專利名稱：半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法，具體來說，涉及表現(xiàn)為功率模塊的功率半導(dǎo)體器件的制造方法。功率模塊是這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，將具有軟焊在絕緣體基底(例如，具有一金屬線路板的陶瓷)上的硅芯片或類似材料的元件軟焊到一金屬底板上。
背景技術(shù)：
功率半導(dǎo)體器件的制造方法主要由下列三種方法之一來實現(xiàn)。在第一種方法中，初步軟焊利用一連續(xù)爐(隧道爐)在還原氣氛中實現(xiàn)，以在硅芯片底面上的電極上形成軟焊料。在此之后，用放置在兩者之間的軟焊料將硅芯片軟焊在一絕緣體基底上。此后，進(jìn)行線的連接。然后，將具有軟焊在絕緣體基底上的硅芯片的元件，利用一焊劑在還原氣氛中軟焊到由銅制成的金屬底板上。
在第二種方法中，一硅芯片和一絕緣體基底利用一連續(xù)爐在還原氣氛中軟焊。此后，進(jìn)行線的連接。然后，將具有軟焊在絕緣體基底上的硅芯片的元件，利用一連續(xù)爐在還原氣氛中軟焊到金屬底板上。
在第三種方法中，一硅芯片、一絕緣體基底和一金屬底板，在三者之間放置涂藥空心釬焊料，利用一減壓爐在惰性氣體氣氛中軟焊。此后，進(jìn)行線的連接。
順便說及的是，在諸如一功率模塊的功率半導(dǎo)體器件中，流過其中的大電流會在硅芯片中產(chǎn)生熱量，其大到幾十瓦至幾千瓦。因此，對于功率半導(dǎo)體器件要求有良好的熱耗散性能。然而，在硅芯片和絕緣體基底之間的軟焊連接層中存在的空隙，或在絕緣體基底和金屬底板之間的軟焊連接層中存在的空隙，均阻止熱的耗散。這種情況大大地降低熱耗散性能，從而損壞半導(dǎo)體器件。因此，在軟焊連接層中盡可能減少空隙的存在是十分重要的。
在軟焊連接層中產(chǎn)生空隙的原因在于，當(dāng)軟焊料熔化時，諸如二氧化碳之類的、溶化在軟焊料中的氣體仍然留在軟焊料中的空隙里。此外，還有一個原因是，在軟焊時，吸附在軟焊料表面的材料或粘結(jié)在諸如絕緣體基底的部件，或者，軟焊料表面上的氧化錫、在金屬(例如，銅)基底上的銅型板表面上的氧化銅、形成在銅型板和金屬型板的表面上的鎳板的表面上的氧化鎳或諸如此類的氧化物進(jìn)行還原反應(yīng)，由此產(chǎn)生的水汽化而殘留形成空隙。另外還有一個原因是，焊劑和焊劑本身蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體殘留在軟焊連接層。
因此，為了減少軟焊連接層中的空隙，通常已采取措施防止被連接部件的表面被氧化以保持表面干凈，或者使用無溶解氣體的軟焊料或具有良好潤濕性的軟焊料。此外，已采取這樣的措施以優(yōu)化軟焊外形，控制被焊接部件的變形，以及在減壓的氣氛中實施軟焊。
此外，關(guān)于軟焊的方法已有多種建議。例如，一種已知的方法是，制備一種氣氛，其由比在密封容器的空氣高的熱傳導(dǎo)率的氣體形成，在軟焊料加熱和熔化之前，軟焊料在該氣氛中熔化還原，并在軟焊料固化之前，氣氛的壓力提高到大于軟焊料熔化之前的壓力(JP-A-11-154785)。在該方法中，通過壓縮空隙，其體積得到減小。
此外，還有一種已知方法，其中，軟焊料在真空氣氛下加熱和熔化而焊接電子零件之前，先將軟焊料設(shè)置在基底上，且電子零件暫時安裝在軟焊部位(JP-A-7-79071)。在該方法中，不使用諸如氫氣之類的還原氣體。
