半导体装置用软钎焊材料制造方法及图纸

技术编号:27315078 阅读:34 留言:0更新日期:2021-02-10 09:45
本发明专利技术涉及半导体装置用软钎焊材料。本发明专利技术提供耐热温度高、热传导特性在高温区域中不变的无铅软钎焊材料。一种软钎焊材料,其含有超过5.0质量%且为10.0质量%以下的Sb和2.0~4.0质量%的Ag,余量由Sn和不可避免的杂质构成;以及一种半导体装置,其在半导体元件与基板电极之间或半导体元件与引线框之间具备含有所述软钎焊材料的接合层。含有所述软钎焊材料的接合层。

【技术实现步骤摘要】
半导体装置用软钎焊材料
[0001]本申请是申请日为2016年8月9日、申请号为201680013332.0、专利技术名称为半导体装置用软钎焊材料的申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及软钎焊材料。本专利技术尤其涉及用于半导体装置中的接合的、高可靠性的软钎焊材料。

技术介绍

[0003]近年,由于环境问题,逐渐采用不含铅成分的无Pb软钎焊材料来作为Sn-Pb系软钎焊材料的替代。作为应用于IGBT模块(电源模块)等半导体装置的软钎焊材料,在现在已知的各种组成的无铅软钎焊材料中,大多使用尤其是接合性(软钎焊材料润湿性)、机械特性、传热阻力等方面平衡性相对较好、且也有用于制品的实际成绩的Sn-Ag系的无Pb软钎焊材料。
[0004]在具备分层式连接结构、即在散热器上焊接有绝缘基板、进而在其上软钎焊接合有半导体元件的结构的半导体装置中,已知如下的软钎焊接合结构:在下位的接合部使用作为高温系的无铅软钎焊材料的Sn-Sb系软钎焊材料,在上位接合部使用在熔点低于Sn-Sb系软钎焊材料的Sn-Ag系软钎焊材料中添加有Cu等元素的组成的无铅软钎焊材料。例如,参照专利文献1。
[0005]另外还已知如下结构:在焊接安装于绝缘基板的半导体元件(IGBT)的上表面面电极上,软钎焊接合兼为散热器的引线框作为布线构件,使半导体元件产生的热逃逸到引线框,从而防止散热密度的集中。例如,参照专利文献2。
[0006]作为对防止与半导体元件的散热相伴随的高温裂纹有效的软钎焊材料,已知在温度170℃时具有优异的延展性且冷加工性优异的具备Sn-Sb-Ag组成的带或线状软钎焊材料。例如,参照专利文献3。
[0007]现有技术文献
[0008]专利文献
[0009]专利文献1:日本特开2001-35978号公报
[0010]专利文献2:日本特开2005-116702号公报
[0011]专利文献3:日本特开平7-284983号公报

