)構(gòu)中具有包括構(gòu)成第二金屬材料的至少一種元素和錫的固溶體相，并且具有多個金屬間化合物相，該金屬之間化合物相具有構(gòu)成第二金屬材料的至少一種元素和錫作為組成元素；以及密封半導(dǎo)體元件和引線框的密封樹脂。在半導(dǎo)體器件中，期望金屬薄膜基本上由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成。并且，在半導(dǎo)體器件中，更期望金屬薄膜基本上由鎳或鉑組成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以提供釬焊方法，該方法包括通過置入(interposing)由錫或錫合金組成的、厚度在0.1μm到130μm范圍內(nèi)的薄層釬焊材料，將第一金屬材料和第二金屬材料層疊以形成疊層，并在265℃到450℃范圍內(nèi)的溫度下加熱疊層以相互地釬焊第一金屬材料和第二金屬材料，第二金屬材料基本上由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成且具有至少0.1μm或更大的厚度。
在釬焊方法中，期望錫合金選自主要由錫和銀組成的錫-銀基合金，主要由錫、銀和銅組成的錫-銀-銅基合金，主要由錫和銅組成的錫-銅基合金，以及主要由錫和鋅組成的錫-鋅基合金，并且該錫合金的液相線溫度為232℃或更低。在釬焊方法中，期望第一金屬材料基本上由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成。在釬焊方法中，更期望第一金屬材料基本上由鎳或鉑組成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以提供制造半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括，層疊具有用金屬薄膜金屬化的第一表面的半導(dǎo)體元件和具有用于安裝半導(dǎo)體元件的第二表面的引線框以形成疊層，在265℃到450℃范圍內(nèi)的溫度下加熱疊層以將半導(dǎo)體元件和引線框彼此釬焊，以及用樹脂密封被釬焊的半導(dǎo)體元件和引線框，所述用于安裝半導(dǎo)體元件的第二表面基本由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成，引線框的厚度為50μm或更大，其中，在彼此相對的半導(dǎo)體元件的第一表面與引線框的第二表面之間，置入厚度在0.1μm到300μm范圍內(nèi)的錫或錫合金的薄層釬焊材料。
在制造半導(dǎo)體器件的方法中，期望錫合金選自主要由錫和銀組成的錫-銀基合金，主要由錫、銀和銅組成的錫-銀-銅基合金，主要由錫和銅組成的錫-銅基合金，以及主要由錫和鋅組成的錫-鋅基合金，以及其它錫基合金。在制造半導(dǎo)體器件的方法中，期望金屬薄膜是選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素。在制造半導(dǎo)體器件的方法中，更期望金屬薄膜基本上由鎳或鉑組成。
根據(jù)本發(fā)明的多個方面，例如，當(dāng)使用鎳作為第二金屬材料時，如果鎳形成約1％的固溶體，其液相線升高到約350℃，如在圖6的Ni-Sn相圖中示出的。因此，當(dāng)具有例如232℃或更低液相線溫度的錫或錫合金被置于第一金屬材料與第二金屬材料(鎳)之間，并被加熱時，錫或錫合金在232℃熔化。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時，鎳熔化以產(chǎn)生對應(yīng)于該溫度的固溶體組成，從而形成具有高熔點的釬焊層，其在冷卻過程中部分沉淀成金屬間化合物以形成具有顯著耐熱性的釬焊層，釬焊層具有分散在Sn-Ni固溶體中的金屬間化合物細(xì)顆粒。
剩余的沒有熔化的第二金屬材料變成基底銅的阻擋層，用于抑制銅與錫合金之間的反應(yīng)，從而增加與引線框、芯片電極等的釬焊界面的穩(wěn)定性。為了形成具有高熔點的釬焊層，半導(dǎo)體器件的釬焊層具有0.1到300μm、優(yōu)選1到100μm、更優(yōu)選1到50μm的厚度，并且半導(dǎo)體元件的金屬化層例如鎳具有0.1到5μm范圍內(nèi)的厚度。在進(jìn)行金的金屬化的地方，其厚度優(yōu)選為約100nm。加熱溫度期望是錫或錫合金的熔點或更高，并且不超過450℃，更優(yōu)選地為約350℃，450℃是引線框的軟化溫度。