此外，還有一種制造半導(dǎo)體器件的已知方法，它包括下列步驟實施將具有導(dǎo)體層的絕緣基底軟焊到一金屬底板的步驟，以及將半導(dǎo)體芯片安裝在絕緣體基底上的步驟，其中的軟焊實施步驟包括在氣氛壓力下形成熔化的焊料的軟焊料熔化步驟，減小在熔化焊料上壓力的步驟，將熔化焊料上的壓力返回到氣氛壓力的步驟，以及固化熔化焊料的步驟(JP-A11-186331)。該方法是利用一焊劑應(yīng)用真空操作于軟焊的方法。在公開的專利中，沒有提及氫或還原氣氛。
另外，還有一種已知方法，其中，在裸芯片或諸如此類的元件和散熱器軟焊中，散熱器(裸芯片預(yù)先焊接在其上)放入一真空熱處理爐。然后，在實施加熱的同時，對爐內(nèi)抽真空而再次熔化已焊好的零件(JP-A-5-291314)。該方法是利用焊劑的軟焊方法，在公開的專利中，沒有提及氫或還原氣氛。
此外，還有一種已知的利用焊接裝置實施軟焊的方法。該焊接裝置包括一處理容器、在處理容器中控制氣氛和壓力的裝置，以及設(shè)置在該處理容器中的加熱裝置，其中，通過抽真空和引入高純度氣體而產(chǎn)生一低濃度氧的氣氛來實現(xiàn)氣氛和壓力的控制。利用該焊接裝置，通過加熱裝置加熱線路板，以及控制處理容器中氣氛的壓力，實現(xiàn)軟焊接(JP-A-8-242069)。
然而，在應(yīng)用上述的第一至第三方法制造功率半導(dǎo)體器件的諸方法中，存在下列諸多問題。在第一種方法中，利用安裝在夾具上的硅芯片，實施初步的焊接和將硅芯片焊接到絕緣體基底上的焊接。因此，通過多次加工，硅芯片損壞的幾率大大提高，其易于造成電氣性能的失效。
在第一和第二方法中，由于硅芯片、金屬線路板和陶瓷的熱膨脹系數(shù)的差異而引起雙金屬效應(yīng)，所以，在焊接之后，易產(chǎn)生絕緣體基底的翹曲。所產(chǎn)生的翹曲在接線焊接處造成硅芯片的不均勻應(yīng)力。造成的損壞會導(dǎo)致電氣性能的失效。
在第一和第三方法中，必須進(jìn)行清潔工作以去除焊后的焊劑。然而，粘結(jié)在硅芯片表面上的諸如清潔工作中遺留的殘余污物，有時又會造成電氣性能的失效，例如，擊穿電壓的降低。特別在第三方法中，由于接線焊接是在清潔工作之后，所以，粘結(jié)的焊劑殘留物或清潔中留下的殘留物會阻止接線焊接形成牢固的連接，從而造成可靠性的降低。
在第一和第三方法中，使用具有總長度接近10米的連續(xù)軟焊爐。因此，當(dāng)爐子在運(yùn)行時，用于軟焊所需的諸如氫或氮之類的氣體必須總是連續(xù)地流入。此外，在材料饋入的任何時候，饋入爐內(nèi)的各種材料的熱量差異需要控制爐內(nèi)溫度。在爐子運(yùn)行之初，爐內(nèi)溫度和氣氛在達(dá)到均勻之前，需花費大量時間。這就要求大量的運(yùn)行成本。
此外，在應(yīng)用上述的第一至第三方法制造功率半導(dǎo)體器件的諸方法中，下面的問題也起因于熱耗散。在第一和第二方法中，利用連續(xù)爐在氣氛壓力(正常壓力)的條件下進(jìn)行軟焊。這造成焊料熔化過程中產(chǎn)生的軟焊料中的空隙的逸出路徑，被粘滯的焊料或被焊接的成分切斷。因此，空隙易于留在軟焊料焊接層里。因而，如上所述，必須使用含有較少溶解氣體的焊材，或儲存或包裝焊材或待焊部件，使其不致氧化。然而，這引起材料成本的上漲。此外，對氧濃度、露點和軟焊爐中溫度曲線的精確控制，會導(dǎo)致軟焊爐運(yùn)行成本的顯著提高。
此外，在第三方法中，不充分的減壓會導(dǎo)致除去焊劑的痕道(即，流動焊劑的痕道)作為空隙而遺留在軟焊連接層中。此外，該方法通過減壓為除去所有的焊劑而花費太多的時間，從而在間歇生產(chǎn)爐的情形中，導(dǎo)致生產(chǎn)率的下降。然而，松香(焊劑中的一種主要成分)粘結(jié)到減壓室的內(nèi)側(cè)，或粘結(jié)到管道并沉淀在上面。這要求經(jīng)常清潔裝置的內(nèi)部，從而導(dǎo)致很多成本花費在裝置的維護(hù)保養(yǎng)上。此外，在300℃或300℃以上實施軟焊會導(dǎo)致焦化焊劑的附著。因此，軟焊不能在300℃或300℃以上進(jìn)行。
