钎焊材料、半导体器件、钎焊方法和半导体器件制造方法技术

根据本发明专利技术一个方面的钎焊材料包括待钎焊的第一金属材料，待钎焊的第二金属材料，和在该第一金属材料和该第二金属材料之间钎焊的钎焊层，该第二金属材料由选自镍，钯，铂和铝的至少一种元素组成，并且在该钎焊层的横截面显微结构中存在包括构成该第二金属材料的元素和锡的固熔体相。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钎焊材料(soldering material)、钎焊方法、使用上述材料的半导体器件以及制造半导体器件的方法，所述钎焊材料特别适用于电子器件各部件之间、金属材料之间、表面上用金属进行金属化的非金属材料与金属材料之间、表面上用金属进行金属化的非金属材料之间的钎焊。
技术介绍
钎焊接合技术是使用某种物质以及熔点比前述物质低的另一种物质的钎焊技术，该技术已经被普遍使用，并且还被广泛地用于将电子装置钎焊到钎料半导体(solder semiconductor)元件和电子部件上，电子部件例如微处理器、存储芯片、电阻器和具有装置板的电容器。钎焊接合的特征是部件被机械固定到板上，并且通过在钎料中包含具有导电性的金属而被电气接合。现在，随着个人电子器件和装置例如个人计算机、手机等的快速普及，钎焊材料的选择或电子部件封装技术中的钎焊方法已经变得越来越重要了。传统上，经常使用锡-铅基共晶钎料，因为它非常适合实际使用。但是，锡-铅基共晶钎料中含有的铅对人类有害。因此，需要在短时间内开发所说的不含铅的无铅钎料。另一方面，在当前在半导体器件中使用的、例如在功率器件中使用的钎焊材料中，主要使用熔点约183℃的低温型钎料(Sn-Pb共晶钎料)和熔点约300℃的高温型钎料(Pb-5Sn钎料)，并且取决于各个工艺而选择性地加以使用。关于两者中的低温型钎料，大体上锡-银-铜基合金已经达到了实践阶段，希望很多装配厂将在几年内完成到无铅钎料的替换。但是，关于高温型钎料，即用于形成钎焊部分以既便在高温例如260℃也保持良好机械强度的钎焊材料，除了高铅含量的材料之外，还没有找到其它有希望的候选材料。当想要使用不含有害物质例如铅等的金属材料来开发熔点约300℃的金属合金时，可以想到的是将主要含锡(熔点为232℃)的锡基合金制成具有更高熔点的材料，将含锌(熔点为420℃)的锌基合金制成具有更低熔点的材料，等等。但是，从对这些合金的开发中，还没有找到能够形成可以在高温下既具有机械强度又具有良好钎焊性能的钎焊部分的钎焊材料。关于形成可以在高温条件下保持良好机械特性的钎焊部分的技术，已经提出了将钎焊部分改变成金属间化合物以提高耐热性的方法，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页)，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页)。但是，上述方法的缺点是这些方法需要将钎焊部分的整个界面变成金属间化合物，这需要很长的持续时间来使化合物充分生长，例如，约30分钟到1小时来安装器件。此外，还有一个缺点，即由于金属间化合物的脆性，钎焊部分的机械可靠性较差，并且担心热导率和电阻也将变差。
技术实现思路
本专利技术通过使用基本不含铅的钎焊材料，提供了可以在短时间内形成即使在高温条件下也能够保持良好机械强度的钎焊部分的钎焊材料(soldered material)；提供了钎焊方法；提供了半导体器件，其使用基本不含铅的钎焊材料可以在短时间内实现钎焊，使得半导体元件的钎焊部分和引线框即使在高温条件下也能保持良好的机械强度；还提供了制造半导体器件的方法。根据本专利技术的一个方面，可以提供钎焊材料，其包括待钎焊的第一金属材料、待钎焊的第二金属材料以及在第一金属材料与第二金属材料之间钎焊的钎焊层，所述第二金属材料位于第一金属材料附近、且基本上由选自镍、钯、铂和铝的至少一种元素组成，其中，在钎焊层的横截面显微结构中，存在包括构成第二金属材料的元素和锡的固溶体相。