根據(jù)本發(fā)明一個方面的釬焊材料即使在不使用有害的高含鉛量的釬焊材料時也具有足夠的釬焊強(qiáng)度，并且即使在高溫條件下也可以保持機(jī)械強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的釬焊方法，通過使用錫基釬焊材料，而不使用有害的高含鉛量的釬焊材料，即使在釬焊峰值溫度的保持時間短時，也可以形成具有高耐熱性的釬焊部分。
具體地，根據(jù)本發(fā)明另一方面的釬焊方法，可以在短時間內(nèi)進(jìn)行釬焊，這有助于釬焊材料生產(chǎn)效率的提高。例如，在實際的半導(dǎo)體器件安裝過程中，生產(chǎn)速度可以設(shè)定為與使用含鉛釬料的當(dāng)前生產(chǎn)速度相同的水平，而不會降低生產(chǎn)效率。
根據(jù)本發(fā)明多個方面的制造半導(dǎo)體器件的方法以及這種半導(dǎo)體器件，即使暴露于高溫條件下，也可以保持半導(dǎo)體元件與引線框之間的釬焊強(qiáng)度，并且即使在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中沒有使用有害的高含鉛量的釬焊材料，也可以在短時間內(nèi)生產(chǎn)高度可靠的半導(dǎo)體器件。因此，本發(fā)明在工業(yè)上以及從環(huán)境保護(hù)措施方面看都非常有用。


圖1是示出了本發(fā)明一個實施方案的釬焊材料的橫截面視圖。
圖2是示出了本發(fā)明另一個實施方案的釬焊層的橫截面示意圖。
圖3A到圖3D是示出了本發(fā)明另一個實施方案的釬焊方法的橫截面視圖。
圖4是示出了本發(fā)明另一個實施方案的另一種釬焊方法的橫截面視圖。
圖5是示出了本發(fā)明另一個實施方案的半導(dǎo)體元件與引線框之間的釬焊模式的橫截面視圖。
圖6是示出了Ni-Sn二元合金的Sn 90-100范圍內(nèi)的液相線的相圖。
圖7是示出了本發(fā)明另一個實施方案的半導(dǎo)體器件的正視圖。
圖8是沿圖7中半導(dǎo)體器件的切割面的橫截面視圖。
圖9是圖8的截面視圖的放大的橫截面視圖。
具體實施例方式
圖1是放大的截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的釬焊材料，其具有釬焊到第二金屬材料2的第一金屬材料1，以及介于兩者之間的釬焊層3。
在這個實施方案中，金屬材料被用于第一金屬材料1。所使用的金屬材料可以根據(jù)使用來選擇，并且不限于具體的一種材料。但是，希望使用的材料是，當(dāng)其在高溫條件下溶解并且擴(kuò)散到熔融錫中時，由于在錫中形成固溶體而形成的錫合金的固相線溫度不會顯著下降。具體地，以與后面描述的第二金屬材料一樣的方式，第一金屬材料1期望由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成。還可以使用那些金屬的合金。在這些金屬中，尤其期望使用選自鎳和鉑的元素。通過使用這些金屬，可以形成耐熱性極好的釬焊部分。更期望的是使用鎳，因為它的使用便于形成錫合金，并且其也可以工業(yè)化地使用。除了上述金屬之外，鍺、鈮、錳、銅、鐵、銀和鐵-鎳合金例如Fe-42Ni合金也是優(yōu)選的材料。第一金屬材料不必由單一金屬材料組成，而是可以例如是金屬-金屬包覆材料或金屬-陶瓷復(fù)合材料。無論如何，如果釬焊面一側(cè)由上述任何金屬組成，都可以應(yīng)用本發(fā)明。
使用選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素用于第二金屬材料2是必要的，并且根據(jù)使用來選擇。當(dāng)通過高溫加熱而溶解并擴(kuò)散到含錫釬焊材料中時，這種元素溶解到錫中，并且可以急劇增加所形成的錫合金的液相線溫度。并且，也可以使用這些金屬的合金。在這些金屬中，考慮到錫合金液相線的升高，鎳和鉑是尤其期望的，并且作為工業(yè)化可用金屬的鎳是更期望的。第二金屬材料不必由單一金屬材料組成，而是可以由例如是金屬-金屬包覆材料或金屬-陶瓷復(fù)合材料形成。無論如何，如果釬焊面一側(cè)由上述金屬組成，都可以應(yīng)用本發(fā)明。
在釬焊第一金屬材料1與第二金屬材料2的釬焊層3的橫截面結(jié)構(gòu)中，存在錫的基體相，即含有構(gòu)成第二金屬材料的元素和錫的固溶體相。
釬焊層3最初是錫的基體相，是低熔點溫度金屬，但是通過溶解構(gòu)成第二金屬材料的元素或構(gòu)成第一金屬材料的元素而變成具有300到400℃或更高的液相線溫度的錫合金。通過以這種方式構(gòu)成，即使釬焊層3溫度很高，也就是即使它處于260℃的溫度條件下，釬焊層3作為整體也不會形成液相，而是保持液相和固相混合的固液共存狀態(tài)。因此，為釬焊部分被提供了提高的耐熱性。