本發(fā)明考慮上述問題，其目的是提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，層合連接的方法包括至少兩個待焊接的部件之間置入一軟焊料片，在短時間軟焊工藝中實現(xiàn)層合連接，從而可獲得軟焊連接層內(nèi)幾乎無空隙的半導(dǎo)體器件。

發(fā)明內(nèi)容
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法，包括將一層疊物送入裝備有減壓爐的焊接組合裝置步驟，該層疊物包括至少兩個待焊的部件和置于其間的一軟焊料片；在爐內(nèi)抽真空之后，對包含在層疊物內(nèi)的各部件的至少一個待焊表面，在正壓下的處于氫氣氛中的爐內(nèi)進(jìn)行還原的步驟；軟焊料加熱和熔化之后，在真空氣氛的爐內(nèi)再次除去軟焊料中的空隙的步驟；將爐內(nèi)再次達(dá)到正壓下的氫氣氛，以阻止通過流動的空隙在焊料中形成隧道形的孔，隨之，形成均勻的軟焊料角焊縫的步驟；快速冷卻使焊料結(jié)構(gòu)更細(xì)密的步驟，由此，增加用作焊接待焊部件的焊料的蠕變速率，以便快速將由不同熱膨脹系數(shù)造成的部件的翹曲恢復(fù)到原始狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，待焊部件的軟焊連接在減壓爐中同時實施，隨之，軟焊料中的空隙此時被除去，由不同類型材料的焊接引起的被焊部件的翹曲也迅速去除。
附圖的簡要說明

圖1是顯示一腔室內(nèi)溫度分布、氣氛和壓力的實例的曲線圖，以及根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法中的加工操作。
圖2是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法中實施軟焊的層疊物的結(jié)構(gòu)。
圖3是示意性地顯示用來實施根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法的焊接組裝裝置中的一減壓爐內(nèi)的結(jié)構(gòu)的視圖。
圖4是解釋隧道形孔在軟焊料內(nèi)形成為一流動的空隙痕道的形成原理的視圖。
圖5是示意性地顯示第二還原過程之后的均勻的角焊縫形狀的視圖。
圖6是示意性地顯示第二還原過程之前的不佳的角焊縫形狀的視圖。
圖7是表示軟焊料晶粒大小和蠕變速率之間關(guān)系的特性曲線。
圖8是在冷卻速率為每分鐘600℃下冷卻的軟焊料的金屬結(jié)構(gòu)的掃描式電子顯微鏡(SEM)的圖像。
圖9是在冷卻速率為每分鐘300℃下冷卻的軟焊料的金屬結(jié)構(gòu)的掃描式電子顯微鏡(SEM)的圖像。
圖10是在冷卻速率為每分鐘5℃下冷卻的軟焊料的金屬結(jié)構(gòu)的掃描式電子顯微鏡(SEM)的圖像。
圖11是在冷卻速率為每分鐘0.5℃下冷卻的軟焊料的金屬結(jié)構(gòu)的掃描式電子顯微鏡(SEM)的圖像。
圖12是示意性地顯示經(jīng)初步軟焊的軟焊料設(shè)置在硅芯片底面上的狀態(tài)。
圖13是用經(jīng)初步軟焊后設(shè)置在硅芯片底面上的軟焊料，實施將其軟焊到絕緣體基底上的狀態(tài)。
