電裝置及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文所討論的實(shí)施方案涉及其中電部件(電子/電氣部件)是利用接合材料安裝的電裝置以及用于制造該電裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，由于其高的可加工性和生產(chǎn)率，利用釬焊的安裝方法被廣泛地用于安裝電部件(例如，印刷線路板上的半導(dǎo)體器件)。當(dāng)通過釬焊將半導(dǎo)體器件安裝在印刷線路板上時(shí)，高的回流溫度引起半導(dǎo)體器件和印刷線路板的翹曲，從而導(dǎo)致電裝置的半導(dǎo)體器件與印刷線路板之間的釬料接合部具有差的機(jī)械連接和電連接的可靠性。因而，在低的回流溫度下利用具有低熔點(diǎn)的釬焊材料將半導(dǎo)體器件釬焊至印刷線路板。具有低熔點(diǎn)的一種釬焊材料為熔點(diǎn)為117°C的InSn共晶釬料。與Sn-Bi合金釬焊材料和Sn-Ag-Cu合金釬焊材料相比，In-Sn合金釬焊材料具有較低的熔點(diǎn)和較低的強(qiáng)度。提出使具有低熔點(diǎn)的釬焊材料包含金屬間化合物以增加釬焊材料的強(qiáng)度(例如，參見日本公開特許公報(bào)第2006-909號(hào)和第2002-124533號(hào))。然而，即使在利用如上所述釬焊材料安裝電部件時(shí)，例如由于對(duì)在電部件上的跌落沖擊的抵抗不足，電裝置的電部件之間具有差的機(jī)械連接和電連接可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本文所討論的實(shí)施方案的目的為提供一種在電部件之間具有高的機(jī)械連接和電連接的可靠性的電裝置。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種裝置包括:第一電部件；第二電部件；以及連接第一電部件與第二電部件的In-Sn-Ag合金，In-Sn-Ag合金包含AgInjP Ag2In, Ag2In含量低于AgIn2含量。
[0005]本文所討論的實(shí)施方案提供了一種在電部件之間具有高的機(jī)械連接和電連接的可靠性的電裝置。
【附圖說明】
[0006]圖1A為根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置的截面圖；
[0007]圖1B為被圖1A中的虛線A圍繞的部分的放大圖；
[0008]圖2為關(guān)于具有O重量％、1重量％、5重量％和10重量％的Ag含量的In-Sn-Ag合金的拉伸測試結(jié)果的曲線圖；
[0009]圖3為關(guān)于具有O重量％、I重量％、3重量％和5重量％的Ag含量的In-Sn-Ag合金的高速剪切強(qiáng)度測試結(jié)果的曲線圖；
[0010]圖4A為接合至Cu板的In-Sn-1Ag合金中的Ag的元素分布圖；
[0011]圖4B為接合至Cu板的In-Sn-5Ag合金中的Ag的元素分布圖；
[0012]圖4C為接合至Cu板的In-Sn-1OAg合金中的Ag的元素分布圖；
[0013]圖5為制造根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(I);
[0014]圖6A為制造根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(2);
[0015]圖6B為被圖6A中的虛線A圍繞的部分的放大圖；
[0016]圖7為制造根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(3);
[0017]圖8為制造根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(4);
[0018]圖9為制造根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(5);
[0019]圖10為制造根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(6);
[0020]圖11為在對(duì)Cu板上的In-Sn-1Ag合金進(jìn)行回流加熱的步驟中和在回流加熱步驟之后的冷卻步驟中加熱器中溫度變化的曲線圖；
[0021]圖12A為根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的截面圖；
[0022]圖12B為被圖12A中的虛線A圍繞的部分的放大圖；
[0023]圖12C為被圖12A中的虛線B圍繞的部分的放大圖；
[0024]圖13為制造根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖⑴；
[0025]圖14為制造根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(2);
[0026]圖15為制造根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(3);
[0027]圖16為制造根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖⑷；
[0028]圖17為制造根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(5);
[0029]圖18為制造根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(6);
[0030]圖19為制造根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(7);
[0031]圖20為制造根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖⑶；
[0032]圖21為制造根據(jù)第二實(shí)施方案的電裝置的過程的截面圖(9);
[0033]圖22為列出回流之后的In-Sn-1Ag合金、In-Sn_3Ag合金和In-Sn_5Ag合金的In含量、AgIn2含量和Ag 2In含量的表；以及
[0034]圖23為列出回流之后的In-Sn共晶釬料、In-Sn-1Ag合金、In-Sn_3Ag合金和In-Sn-5Ag合金的強(qiáng)度和延展性的表。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面將參照附圖詳細(xì)描述本文所討論的實(shí)施方案。