當(dāng)整個釬焊層變成金屬間化合物時，釬焊部分變?yōu)榫哂懈呷埸c，但是金屬間化合物本身具有高脆性，使得釬焊部分變脆，并且其機(jī)械強(qiáng)度可能降低。但是，在本發(fā)明中，金屬間化合物分散在固溶體中，從而可以得到具有高機(jī)械強(qiáng)度和良好耐熱性的釬焊部分。
當(dāng)將被結(jié)晶的金屬間化合物相是針狀時，它成為釬焊部分的裂紋的原因，并且可能不能保持機(jī)械強(qiáng)度。但是，根據(jù)本發(fā)明的在釬焊部分中形成的金屬間化合物具有如下描述的曲邊狀(scallop)或粒狀，并且不會引起這種問題。
在圖2中示出了釬焊層3實例的橫截面示意圖。圖2中示出的釬焊層13示意性地示出了對按如下描述得到的釬焊材料的橫截面進(jìn)行SIM(掃描離子顯微鏡)觀察的結(jié)果。該釬焊材料是如下得到的使用厚度為300μm的鎳板作為第一金屬材料和第二金屬材料，將錫箔置于第一金屬材料與第二金屬材料之間作為釬焊材料來形成疊層，并且在30秒的加熱時間以及5秒的峰值溫度(350℃)條件下加熱該疊層。
具體地，如圖2所示，第一金屬材料11與第二金屬材料12之間的釬焊層13在其中具有固溶體相14以及錫相15，固溶體相14具有溶解在錫中的作為至少第一或第二金屬材料的組成元素的鎳，錫相15不含構(gòu)成第二金屬材料的元素。并且，在第一金屬材料11或第二金屬材料12與釬焊層13之間的界面中存在曲邊狀金屬間化合物相16，其具有構(gòu)成第一和/或第二金屬材料的元素以及錫作為組成元素。
在根據(jù)本發(fā)明實施方案的釬焊材料中，在第一金屬材料或第二金屬材料與釬焊層之間的界面中，可能存在或不存在具有構(gòu)成第一和/或第二金屬材料的元素以及錫作為組成元素的曲邊狀金屬間化合物相。但是，如果曲邊狀金屬間化合物含量過大，那么釬焊強(qiáng)度就可能降低，因為其含量期望地盡可能地小。具體地，其平均厚度期望為平均釬焊部分的厚度的一半或更少。
圖2中示出的實例具有由單一元素組成的第二金屬材料，但是當(dāng)?shù)诙饘俨牧嫌芍辽賰煞N元素組成時，含有構(gòu)成第二金屬材料的元素和錫的固溶體相就可能含有構(gòu)成第二金屬材料的元素的一部分或全部。
在圖2所示的實例中，對第一金屬材料和第二金屬材料使用了相同類型的材料，但是當(dāng)對第一金屬材料和第二金屬材料使用了不同類型的材料時，含有構(gòu)成第二金屬材料的元素和錫的固溶體相就可能還含有構(gòu)成第一金屬材料的元素的一部分或全部。
當(dāng)對第一金屬材料和第二金屬材料使用了不同類型的材料時，具有構(gòu)成第二金屬材料的元素和錫作為組成元素的粒狀金屬間化合物還可能含有構(gòu)成第一金屬材料的元素的一部分或全部。
此外，當(dāng)對第一金屬材料和第二金屬材料使用了不同類型的材料時，釬焊層在其中可以具有含有第一金屬材料和錫的相，以及具有構(gòu)成第一金屬材料的元素和錫作為組成元素的粒狀金屬間化合物相。
粒狀金屬間化合物相期望地在所觀察的釬焊層范圍的5％到20％面積比例內(nèi)存在。在該面積比例下，釬焊部分可以保持機(jī)械強(qiáng)度，并且增強(qiáng)耐熱性的效果很高。
粒狀金屬間化合物相期望地在將被觀察的范圍內(nèi)具有從0.1μm到5μm的平均顆粒直徑。在該平均顆粒直徑下，提供釬焊部分耐熱性的效果很高。
粒狀金屬間化合物相不限于具體的形狀。為了增高耐熱性，更期望地是短軸與長軸的比在1∶1到1∶3的范圍內(nèi)。并且，粒狀金屬間化合物相可以具有不平的表面。
上述的釬焊材料可以通過進(jìn)行下面詳細(xì)描述的釬焊方法得到。但是，該方法不是唯一的。
圖3A到圖3D是示出了本發(fā)明另一個實施方案的釬焊方法的橫截面視圖。如圖3A所示，第一金屬材料1、薄層釬焊材料5和第二金屬材料2被層疊以形成疊層6。這時，可以施加壓力。
然后，疊層6被加熱以得到釬焊材料4，其使得第一金屬材料1和第二金屬材料2通過置于兩者之間的釬焊層3釬焊，如圖3B所示。
為了得到疊層6，薄層釬焊材料5被預(yù)先金屬化到第二金屬材料2的表面上，如圖3C所示，并且第一金屬材料1可以被層疊在附著到第二金屬材料2表面的薄層釬焊材料5上，以形成疊層6。如圖3D所示，疊層6的形成還可以通過預(yù)先金屬化第一金屬材料1的表面，并將第二金屬材料2層疊到附著在第一金屬材料1表面的薄層釬焊材料5。