圖14是顯示用來實施根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法的減壓爐內(nèi)的結(jié)構(gòu)的實例的截面圖。
圖15是用此方法制造的多個半導(dǎo)體器件中的熱阻分布的特征圖。
圖16是表示在根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法中，抽真空頻度和在軟焊連接層中的空隙的百分率之間關(guān)系的特征圖。
圖17是用第一傳統(tǒng)方法制造的多個半導(dǎo)體器件中的熱阻分布的特征圖。
圖18是表示在熱板和冷卻板中，消除具有非均勻溫度的部分的一實例的說明性視圖。
圖19是表示在熱板和冷卻板中，消除具有非均勻溫度的部分的另一實例的說明性視圖。
圖20是表示在熱板和卻冷板中，消除具有非均勻溫度的部分的另一實例的說明性視圖。
圖21是表示在熱板和冷卻板中，消除具有非均勻溫度的部分的另一實例的說明性視圖。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖詳細(xì)介紹實施本發(fā)明的方式。圖1是顯示在根據(jù)本發(fā)明的制造半導(dǎo)體器件的方法中的一腔室和加工操作中的溫度分布、氣氛和壓力的實例的曲線。首先，如圖2所示，作為準(zhǔn)備工序，一絕緣體基底2層疊在一金屬底板1上，焊接軟焊料片3置于其間。在層疊過程中，再層疊上一硅芯片4，在硅芯片和絕緣體基底之間置入焊接軟焊料片5。如圖3所示，這樣的層疊物10裝在一減壓爐11內(nèi)的運(yùn)輸平板12上，運(yùn)輸平板12是在一熱板13和一水冷板14之間前后移動的結(jié)構(gòu)，熱板用來加熱層疊物10，而水冷板用來冷卻層疊物10。
根據(jù)圖1所示的曲線圖開始軟焊時，層疊物10安置在運(yùn)輸平板12，減壓爐11首先密封而開始爐內(nèi)減壓(圖1中時間T0)。在此抽真空過程中，運(yùn)輸平板12處于準(zhǔn)備狀態(tài)，并離開熱板13和水冷板14。
例如，當(dāng)減壓爐內(nèi)的真空度達(dá)到5.7319Pa時，氫氣開始引入到減壓爐內(nèi)(圖1中時間T1)。氫氣的流量例如為每秒10升。此外，當(dāng)減壓爐11內(nèi)的壓力變?yōu)檎龎簳r，運(yùn)輸平板12傳送到熱板13。這使層疊物10被熱板13加熱并保持該狀態(tài)，直到溫度達(dá)到目標(biāo)焊接溫度。
在溫度上升直到目標(biāo)焊接溫度的升溫過程中(圖1中的時間T1至T2)，減壓爐11內(nèi)的壓力為正壓，它使氫氣易于滲透到層疊物10的各部件之間的間隙中去。因此，啟動對絕緣體基底和金屬底板之間的焊接軟焊料片3、硅芯片和絕緣體基底之間的焊接軟焊料片5、絕緣體基底2和金屬底板1的各表面的還原反應(yīng)。這樣，準(zhǔn)備焊接的表面的潤濕性得到保證，而接線焊接能力也得到保證(第一還原過程)。此外，各個軟焊料片3和5熔化，氫氣填充入此時產(chǎn)生的空隙，由此活化這些空隙。在軟焊料片3和5熔化時，在減壓爐11內(nèi)的氧濃度保持在30ppm或以下，較佳地在10ppm或以下，露點保持在-30℃或以下，較佳地在-50℃或以下。
當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)焊接溫度時，又開始減壓爐11內(nèi)的減壓(圖1中時間T2)。然后，例如，在減壓爐11內(nèi)的真空度達(dá)到13.1967Pa之后，減壓繼續(xù)一分鐘。這使減壓爐11內(nèi)的真空度下降達(dá)到大約4.1323至3.7324×10-1Pa。一分鐘持續(xù)的減壓除去幾乎由兩種原因形成的所有空隙，其中，一種是介于軟焊料和被焊部件之間因不良潤濕度而產(chǎn)生的空隙，另一種是由溶解在軟焊料內(nèi)的氣體產(chǎn)生的空隙。這里，取一分鐘的減壓持續(xù)時間的根據(jù)在于，即使繼續(xù)減壓時間超過一分鐘以上，也不再達(dá)到進(jìn)一步的空隙除去效果。