[0036](第一實(shí)施方案)下面將參照?qǐng)D1描述根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置的結(jié)構(gòu)。圖1A和圖1B為根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置的截面圖。
[0037]參照?qǐng)D1A，根據(jù)第一實(shí)施方案的電裝置I包括半導(dǎo)體器件11、在半導(dǎo)體器件11處的電極12、電路板22、在電路板22上的電極21、接合部31和底部填料41。在電裝置I中，半導(dǎo)體器件11經(jīng)由電極12、接合部31和電極21電連接至電路板22。半導(dǎo)體器件11與電路板22之間的空間被填充有底部填料41。
[0038]圖1B為被圖1A中的虛線A圍繞的部分的放大圖。在由Cu制成的電極12上設(shè)置有阻擋金屬膜15，所述電極12設(shè)置在半導(dǎo)體器件11的表面上。阻擋金屬膜15依次包括在Cu電極12上的Ni膜13和Au膜14。在由Cu制成的電極21上設(shè)置有阻擋金屬膜25，所述電極21設(shè)置在電路板22的表面上。阻擋金屬膜25依次包括在Cu電極21上的Ni膜23和Au膜24。在Cu電極12和Cu電極21上的阻擋金屬膜15和阻擋金屬膜25可以抑制連接介質(zhì)32向Cu電極12和Cu電極21中的擴(kuò)散，從而提高接合部31的連接的可靠性。
[0039]接合部31由包含金屬間化合物Ag2In和金屬間化合物Agln；^9 In-Sn-Ag合金構(gòu)成。接合部31的Ag2In含量低于接合部31的AgIn2含量。在Ag2In含量和AgIn2^量滿足這個(gè)條件的情況下，接合部31具有高的強(qiáng)度和延展性。接合部31優(yōu)選地包含不小于43重量％并且不大于60重量％的In，這是因?yàn)檫@還增加了接合部31的強(qiáng)度。接合部31優(yōu)選地包含3重量％或更少的Ag這是因?yàn)檫@還增加了接合部31的強(qiáng)度和延展性。
[0040]如果接合部31的In含量少于43重量％，則接合部31包含大量長大(grown)的Ag2In而不是精細(xì)分散的AgIn2并且接合部31具有不足的延展性。如果接合部31的In含量多于60重量％，則接合部31中的金相組織不是In相和Sn相的共晶金相組織，并且其中在In中溶解有Sn的In相的金相組織生長。因而，接合部31具有不足的強(qiáng)度。
[0041]就接合部31的高強(qiáng)度和延展性而言，接合部31的In含量較優(yōu)選地在不小于48重量％并且不大于58重量％的范圍，特別優(yōu)選地在不小于50重量％并且不大于54重量％的范圍。
[0042]在下面的實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)接合部31的接合材料的組成、接合部31中的金屬間化合物與接合部31的強(qiáng)度和延展性之間的關(guān)系。
[0043]一種用于評(píng)估連接的可靠性的方法為根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)IS06892-1的金屬材料的拉伸測試。在這個(gè)評(píng)估測試方法中，通過向接合材料施加拉伸應(yīng)變直到接合材料破裂來測量接合材料的強(qiáng)度和延展性。通過所述評(píng)估測試方法來測量強(qiáng)度和延展性。
[0044]下面的接合材料(I)至(4)被加熱至峰值溫度150°C，然后被冷卻以制備在平行部分的截面中具有5mm的寬度、4mm的厚度和20mm的標(biāo)距長度的拉伸測試樣品。
[0045](I) In_48Sn 共晶釬料
[0046](2)由In-48Sn共晶釬料和I重量％的Ag構(gòu)成的In-Sn-lAg合金
[0047](3)由In-48Sn共晶釬料和5重量％的Ag構(gòu)成的In-Sn_5Ag合金
[0048](4)由In-48Sn共晶釬料和10重量％的Ag構(gòu)成的In-Sn-1OAg合金
[0049]利用INSTR0N拉伸測試儀4466以2mm/分鐘的十字頭速度對(duì)樣品進(jìn)行拉伸測試。圖2為關(guān)于樣品的拉伸測試結(jié)果的曲線圖。拉伸測試遵從標(biāo)準(zhǔn)ISO 6892-1。在圖2中，橫軸為接合材料的應(yīng)變(位移)，縱軸為施加到接合材料的載荷。在圖2的曲線圖中，縱軸上的最大值與接合材料的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。在圖2的曲線圖中，當(dāng)施加到接合材料的載荷隨著應(yīng)變?cè)黾语@著下降時(shí)，接合材料破裂。在接合材料破裂時(shí)的點(diǎn)處的應(yīng)變與延展性對(duì)應(yīng)。
[0050]在圖2中，在In-Sn-1OAg合金中的載荷在約4.6mm的位移處顯著下降。另一方面，在In-48Sn共晶釬料、In-Sn-1Ag合金和In-Sn_5Ag合金中的載荷在圖2的范圍之外的位移處顯著下降。
[0051]從圖2的曲線圖中發(fā)現(xiàn)，In-Sn-1OAg合金在經(jīng)受拉伸測試的接合材料之中具有最高的強(qiáng)度并且具有非常低的延展性。相比之下，In-Sn-1Ag合金在經(jīng)受拉伸測試的接合材料之中具有最低的強(qiáng)度。還發(fā)現(xiàn)，In-Sn-1Ag合金在破裂時(shí)的應(yīng)變(未示出)大于In-Sn共晶釬料在破裂時(shí)的應(yīng)變并且In-Sn-1Ag具有最高的延展性。
[0052]用于評(píng)估連接的可靠性的另一方法為根據(jù)電子設(shè)備工程聯(lián)合委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)JESD22-B117A的高速剪切測試。在這個(gè)評(píng)估測試方法中，向接合材料施加機(jī)械剪切應(yīng)力以測量接合材料的強(qiáng)度和延展性。通過評(píng)估測試方法測量強(qiáng)度和延展性。
[0053]然后，通過在150°C的峰值溫度下對(duì)設(shè)置在銅電極上的直徑為540 μπι的下面的接合材料(5)至接合材料(8)進(jìn)行回流來制備高速剪切測試樣品?；亓髦蟮臉悠返闹睆綖?00 μ mD
[0054](5) In-48Sn 共晶釬料
[0055](6)由In-48Sn共晶釬料和I重量％的Ag構(gòu)成的In-Sn-l