钎焊层的横截面显微结构还具有多个金属间化合物相，这些相具有构成第二金属材料的至少一种元素和锡作为组成元素。在钎焊材料中，期望第一金属材料基本上由选自镍、钯、铂和铝的至少一种元素组成。在这些钎焊材料中，更期望第一金属材料基本上由镍或铂组成。此外，在这些钎焊材料中，期望第二金属材料基本上由镍或铂组成。根据本专利技术的另一方面，可以提供半导体器件，包括具有第一表面的半导体元件，该第一表面用金属薄膜金属化；具有第二表面的金属引线框，该第二表面用于安装该半导体元件，第二表面基本上由选自镍、钯、铂和铝的至少一种元素组成；介于(interposed)半导体元件的第一表面与金属引线框的第二表面之间的钎焊层，以钎焊半导体元件和金属引线框，并且在该钎焊层的横截面显微结构中具有包括构成第二金属材料的至少一种元素和锡的固溶体相，并且具有多个金属间化合物相，该金属之间化合物相具有构成第二金属材料的至少一种元素和锡作为组成元素；以及密封半导体元件和引线框的密封树脂。在半导体器件中，期望金属薄膜基本上由选自镍、钯、铂和铝的至少一种元素组成。并且，在半导体器件中，更期望金属薄膜基本上由镍或铂组成。根据本专利技术的另一方面，可以提供钎焊方法，该方法包括通过置入(interposing)由锡或锡合金组成的、厚度在0.1μm到130μm范围内的薄层钎焊材料，将第一金属材料和第二金属材料层叠以形成叠层，并在265℃到450℃范围内的温度下加热叠层以相互地钎焊第一金属材料和第二金属材料，第二金属材料基本上由选自镍、钯、铂和铝的至少一种元素组成且具有至少0.1μm或更大的厚度。在钎焊方法中，期望锡合金选自主要由锡和银组成的锡-银基合金，主要由锡、银和铜组成的锡-银-铜基合金，主要由锡和铜组成的锡-铜基合金，以及主要由锡和锌组成的锡-锌基合金，并且该锡合金的液相线温度为232℃或更低。在钎焊方法中，期望第一金属材料基本上由选自镍、钯、铂和铝的至少一种元素组成。在钎焊方法中，更期望第一金属材料基本上由镍或铂组成。根据本专利技术的另一方面，可以提供制造半导体器件的方法，该方法包括，层叠具有用金属薄膜金属化的第一表面的半导体元件和具有用于安装半导体元件的第二表面的引线框以形成叠层，在265℃到450℃范围内的温度下加热叠层以将半导体元件和引线框彼此钎焊，以及用树脂密封被钎焊的半导体元件和引线框，所述用于安装半导体元件的第二表面基本由选自镍、钯、铂和铝的至少一种元素组成，引线框的厚度为50μm或更大，其中，在彼此相对的半导体元件的第一表面与引线框的第二表面之间，置入厚度在0.1μm到300μm范围内的锡或锡合金的薄层钎焊材料。在制造半导体器件的方法中，期望锡合金选自主要由锡和银组成的锡-银基合金，主要由锡、银和铜组成的锡-银-铜基合金，主要由锡和铜组成的锡-铜基合金，以及主要由锡和锌组成的锡-锌基合金，以及其它锡基合金。在制造半导体器件的方法中，期望金属薄膜是选自镍、钯、铂和铝的至少一种元素。在制造半导体器件的方法中，更期望金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钎焊材料，包括：待钎焊的第一金属材料；待钎焊的第二金属材料，其位于该第一金属材料附近，并且基本由选自镍，钯，铂和铝的至少一种元素组成；和在该第一金属材料和该第二金属材料之间钎焊的钎焊层，其中该钎焊层的横截 面显微结构中，存在包括构成该第二金属材料的元素和锡的固溶体相。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：高桥利英，小松周一，忠内仁弘，松本一高，小松出，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：JP[日本]