此后，再次將氫氣引入爐內(nèi)(圖1中T3)。在減壓爐11內(nèi)的壓力達(dá)到正壓之后，繼續(xù)引入氫氣持續(xù)另一分鐘(第二還原過程。)繼續(xù)引入氫氣的原因是通過氫氣的還原作用，防止如圖4所示的隧道形的孔22(流動空隙21的痕道)。在上述一分鐘持續(xù)減壓的過程中，當(dāng)軟焊料片3或5內(nèi)的空隙21從軟焊料片3或5內(nèi)除去時，上述孔22仍留在軟焊料片3或5之內(nèi)。
這就是說，軟焊料片3或5內(nèi)的空隙21被充以氧化部件的氣體。由此，當(dāng)空隙21通過其間時，與空隙21接觸的軟焊料的一部分被氧化。這使軟焊料在空隙21通過其間的部分變得不潤濕，并在軟焊料中留下隧道形敞開的空隙。填充在敞開的空隙內(nèi)的氫氣還原氧化的內(nèi)表面，以對軟焊料提供良好的潤濕性，這種性能致使軟焊料填充入敞開的空隙內(nèi)。
繼續(xù)引入氫氣的另一原因是，通過保持氫的還原作用及通過熱板13的加熱來減小軟焊料片5的表面張力，由此，穩(wěn)定如圖5所示的軟焊角焊縫形狀31，以延長裂縫產(chǎn)生的軟焊料的壽命。在不繼續(xù)引入氫氣的情況下，在爐內(nèi)減壓之后立即開始通過冷卻固化軟焊料片5，由于軟焊料片5有大的表面張力的緣故，導(dǎo)致如圖6所示的不均勻的軟焊角焊縫的形狀32。這導(dǎo)致縮短因熱循環(huán)和其它因素而造成裂縫產(chǎn)生的軟焊料的壽命。
可通過軟焊料片5的保溫，增加軟焊料片5暴露于氫氣中的時間，或兩種方法的組合來減小軟焊料片5的表面張力。然而，即使氫氣繼續(xù)引入的時間超過一分鐘，也看不到填充流過空隙21的痕道孔22效果或穩(wěn)定軟焊角焊縫形狀31的效果。因此，持續(xù)引入氫氣的時間取為一分鐘是足夠的。
第二還原過程一結(jié)束，運(yùn)輸平板12從熱板13輸送到水冷板14，開始通過水冷板來冷卻層疊物10(圖1中時間T4)。例如，層疊物10按每分鐘300℃的速率冷卻。例如，當(dāng)層疊物10的溫度變?yōu)?0至60℃時，開始排出減壓爐11內(nèi)的氫氣(圖1中時間T5)。
例如，當(dāng)通過排出氫氣減壓爐11內(nèi)的真空度變?yōu)?.7319Pa時，將氮氣引入到減壓爐11內(nèi)(圖1中時間T6)。此外，在減壓爐11內(nèi)被氮氣取代且爐內(nèi)的氫濃度達(dá)到爆炸限或以下之后，減壓爐11被打開(圖1這時間T7)。圖1中的時間T0至T7的一系列操作在15分鐘內(nèi)完成。通過一系列的操作，可獲得具有高質(zhì)量軟焊層而無空隙的半導(dǎo)體器件。
這里，熱板13的溫度較佳地比軟焊料的液態(tài)溫度高大約50℃。例如，在下列情形中，用液態(tài)溫度為301℃的含高Pb(鉛)成分的軟焊料作為硅芯片和絕緣體基底之間的軟焊料片5，用液態(tài)溫度為183℃的Sn-Pb(錫—鉛)成分的軟焊料作為絕緣體基底和金屬底板之間的軟焊料片3，則熱板13的溫度取為350至360℃，并考慮其表面內(nèi)的一些變化。
