半导体装置接合材料制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种半导体装置，其将接合材料用于半导体装置的内部接合用，从而在基板安装时内部接合部不熔融，所述接合材料是由Sn或Sn系焊料合金填充到具有网眼结构的多孔金属体的空孔部分且覆盖其表面而得到的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于半导体装置的焊料接合材料，特别涉及将功率半导体(例:功率二极管)、内部具有微小布线的半导体芯片等的需要散热的半导体元件接合于基板的接合材料、以及用这样的接合材料接合半导体元件而得到的基板。
技术介绍
作为半导体装置的代表性例子，可以列举出在作为由Cu或42合金形成的基板的框架上载置半导体芯片(硅芯片)的半导体器件。在硅芯片和框架之间用Au线进行引线接合(wire bonding)。另一方面,框架和娃芯片的接合有时也使用环氧系的导电性粘接剂，但通常为由导热性高、散热效果高的焊料进行的接合。这样的接合也称为半导体装置的内部接合。半导体器件是在组装成电子设备时安装于印刷电路板的，此时再次接受回流焊的加热。在这时，需要使前面进行的内部接合的焊接部在该回流焊时的回流温度下不熔。因此，用于半导体器件的内部接合的焊料使用的是熔融温度比用于印刷电路板的安装的焊料更高的焊料合金。这样的半导体器件自身也能构成半导体装置，但这样的半导体器件进一步与电路基板连接再构成大的半导体装置。以下，将这样的进行半导体装置的内部接合的焊接的焊料称为“高温焊料”。以往的高温焊料是熔融温度为300°C前后的Pb基的焊料合金。可用于半导体装置的内部接合的高温焊料，有Pb_10Sn(固相线温度268°C、液相线温度3020C )、Pb-5Sn(固相线温度307°C、液相线温度313。。)、Pb_2Ag-8Sn(固相线温度275°C、液相线温度346°C )、Pb_5Ag(固相线温度304°C、液相线温度365°C )等，主要以Pb为主要成分。这些高温焊料均是固相线温度为260°C以上。因此，在印刷电路板的安装用焊接时使用例如63Sn-37Pb共晶焊料的情况下，即使此时的焊接温度为略高的230°C，用Pb-1OSn等高温焊料焊接而成的半导体装置的内部接合的焊接部，不会在印刷电路板上的安装焊接时发生熔融。不过，从环境保护的观点出发，最近在整个焊接技术中，谋求使用无Pb焊料合金来代替Pb系焊料合金。当然，即使对于以往的半导体装置的内部接合所使用的前述那样的Pb-Sn系高温焊料，也谋求无Pb焊料合金的使用。然而，对于无Pb焊料合金，迄今为止提出了各种方案，但没有以Sn为主要成分且固相线温度为260°C以上的高温焊料合金。例如，在固相线温度(共晶温度)为221°C的Sn-Ag系焊料合金中，即使增加Ag，液相线温度上升，固相线温度却不上升。在固相线温度为227°C的Sn-Sb系焊料合金中，在为了提高固相线温度而极度增加Sb时，液相线温度也会极度上升。并且，即使向其中添加其它元素，也不能改变这样的特性。因此，一直以来认为无Pb焊料合金不能作为半导体装置的内部接合用的高温焊料来使用。作为不使用该高温焊料合金的接合技术研究出的方法为用与以Sn为主要成分的无铅焊料相比熔融温度高的金属间化合物进行接合。在专利文献I中公开了使用将Sn或以Sn为主要成分的无铅焊料粉末和Cu粉末混合而成的焊膏(solder paste)的方法。在熔融接合时形成Sn-Cu金属间化合物来进行接合。在专利文献2中作为专利文献I记载的专利技术的一个形态公开了，将Sn或以Sn为主要成分的无铅焊料粉末和Cu粉末压延制成焊料箔的焊料材料。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2002-254194号公报专利文献2:日本特开2002-301588号公报
技术实现思路