第一金屬材料或第二金屬材料被金屬化到由金屬、陶瓷、半導(dǎo)體等形成的另一部件的表面上，并且相關(guān)部件被用作用于釬焊到另一個部件的部件，這種情況也包含在本發(fā)明的范疇內(nèi)。
圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的另一種釬焊方法的橫截面視圖。在該實施方案中，第一金屬材料1被金屬化到基底材料7的表面上，第二金屬材料2被金屬化到基底材料8的表面上。薄層釬焊材料5置于金屬化層之間，以構(gòu)成疊層9。然后，疊層9被加熱以進(jìn)行釬焊。在基底材料8和金屬化層2由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成的情況下，基底材料8和金屬化層2的疊層形成第二金屬材料。
圖4示出了其中第一金屬材料和第二金屬材料都分別被金屬化到其它基底材料表面上的實例，但是只有第一金屬材料被金屬化到一個基底材料表面上而第二金屬材料沒有被金屬化到另一個基底材料表面上的情況也包含在本發(fā)明的范疇內(nèi)。反過來，只有第二金屬材料被金屬化到一個基底材料表面上而第一金屬材料沒有被金屬化到另一個基底材料表面上的情況也包含在本發(fā)明的范疇內(nèi)。
關(guān)于用于將第一和第二金屬材料金屬化到其它部件表面上的途徑，有氣相沉積、鍍覆加工、電子束加工等，例如濺射。
下面將詳細(xì)描述將被用于上述釬焊方法的部件。金屬材料一般被用于第一金屬材料1。金屬材料可以根據(jù)使用來選擇，并且不限于具體的一種，但是期望的是當(dāng)其在高溫條件下在熔融錫中溶解并且擴(kuò)散時溶解到錫中，并且不會顯著降低將形成的錫合金的固相線溫度。具體地，以與后面描述的第二金屬材料一樣的方式，當(dāng)材料期望地選自鎳、鈀、鉑和鋁時，可以形成耐熱性極好的釬焊部分。期望材料選自鎳和鉑。也可以使用這些金屬的合金。期望使用鎳或鉑，更期望使用鎳，因為其是可工業(yè)化使用的金屬。除了上述金屬之外，例如鍺、鈮、錳、銅、鐵、銀和鐵-鎳合金例如Fe-42Ni合金也可以適當(dāng)使用。
對于第二金屬釬焊材料2，使用選自鎳、鈀、鉑和鋁的材料。還可以使用它們的合金材料。在由于在高溫下加熱而溶解并擴(kuò)散到含錫的薄層釬焊材料中時，這些元素將會急劇增加將形成的錫合金的液相線溫度。在它們中，就錫合金液相線的升高而言，鎳和鉑是尤其期望的。
第一金屬材料是除選自鎳、鈀、鉑和鋁的材料之外的金屬材料，第一金屬材料的厚度(平均厚度)期望在0.1μm到500μm的范圍內(nèi)。當(dāng)?shù)谝唤饘俨牧鲜沁x自鎳、鈀、鉑和鋁的材料時，厚度期望在0.1μm到100μm的范圍內(nèi)。
第二金屬材料需要具有0.1μm或更大的厚度(平均厚度)。如果小于0.1μm，那么元素不能充分?jǐn)U散到釬焊層中的錫合金中，并且可能不能形成具有耐熱性的釬焊部分。并且，期望第二金屬材料具有500μm或更小的厚度。
例如，在如圖4所示地金屬化層2形成在基底材料8上、并且基底材料8和金屬化層2由選自鎳、鈀、鉑和鋁的至少一種元素組成的情況中，基底材料8和金屬化層2的疊層被假定為第二金屬材料2，并且金屬化層2和基底材料8的總厚度適當(dāng)?shù)貫?.1μm或更大。
例如，在如圖4所示地金屬化層2形成在基底材料8上的情況中，當(dāng)基底材料8由除選自鎳、鈀、鉑和鋁的材料之外的其它材料組成，并且如圖4所示，第二金屬材料2被金屬化到基底材料8上以釬焊基底材料8時，厚度為0.1μm或更大，期望地為1μm或更小。
例如，在如圖4所示地金屬化層2形成在基底材料8上的情況中，即使基底材料8由選自鎳、鈀、鉑和鋁的材料組成，并且金屬化層2是除選自鎳、鈀、鉑和鋁的材料之外的其它材料，基底材料8和金屬化層2的疊層也被確定為第二金屬材料2，并且如果金屬化層由例如金、銀的具有到熔融錫中的高溶解度的材料組成，那么基底材料8可以具有0.1μm或更大的厚度，并且具有1μm或更小的厚度。
對于薄層釬焊材料，使用錫或錫合金。對于錫合金，主要由錫和銀組成的錫-銀基合金，主要由錫、銀和銅組成的錫-銀-銅基合金，主要由錫和銅組成的錫-銅基合金，以及主要由錫和鋅組成的錫-鋅基合金是期望的。期望的是錫合金具有232℃或更低的液相線溫度。下面將描述具有232℃或更低的液相線溫度的錫合金組成的具體實例。
錫-銀基合金0.1wt％或更多且4.0wt％或更少的Ag，其余為Sn。
錫-銅基合金0.1wt％或更多且1.0wt％或更少的Cu，其余為Sn。
錫-銀和銅基合金0.1wt％或更多且4.0wt％或更少的Ag，0.1wt％或更多且1.0wt％或更少的Cu，其余為Sn。
錫-鋅基合金0.1wt％或更多和12.0wt％或更少的Zn，其余為Sn。
