层叠接合材料制造技术

层叠接合材料

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】层叠接合材料、半导体封装体和功率模块


[0001]本技术涉及层叠接合材料
、
半导体封装体和功率模块
。

技术介绍

[0002]近来，对于半导体元件，其要求特性变高，除了以往已用作半导体元件材料的
Si
以外，还开始使用
SiC、GaAs、GaN
等
。
使用这些材料的半导体元件具备能够实现工作温度的升高
、
扩大带隙等优良的特性，被应用于功率晶体管等功率半导体元件
。
[0003]功率半导体元件能够进行高温工作，接合部的钎焊接头有时达到
200℃
以上的高温
。
在这样的高温环境下，在半导体元件与基板之间的接合部产生半导体元件与基板的
CTE(Coefficient of Thermal Expansion
；热膨胀系数
)
之差所导致的应变，由于该应变而产生裂纹，作为结果，会缩短功率半导体产品的寿命，这成为问题
。
[0004]在日本特开
2009
‑
269075
号公报中记载了具备柔软的
Pb
或
Pb
基合金作为应力缓和层的层叠焊料材料的制造方法
。
但是，由于应力缓和层含有
Pb
，因此不符合
RoHS(
有害物质限制，
Restriction of Hazardous Substances)
等环境限制
。
[0005]在日本特开
2015
‑
23183
号公报中记载了一种功率模块，其具备：半导体元件；一个面与半导体元件接合地形成的第一金属层；与半导体元件接触
、
形成于第一金属层的另一个面的外周周边部的有机绝缘膜；与有机绝缘膜接触
、
与第一金属层的另一个面的中央部接合地形成的第二金属层；和隔着第二金属层与第一金属层的另一个面接合地形成的接合材料
。
[0006]在日本特开
2009
‑
147111
号公报中记载了一种接合材料，其是在板状的中央层的上下表面层叠有表面层的接合材料，其中，中央层的熔点高于表面层，作为中央层的具体例，记载了铋的单相
、
或以铋为主要成分的与银
、
铜
、
锑
、
铟
、
锡
、
镍
、
锗
、
碲
、
磷等的合金
。