专利技术要解决的问题如已述那样，用于半导体装置的内部接合的接合材料或由其得到的内部接合部，要求比用于印刷电路板的安装的焊料合金的熔融温度更高，然而，尚不知有可实现该要求的以Sn为主要成分且固相线温度为260°C以上的高温焊料合金。虽然对比文献I中提出了将Sn或以Sn为主要成分的无铅焊料粉末和Cu粉末混合而成的焊膏，但是在焊膏的熔剂中必定含有溶剂，所以以焊膏的形态使用时，在加热时熔剂中的溶剂挥发，存在易发生气孔(voids)的倾向。尤其在微小布线的半导体装置中，该气孔成为可靠性降低的原因。专利文献2中的粉末压延材料可解决由溶剂的挥发产生的气孔的问题。但是，由于粉末表面积大，易氧化，因而在Sn、Cu的粉末的制造时，粉末表面已经形成了氧化膜，即使如专利文献2那样在非活性气氛下进行焊料的压延作业也不能去除粉末表面的氧化物。另外，在仅将粉末压延时无论如何也不能用焊料完全填充间隙，易出现空隙。专利文献2中，由于即使不使用熔剂而是在氢气等还原气氛下进行焊接，在焊料的压延前产生了的粉末表面的氧化物也进入到焊料箔内部，因此在氢气等还原气氛的情况下，无法连焊料箔内部的氧化物也去除，存在引起焊料的润湿不良，易发生气孔这样的问题点。本专利技术要解决的课题在于，提供不使用熔剂且不发生气孔、润湿性优异的半导体装置的内部接合用接合材料。进而，本专利技术的课题在于，提供在安装到基板时内部接合部也不熔融的半导体装置。用于解决问题的方案本专利技术人等关注到复合材料通常高温特性优异，得到使用复合材料进行内部接合这样的构想，进而反复研究发现采用具有网眼状结构的多孔金属薄板作为复合材料的基材，在其中使焊料合金、尤其使无Pb焊料合金浸渗复合化而得到的焊料接合材料用于半导体装置的内部接合特别有效，从而完成了本专利技术。因此，最广义而言，本专利技术为使Sn或Sn系的无铅焊料熔融填充到具有网眼状结构的多孔金属体中后使其凝固而得到的半导体装置的内部接合用的焊料接合材料、以及使用其而得到的半导体装置。这里，作为上述复合材料的基材的“具有网眼状结构的多孔金属体”是指“具有多孔结构，构成多孔结构的孔连通成网眼状，这样的连通孔的至少一部分暴露在金属体表面的多孔金属体”。通常为呈薄板状的多孔金属体。本专利技术使用的多孔金属体显示导电性以及导热性。现在，多孔金属是通过将以往的块状金属多孔化而以轻量化、过滤效果为目的而开始制作。也提出有应用到导电材料的方案。电越是高频，越是通过导体表面，因而与块状的金属相比，表面积大的多孔金属在相同电流量下每单位面积的电流量少，因此发挥电阻的降低、功率耗损的防止效果，以此为目的使用。本专利技术中也可以以这样的市售的多孔金属体作为起始材料使用。专利技术的效果根据本专利技术，使用新型的接合材料能够使半导体装置的内部接合成为可能，在半导体装置的内部接合中也可以实现无Pb化。进而，根据本专利技术，与使用焊料粉末形成金属间化合物的接合材料相比，可以得到气孔少的可靠性高的内部接合部。另外，根据本专利技术，通过预先使Sn或Sn系的无铅焊料边熔融边浸渗到表面积多的多孔金属体，从而构成多孔金属体的金属与Sn在其边界部密合性增高，可明显改善导电性、导热性。而且，即使在内部接合时降低加热温度、或缩短加热时间，也可生成和确保焊料合金中的Sn和被接合部金属(N1、Cu等)的足够量的金属间化合物，因此接合部的熔点上升，可实现半导体装置的安装时内部接合部的熔融温度的高温化。附图说明图1的(a)和图1的(b)分别为使用本专利技术的接合材料的半导体装置的内部结构以及接合材料的示意性说明图。图2为本专利技术的实施例1的在多孔金属中熔融填充Sn而成的接合材料的截面显微镜组织图。图3为比较例I的用Sn将Cu片焊接而成的接合材料的截面显微镜组织图。图4为比较例7的在孔隙率高的多孔金属中熔融填充Sn而成的接合材料的截面显微镜组织图。具体实施例方式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.05 JP 2010-1764561.一种焊料接合材料，其由具有网眼结构的多孔金属体、和填充于该多孔金属体的空孔部分并且覆盖了该多孔金属体表面的Sn或Sn系焊料合金构成，所述多孔金属体显示导电性。2.根据权利要求1所述的焊料接合材料，其中，所述多孔金属体由选自通过与Sn反应生成金属间化合物的Cu、N1、Ag和Cu含量在90质量％以上的Cu合金组成的组中的至少一种构成。3.根据权利要求1或2所述的焊料接合材料，其特征在于，相对于所述多孔金属体，Sn或Sn系焊料合金所占的比例以面积％计为20%以上且30%以下。4.根据权利要求1 3中任一项所述的焊料接合材料，其中，所述多孔金属体的厚度为0.1mm以上且0.2mm以下，包含Sn或Sn系焊料合金层在内的整体的厚度为0.15 0.3mm,该焊料接合材料用于半导体装置的内部接合。5.根据权利要求1 4中任一项所述的焊料接合材料，其使用孔隙率以面积率计为20%以上且30%以下的多孔金属体作为多孔金属体。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：坂本善次，山田博之，山中芳惠，大西司，吉川俊策，田所健三，
申请(专利权)人：千住金属工业株式会社，
类型：
国别省市：