此外，這些合金可以含有0wt％或更多且10wt％或更少的例如銅、鋅、鎳、鉍、銦和銻的元素。
期望薄層釬焊材料的厚度為0.1μm到300μm，優(yōu)選地從1μm到100μm，更優(yōu)選地從1μm到50μm，更優(yōu)選地從3μm到15μm，最優(yōu)選地從5μm到10μm，以通過待釬焊金屬材料的擴(kuò)散來適當(dāng)?shù)貪M足確保釬焊材料釬焊性能的實現(xiàn)以及耐熱性的提高。如果薄層釬焊材料過厚，那么待釬焊的金屬材料在釬焊時間內(nèi)就不會充分?jǐn)U散到釬焊材料中，因此耐熱性就不可能提高，而如果其過薄，那么釬焊材料的可濕性就會降低，并且可能不能確保釬焊強(qiáng)度。
關(guān)于提供薄層的途徑，有鍍覆處理、釬焊膏、片狀釬料(sheetsolder)、線狀釬料(wire solder)、通過蒸發(fā)、離子濺射、Super-Juffit方法的釬料預(yù)涂覆或超釬焊(super-solder)方法等。
在使用釬焊膏且其厚度被過度增加的情況下，待釬焊的金屬材料不能在幾秒的釬焊時間中充分?jǐn)U散到錫基層部分中，不能實現(xiàn)耐熱性的提高。因此，為了適當(dāng)?shù)貪M足在短時間內(nèi)實現(xiàn)高熔點，期望膏的厚度被設(shè)定在50到100μm、更優(yōu)選50到80μm的范圍，以盡可能地減小厚度。
在使用片狀釬料材料且片的厚度極大的情況下，可以想到待釬焊的金屬材料不能在幾秒的釬焊時間中充分?jǐn)U散到錫基層部分中，不能實現(xiàn)耐熱性的提高。因此，為了適當(dāng)?shù)貪M足在短時間內(nèi)實現(xiàn)耐熱性的提高，期望片的厚度被設(shè)定在30到50μm的范圍，以盡可能地減小厚度。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的釬焊方法。在疊層被加熱的情況下，加熱溫度在265℃到450℃的范圍內(nèi)。在該范圍內(nèi)，主要由熔點為232℃的錫組成的薄層釬焊材料熔化，保持固相狀態(tài)的第二金屬材料溶解并擴(kuò)散到薄層釬焊材料中，從而在錫中形成固溶體。加熱溫度優(yōu)選地在300℃到450℃的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在350℃到400℃的范圍內(nèi)。更期望的是加熱到約350℃。
加熱時間(具體地，在峰值溫度的加熱時間)期望為5秒或更長。加熱時間更優(yōu)選地在5秒到2分鐘的范圍內(nèi)，更期望地在5秒到1分鐘的范圍內(nèi)，最優(yōu)選地在5秒到30秒的范圍內(nèi)。加熱溫度和加熱時間可以是在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中對疊層的加熱溫度和加熱時間。
根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的釬焊方法，具有特定組成的第二金屬材料和具有特定組成的薄層釬焊材料在265℃或更高的高溫下被加熱，以熔化主要由熔點為232℃的錫組成的薄層釬焊材料，并且使保持固相狀態(tài)的至少第二金屬材料溶解并擴(kuò)散到薄層釬焊材料中。在釬焊層內(nèi)，第二金屬材料組成元素溶解到錫中，將要形成的錫合金的液相線溫度顯著增加。因此，可以使釬焊部分具有提高的耐熱性。換句話說，除去了具有低熔點的錫相部分，從而確保高溫安裝材料所需的260℃，可以在260℃的高溫條件下保持釬焊層的耐熱性。在薄層釬焊材料中，除了由于至少第二金屬材料的擴(kuò)散而形成的第二金屬材料組成元素融化到錫中的相之外，可能生成由錫和至少第二金屬材料組成元素構(gòu)成的金屬間化合物相等。結(jié)果是，即使在高溫條件下，也可以在短時間內(nèi)得到具有良好機(jī)械性能的釬焊材料。
根據(jù)本發(fā)明實施方案的釬焊材料和釬焊方法可以在任何領(lǐng)域中使用，但是特別適合于釬焊電子裝置部件或半導(dǎo)體器件的部件，尤其是在生產(chǎn)過程中或者在產(chǎn)品被使用時被置于高溫條件下的功率半導(dǎo)體器件。尤其是，其特別適合用于釬焊半導(dǎo)體元件和引線框。
圖7是示出了本發(fā)明另一個實施方案的半導(dǎo)體器件的正視圖。圖7中半導(dǎo)體器件的左半部分是用來便于理解半導(dǎo)體器件的立體圖。該實施方案的半導(dǎo)體器件由引線31、密封樹脂32、線33、具有引線部分37的引線框34、釬焊層35和半導(dǎo)體元件36組成。兩條引線31中每一條都通過線33連接到半導(dǎo)體元件36。引線框34的引線部分37位于兩條引線31之間。兩條引線31和引線部分37的作用例如分別是發(fā)射極、基極和集電極。