技术实现思路

[0007]本申请专利技术人为了找到符合
RoHS
等环境限制并且能够缓和在接合部产生的应变的技术而反复进行了深入研究，结果发现，通过在接合部的焊料中采用无铅焊料并且使用热膨胀率在规定范围内的材料作为芯材，能够缓和因半导体元件与基板的
CTE
差引起的在接合部产生的应变
。
进而，本申请专利技术人发现，通过在这样的接合部中将无铅焊料的厚度
、
材质
、
基材的形状等限定为特定的厚度
、
材质
、
形状等，能够提高应力缓和效果，作为结果，与以往相比，能够大幅延长产品的寿命
。
[0008]期望提供能够缓和特别是在高温环境下在接合部产生的应变的层叠接合材料
、
半导体封装体和功率模块
。
[0009]一个实施方式的层叠接合材料具有基材
、
层叠于基材的第一面的第一焊料部和层叠于基材的第二面的第二焊料部，基材的线膨胀系数为
5.5
～
15.5ppm/K
，第一焊料部和第二焊料部由无铅焊料构成，上述第一焊料部的厚度和上述第二焊料部的厚度均为
0.05
～
1.0mm。
附图说明
[0010]图1是示出一个实施方式的层叠接合材料的概略构成的纵截面图
。
[0011]图2是示出一个实施方式的半导体封装体的概略构成的纵截面图
。
[0012]图
3A
是示出在第一冷热循环试验中使用的接合构件的构成的表格
。
[0013]图
3B
是示出在第一冷热循环试验中使用的接合构件的构成的表格
。
[0014]图4是示出在第一冷热循环试验中使用的接合构件的构成的表格
。
[0015]图
5A
是比较地示出实施例1～3和比较例7～8的裂纹扩展率的柱形图
。
[0016]图
5B
是比较地示出实施例7～8和比较例
15
～
16
的裂纹扩展率的柱形图
。
[0017]图
6A
是比较地示出比较例1～4的裂纹扩展率的柱形图
。
[0018]图
6B
是比较地示出比较例
11
～
14
的裂纹扩展率的柱形图
。
[0019]图
7A
是比较地示出实施例4～6和比较例9～
10
的裂纹扩展率的柱形图
。
[0020]图
7B
是比较地示出实施例9～
10
和比较例
17
～
18
的裂纹扩展率的柱形图
。
[0021]图
8A
是示出在第二冷热循环试验中使用的接合构件的构成的表格
。
[0022]图
8B
是示出在第二冷热循环试验中使用的接合构件的构成的表格
。
[0023]图9是用于说明基于模拟的解析条件的图
。
[0024]图
10A
是示出在应力解析模拟中使用的试样1～
13
的构成的表格
。
[0025]图
10B
是示出在应力解析模拟中使用的试样
14
～
23
的构成的表格
。
[0026]图
11
是示出针对试样
1、2、17
经过一次循环后的应变分布的图
。
[0027]图
12
是示出针对试样
1、3
～9经过一次循环后的应变量的图
。
[0028]图
13A
是用于说明具有网格形状的基材的一例的图
。
[0029]图
13B
是用于说明具有网格形状的基材的一例的图
。
[0030]图
13C
是用于说明具有网格形状的基材的一例的图
。
[0031]图...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种层叠接合材料，其具有基材
、
层叠于基材的第一面的第一焊料部和层叠于基材的第二面的第二焊料部，基材的线膨胀系数为
5.5
～
15.5ppm/K
，第一焊料部和第二焊料部由无铅焊料构成，所述第一焊料部的厚度和所述第二焊料部的厚度均为
0.05
～
1.0mm。2.
根据权利要求1所述的层叠接合材料，其中，所述无铅焊料的杨氏模量为
45GPa
以上且拉伸强度为
100MPa
以下
。3.
根据权利要求2所述的层叠接合材料，其中，所述无铅焊料的杨氏模量为
55GPa
以上
。4.
根据权利要求1～3中任一项所述的层叠接合材料，其中，所述基材具有格子间隔为
2.0mm
以上的网格形状
。5.
根据权利要求1～4中任一项所述的层叠接合材料，其中，所述基材的线膨胀系数为
5.9
～
14.4ppm/K。6.
根据权利要求5所述的层叠接合材料，其中，所述基材的线膨胀系数为
7.0
～
11.6ppm/K。7.
根据权利要求3所述的层叠接合材料，其中，所述基材的线膨胀系数为
7.7
～
9.9ppm/K。8.
根据权利要求1～7中任一项所述的层叠接合材料，其中，所述基材由
Cu
‑
W
基材料
、Cu
‑
Mo
基材料
、Cu
‑
W
基材料与
Cu
‑
Mo
基材料的层叠材料
、
在
Cu
‑
W
基材料的第一面和第二面分别层叠有
Cu
基材料的复合材料
、
在
Cu
‑
Mo
基材料的第一面和第二面分别层叠有
Cu
基材料的复合材料
、
在
Cu
‑
W
基材料与
Cu
‑
Mo
基材料的层叠材料的第一面和第二面分别层叠有
Cu
基材料的复合材料中的任意一种构成
。9.
根据权利要求1～8中任一项所述的层叠接合材料，其中，所述基材的
Cu
含量为
60
％以下
。10.
根据权利要求1～9中任一项所述的层叠接合材料，其中，所述基材的
Cu
含量为
15
％以上
。11.
根据权利要求1～
10
中任一项所述的层叠接合材料，其中，所述第一焊料部和第二焊料部中的至少一者与所述基材的界面从所述基材侧依次利用
Ni、Sn
进行了基底处理
。12.
根据权利要求1～
11
中任一项所述的层叠接合材料，其中，所述基材与所述第一焊料部的厚度之比和所述基材与所述第二焊料部的厚度之比中的至少一者为2：...

【专利技术属性】
技术研发人员：龟田直人，出井宽大，土屋政人，
申请(专利权)人：千住金属工业株式会社，
类型：发明
国别省市：