技术实现思路

[0012]专利技术要解决的问题
[0013]被称为功率半导体的MOS型、IGBT型的元件在工作时自身散热而温度升高。反复进行散热和冷却的元件通过软钎焊材料而被接合,元件的反复散热使软钎焊材料部反复承受应变而劣化。在高温下动作的半导体元件的接合中,优选使用散热性高的软钎焊材料合金。就作为无Pb软钎焊材料的代表的SnAg系软钎焊材料而言,随着温度而热阻增加、散热特性
降低。另外,当在长期施加热循环的功率半导体的接合部使用温度升高则热传导率降低的SnAg系软钎焊材料时,存在一旦施加更大功率则散热变多的情况。
[0014]近年,存在对大电流规格的功率半导体的需求日益提高、元件的自身散热量也进一步增大的倾向。另外,车载用功率半导体等需要在超过175℃的使用环境温度中工作的元件也在增加。在这种状况下,逐渐出现相对于元件的可施加的输出功率、软钎焊材料的热传导率低成为电力施加量的限制的情况。在由于自身散热、环境温度而导致温度从室温变为高温时软钎焊材料的热传导率降低这样的情况下,热量难以从芯片逃逸。结果导致芯片的温度进一步上升。现在,为了在元件散热到极其接近软钎焊材料的熔点时也能够使用,使用元件的最大施加电力的要求正在变高。为了满足这些要求,需要高温下的热传导率降低少的软钎焊材料。
[0015]用于解决问题的方案
[0016]本专利技术人们进行了深入研究,结果发现,通过在SnAg系软钎焊材料中进一步添加Sb、并且设为特定的组成%范围,能够制成热传导率不随温度上升而降低、并且润湿性等软钎焊材料的接合特性也优异的软钎焊材料,从而完成了本专利技术。
[0017]即,根据一实施方式,本专利技术为一种软钎焊材料,其含有超过5.0质量%且为10.0质量%以下的Sb和2.0~4.0质量%的Ag,余量由Sn和不可避免的杂质构成。
[0018]在上述含有Sb、Ag和Sn的软钎焊材料中,优选进一步含有超过0且1.0质量%以下的Ni。
[0019]在上述含有Sb、Ag和Sn的软钎焊材料中,优选进一步含有0.1~0.4质量%的Ni。
[0020]在上述含有Sb、Ag和Sn的软钎焊材料中,优选进一步含有超过0且1.0质量%以下的Si。
[0021]在上述含有Sb、Ag和Sn的软钎焊材料中,优选进一步含有超过0且0.1质量%以下的V。
[0022]在上述含有Sb、Ag和Sn的软钎焊材料中,优选进一步含有超过0且为1.2质量%以下的Cu。
[0023]在上述任一软钎焊材料中,优选进一步含有0.001~0.1质量%的P。
[0024]在上述任一软钎焊材料中,优选进一步含有0.001~0.1质量%的Ge。
[0025]在上述任一软钎焊材料中,优选100℃~200℃下的热传导率与25℃下的热传导率相比不降低。
[0026]根据另一实施方式,本专利技术为一种半导体装置,其在半导体元件与基板电极之间或半导体元件与引线框之间具备由上述任一种软钎焊材料熔融而成的接合层。
[0027]在前述半导体装置中,半导体元件优选为SiC半导体元件。
[0028]专利技术的效果
[0029]根据本专利技术的软钎焊材料,热传导率不随着温度上升而降低、优选热传导率随着温度上升而提高。因此,可得到散热特性优异、热疲劳寿命提高的效果。另外,本专利技术的软钎焊材料的润湿性高,可以将焊接层中的孔隙的产生抑制为较低。本专利技术的软钎焊材料特别优选用于在材料的熔点的Tr=0.6以上的温度以上使用的粘晶软钎焊材料结合部中。需要说明的是,Tr为使用温度与熔点之比,用Tr=Tm/Tj表示。Tm表示熔点,Tj表示使用温度(单位均为K)。需要说明的是,孔隙是指在焊接层内部和接合界面处产生的空隙。在接合温度
下,软钎焊材料与接合构件的润湿性差时,存在在卷入空气等气体或产生凹陷的状态下凝固从而容易产生孔隙的问题,但本专利技术中,在可以将孔隙的产生抑制为较低方面是有利的。进一步地,本专利技术的软钎焊材料中还含有规定量的Ge,从而可以防止Sn的氧化、提高润湿性。
[0030]另外,将本专利技术的软钎焊材料形成为接合层的半导体装置的散热特性优异,还适合搭载自身散热多的元件的情况、以及环境温度高的情况下的使用,并且能够实现装置的小型化、低成本化。另外,由于接合层中的孔隙少,因此制品寿命延长。因此可以适宜用于需求日渐增加的大电流规格的电子设备,特别是,可以适宜用于半导体装置中的粘晶(die bond)接合、端子间的接合、其它构件的接合等广泛的半导体装置用途。
附图说明
[0031]图1是示出本专利技术的软钎焊材料作为接合层应用的半导体装置的一例的概念图。
[0032]图2是对于本专利技术的软钎焊材料和比较例的软钎焊材料示出温度与热传导率的关系的图。各温度下的热传导率表示为以25℃下的热传导率为基准的标准值。
[0033]图3是对于使用本专利技术的软钎焊材料和比较例的软钎焊材料的半导体模块示出破坏寿命的标准值和故障概率的关系的图。
[0034]图4本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软钎焊材料,其含有超过5.0质量%且为10.0质量%以下的Sb、2.0~4.0质量%的Ag和选自超过0且为1.0质量%以下的Si、超过0且为0.1质量%以下的V、0.001~0.1质量%的Ge、0.001质量%~0.1质量%的P、或超过0且为1.2质量%以下的Cu中的1种元素,余量由Sn和不可避免的杂质构成。2.根据权利要求1所述的软钎焊材料,其中,含有0.1~0.4质量%的所述Si。3.根据权利要求1所述的软钎焊材料,其中,含有0.01~0.08质量%的所述V。4.根据权利要求1所述的软钎焊材料,其中,含有0.001~0.1质量%的所述Ge。5.根据权利要求1所述的软钎焊材料,其中,含有0.001~0.1质量%的所述P。6.根据权利要求1所述的软钎焊材料,其中,含有0.1~0.9质量%的所述Cu。7.根据权利要求2所述的软钎焊材料,其中,还含有0.001~0.1质量%的所述P。8.根据权利要求3所述的软钎焊材料,其中,还含有0.001~0.1质量%的所述P。9.根据权利要求4所述的软钎焊材料,其中,还含有0.001~0.1质量%的所述P。10.根据权利要求6所述的软钎焊材料,...

【专利技术属性】
技术研发人员:渡边裕彦斋藤俊介西村芳孝百濑文彦
申请(专利权)人:富士电机株式会社
类型:发明
国别省市:

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