圖8是沿圖7中半導(dǎo)體器件的由虛線指示的切割面的橫截面視圖。圖9是圖8截面視圖中虛線部分的放大截面視圖。
如圖8和圖9清楚顯示的，該半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體元件36、半導(dǎo)體元件安裝在其上的引線框34、用于釬焊半導(dǎo)體元件36和引線框34的釬焊層35，以及密封半導(dǎo)體元件36、引線框34和釬焊層35的密封樹脂32。例如，引線框34可以鍍銀的。根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的半導(dǎo)體器件的實例包括二極管、晶體管、電容器、晶閘管(thyristor)等。
在根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的制造半導(dǎo)體器件的方法中，可以施加合適的壓力。
(實施例)將參照下列實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
(實施例1)將半導(dǎo)體元件和功率半導(dǎo)體器件的引線框釬焊起來。圖5是顯示該半導(dǎo)體元件和引線框的釬焊模式的橫截面視圖。在這個功率半導(dǎo)體模塊中，通過氣相沉積金作為第一金屬材料形成0.1μm厚的金的金屬層18以便對10平方毫米的硅半導(dǎo)體元件17金屬化。并且，通過電子束加工在銅制引線框19上形成0.5μm厚的鎳薄層20作為第二金屬材料。然后，通過非電鍍在該鎳薄層20上形成5μm厚的錫薄層21作為薄層釬料材料。將硅半導(dǎo)體元件17和引線框19層疊以便使金屬層18和錫薄層21相互接觸并通過加熱釬焊，其中半導(dǎo)體元件17上附著有金屬層18，而引線框19具有與薄的鎳鍍層20附著的錫薄層21。在氧濃度為100ppm或更小的混合氣體(氮氣+氫氣)氣氛中在熱板上進(jìn)行加熱。在350℃下加熱5秒鐘。
釬焊之后對釬焊界面的橫截面進(jìn)行SEM(掃描電子顯微鏡)觀察，結(jié)果顯示沒有形成明顯的孔隙，表明具有良好的釬焊性能。
最后用樹脂密封該釬焊引線框和半導(dǎo)體元件以便獲得具有250℃耐熱性的功率半導(dǎo)體器件。
(實施例2)以與實施例1相同的方式進(jìn)行這個實施例，以便獲得功率半導(dǎo)體器件，只是通過非電鍍在引線框19上形成鎳薄層20并通過涂覆釬焊膏在其上形成薄層釬焊材料21。
使用由3.5wt％的銀和余量的錫組成的錫-銀基合金的顏色來制備約5μm的釬料粉體。將該釬料粉體材料以約占總量10％的重量比與焊劑充分混合以制備釬焊膏。該焊劑的成分包括溶劑，松香，激活劑，含鹵有機(jī)物(organic halogen)，增稠劑等。攪拌該釬焊膏并持續(xù)約20分鐘直到其粘度變成適合于印刷的約500000cps。將該釬焊膏以約80μm的厚度印刷到通過非電鍍形成的鎳薄層19上，將具有通過氣相沉積形成的金的金屬層17的半導(dǎo)體元件21放置到其上，并在氧濃度為100ppm的混合氣體(氮氣+氫氣)氣氛中在熱板上進(jìn)行加熱。在350℃下加熱5秒鐘。
釬焊之后對釬焊界面的橫截面進(jìn)行SEM觀察，結(jié)果顯示沒有形成明顯的孔隙，表明具有良好的釬焊性能。
最后用樹脂密封該釬焊引線框和半導(dǎo)體元件以便獲得具有250℃耐熱性的功率半導(dǎo)體器件。
(實施例3)以與實施例1相同的方式進(jìn)行這個實施例，以便獲得功率半導(dǎo)體器件，只是通過提供片狀釬料材料在引線框19上形成薄層釬焊材料21，該引線框19上通過非電解鍍覆形成了鎳薄層20。該片狀釬料材料是由1.0wt％的銀和余量的錫組成的錫-銀基合金形成且厚度約為50μm的片。將這個片狀釬料材料置于銅引線框19上，并將進(jìn)行過金蒸發(fā)的硅半導(dǎo)體元件安置于其上，然后在氧濃度為100ppm的混合氣體(氮氣+氫氣)氣氛中在熱板上進(jìn)行加熱。在350℃下加熱5秒鐘。
釬焊之后對釬焊界面的橫截面進(jìn)行SEM觀察，結(jié)果顯示沒有形成明顯的孔隙，表明具有良好的釬焊性能。
最后用樹脂密封該釬焊引線框和半導(dǎo)體元件以便獲得功率半導(dǎo)體器件。
(實施例4至9，對照實施例1)按如下得到釬焊材料。通過加熱鎳薄層制備實施例4至9的釬焊材料，該薄層具有0.5或1μm的厚度且通過非電鍍在厚度為300μm的銅板上形成，且錫板厚度為300μm。
表1顯示了各個實施例的薄層釬焊材料和加熱條件(峰值溫度×峰值溫度保持時間)。通過微焦X射線檢測儀觀察得到的釬焊材料的孔隙狀況以評價釬焊狀態(tài)，表1中也以孔隙率顯示了該結(jié)果。使用表1中所顯示的孔隙率來表示整個釬焊面積中具有良好釬焊狀態(tài)部分的面積比。表1中還顯示了對所得釬焊材料的釬焊部分的橫截面進(jìn)行SEM觀察的結(jié)果。
表1
在實施例4至9中，如表1中的SEM觀察結(jié)果所示，釬焊層具有錫的基體相和樹枝狀和粒狀的金屬間化合物相。而且，具有這些釬焊層的實施例4至9的釬焊材料顯然具有出色的在高溫下的釬焊強(qiáng)度。
在表1所示的條件下，通過加熱300μm厚的銅板和300μm厚的錫板來制備對照實施例1的釬焊材料。其在銅板和釬焊層之間的界面處具有Kirkendall孔隙。
(實施例10至12)按照與實施例1相同的方式通過在10平方毫米的硅半導(dǎo)體元件上金蒸發(fā)來進(jìn)行金屬化處理。通過電子束處理在銅引線框上形成厚度為0.5μm的作為第二金屬材料的鈀，鉑和鋁來制備試樣。然后，通過非電鍍在每個試樣的第二金屬材料上形成厚度為5μm的錫層。在與實施例1相同的條件下，將硅半導(dǎo)體元件的金屬化的表面釬焊至引線框形成有錫層的表面(tin layer formed surface)。對于每個試樣，釬焊之后對釬焊界面的橫截面進(jìn)行的SEM觀察顯示沒有形成明顯的孔隙，表明具有良好的釬焊性能。
為了測量固相線溫度和液相線溫度，通過差示掃描量熱計(DSC(差示掃描量熱法)Seiko Instruments Inc.，DSC220C)對大約10mg試樣進(jìn)行熱分析。測量條件是5℃/分鐘的加熱速率/冷卻速率和500℃的峰值溫度，依照J(rèn)IS Z 3198-1，無鉛釬料的測試方法，第一章熔化溫度范圍的測量方法。表2中顯示了作為每一釬焊溫度下釬焊部分熔點的結(jié)果。


在350℃或更高的釬焊溫度下得到了液相線溫度并且該液相線溫度隨釬焊溫度的上升而提高。當(dāng)釬焊溫度為450℃時，液相線溫度提高到397.5℃。這似乎表明，液相線溫度的提高是由于Ni等的固溶體。然而，固相線溫度與釬焊溫度無關(guān)并且沒有變化。這與Sn-Ni二元相圖中即使Ni的量在富Sn范圍內(nèi)增加固相線溫度也為常數(shù)的情形一致。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地想到另外的優(yōu)點和改進(jìn)。因此，本發(fā)明在其更廣闊的方面并不局限于這里所顯示和描述的具體細(xì)節(jié)和代表性實施方案。因此，可以在不背離的附的權(quán)利要求和它們的等同物所定義的一般發(fā)明概念的主旨和范圍的情況下做出多種修改。
權(quán)利要求
1.一種釬焊材料，包括待釬焊的第一金屬材料；待釬焊的第二金屬材料，其位于該第一金屬材料附近，并且基本由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成；和在該第一金屬材料和該第二金屬材料之間釬焊的釬焊層，其中該釬焊層的橫截面顯微結(jié)構(gòu)中，存在包括構(gòu)成該第二金屬材料的元素和錫的固溶體相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的釬焊材料，其中該釬焊層的橫截面顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)一步具有多個金屬間化合物相，該金屬間化合物相具有構(gòu)成該第二金屬材料的至少一種元素和錫作為組成元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的釬焊材料，其中該第一金屬材料基本由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的釬焊材料，其中該第一金屬材料基本由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的釬焊材料，其中該第一金屬材料基本由鎳或鉑組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的釬焊材料，其中該第一金屬材料基本由鎳或鉑組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的釬焊材料，其中該第二金屬材料基本由鎳或鉑組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的釬焊材料，其中該第二金屬材料基本由鎳或鉑組成。
9.一種半導(dǎo)體器件，包括具有第一表面的半導(dǎo)體元件，該第一表面用金屬薄膜金屬化；具有第二表面的金屬引線框，該第二表面用于安裝該半導(dǎo)體元件，該第二表面基本由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成；介于該半導(dǎo)體元件的該第一表面和該金屬引線框的該第二表面之間的釬焊層，以釬焊該半導(dǎo)體元件和該金屬引線框，并且在該釬焊層的橫截面顯微結(jié)構(gòu)中具有包括構(gòu)成該第二金屬材料的至少一種元素和錫的固溶體相，和多個金屬間化合物相，該金屬間化合物相具有構(gòu)成該金屬引線框的安裝該半導(dǎo)體元件的該表面的材料的至少一種元素和錫作為組成元素；和密封該半導(dǎo)體元件和該引線框的密封樹脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件，其中該金屬薄膜基本由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件，其中該金屬薄膜基本由鎳或鉑組成。
12.釬焊方法，包括下列步驟通過置入由錫或錫合金組成且厚度范圍為0.1μm至130μm的薄層釬焊材料，將第一金屬材料和第二金屬材料層疊來形成疊層，該第二金屬材料基本由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成并且具有至少0.1μm或更大的厚度；和在265℃至450℃范圍的溫度下加熱該疊層，以使該第一金屬材料和該第二金屬材料相互釬焊。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的釬焊方法，其中該錫合金選自主要由錫和銀組成的錫-銀基合金，主要由錫，銀和銅組成的錫-銀-銅基合金，主要由錫和銅組成的錫-銅基合金和主要由錫和鋅組成的錫-鋅基合金。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的釬焊方法，其中該第一金屬材料基本由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的釬焊方法，其中該第一金屬材料基本由鎳或鉑組成。
16.制造半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括對具有用金屬薄膜進(jìn)行金屬化的第一表面的半導(dǎo)體元件和具有用于安裝該半導(dǎo)體元件的該第二表面的引線框進(jìn)行層疊以形成疊層，用于安裝該半導(dǎo)體元件的該第二表面基本由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成，該引線框具有50μm或更大的厚度，其中在彼此相對的該半導(dǎo)體元件的該第一表面和該引線框的該第二表面之間，置入厚度為0.1μm至300μm的錫或錫合金的薄層釬焊材料。在265℃至450℃范圍的溫度下加熱該疊層，以將該半導(dǎo)體元件和該引線框相互釬焊；和用樹脂密封該被釬焊的半導(dǎo)體元件和該引線框。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中該錫合金選自主要由錫和銀組成的錫-銀基合金，主要由錫，銀和銅組成的錫-銀-銅基合金，主要由錫和銅組成的錫-銅基合金和主要由錫和鋅組成的錫-鋅基合金，且該錫合金的液相線溫度是232℃或更低。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中該金屬薄膜基本由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中該金屬薄膜基本由鎳或鉑組成。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明一個方面的釬焊材料包括待釬焊的第一金屬材料，待釬焊的第二金屬材料，和在該第一金屬材料和該第二金屬材料之間釬焊的釬焊層，該第二金屬材料由選自鎳，鈀，鉑和鋁的至少一種元素組成，并且在該釬焊層的橫截面顯微結(jié)構(gòu)中存在包括構(gòu)成該第二金屬材料的元素和錫的固熔體相。
文檔編號C08J11/00GK1754903SQ200510084960
公開日2006年4月5日 申請日期2005年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者高橋利英, 小松周一, 忠內(nèi)仁弘, 松本一高, 小松出 申請人:株式會社東芝