此外，例如，在下列情形中，用液態(tài)溫度為222℃的Sn-Ag(錫—銀)基的軟焊料作為硅芯片和絕緣體基底之間的軟焊料片5，用液態(tài)溫度為234℃的Sn-Pb(錫—鉛)成分的軟焊料作為絕緣體基底和金屬底板之間的軟焊料片3，根據(jù)上面所述，則熱板13的溫度取為280至290℃。然而，考慮到氫還原力的效果顯示在300℃或以上，所以，熱板13的溫度最好取為300至310℃。
發(fā)明者實際進(jìn)行測試的結(jié)果還表明當(dāng)熱板13的溫度取為350至360℃時，高鉛成分的軟焊料(液態(tài)溫度為301℃)和錫—鉛軟焊料(液態(tài)溫度為183℃)的組合，在軟焊連接層內(nèi)形成最少數(shù)量的空隙。此外，當(dāng)熱板13的溫度取為300至310℃時，錫—銀基的軟焊料(液態(tài)溫度為222℃)和錫—鉛軟焊料(液態(tài)溫度為234℃)的組合，在軟焊連接層內(nèi)形成最少數(shù)量的空隙。
接下來，討論關(guān)于水冷板14的溫度和冷卻時間，它們的選擇應(yīng)根據(jù)所考慮的軟焊料的冷卻速率(固化速率)。更具體來說，在此方法中，熱膨脹系數(shù)互不相同的硅芯片4、絕緣體基底2和金屬底板1同時進(jìn)行軟焊連接。在軟焊完成狀態(tài)中，這使具有最大熱膨脹系數(shù)的金屬底板1翹曲，以致變?yōu)槌蚪^緣體基底2的一側(cè)的凸出。這影響通過軟焊層焊接的層疊物10，造成最大量級為0.3mm的翹曲。保持到下一個接線焊接步驟的翹曲會造成如上所述的電氣特性的失效。因此，在實施接線焊接之前，必須消除翹曲現(xiàn)象。
對于翹曲的消除，介于絕緣體基底2和金屬底板1之間的軟焊連接層可在短時間內(nèi)良好地經(jīng)受蠕變。圖7是表示錫—鉛軟焊料(錫-37鉛)的晶粒大小和蠕變速率之間關(guān)系的特征曲線。從曲線圖中可知，隨著晶粒直徑變細(xì)，蠕變速率趨于增加。這種趨勢在錫和鉛不同成分比的軟焊料中是相同的。因此，為增加蠕變速率，金屬結(jié)構(gòu)(晶粒)可做得更細(xì)小。
此外，在圖8至圖11中，顯示有錫—鉛軟焊料(錫-37鉛軟焊料)的金屬結(jié)構(gòu)在冷卻速率改變的情況下各個掃描式電子顯微鏡的圖像。圖8、圖9、圖10和圖11分別是冷卻速率為每分鐘600℃、每分鐘300℃、每分鐘5℃和每分鐘0.5℃的圖像。從這些圖像中可知，軟焊料結(jié)構(gòu)隨著冷卻速率的增加而變得更加細(xì)小。因此，從蠕變速率與晶粒對冷卻速率的關(guān)系中可知，蠕變速率可通過軟焊料的冷卻速率(固化速率)的提高而提高。因此，冷卻速率最好取為每分鐘250℃或以上(例如，每分鐘300℃)。
由發(fā)明者進(jìn)行的測試揭示每分鐘250℃或以上的冷卻速率使金屬基底1的翹曲落在0至-0.1mm的范圍內(nèi)(符號“-”代表翹曲朝向絕緣體基底2的一側(cè)凸出)，這能消除對接線焊接的不利影響。換句話說，每分鐘250℃或以下的冷卻速率不能足以恢復(fù)翹曲的金屬底板1，易于對接線焊接造成不利影響。此外，在焊后加快軟焊料的蠕變，以在盡可能早的階段消除層疊物10內(nèi)的殘余應(yīng)力，可以穩(wěn)定金屬底板1的變形。因此，選擇水冷板14的溫度和冷卻時間，以使軟焊料的冷卻速率變?yōu)槊糠昼?50℃或以上。
順便說及的是，如果一硅芯片4的尺寸為5mm見方或略小時，則硅芯片和絕緣體基底之間的軟焊料片5的尺寸也為5mm見方或略小。硅芯片和軟焊料片的這樣相當(dāng)小的尺寸使軟焊的初始準(zhǔn)備很費時，或造成硅芯片與軟焊料片5的不夠正確的定位，以致產(chǎn)生焊接可能的失敗。
因此，當(dāng)實施這樣尺寸的硅芯片4的軟焊連接時，要求用單獨的減壓爐11實施初步的焊接，以預(yù)先在硅芯片4的底面上(例如，校正電路電極的面)提供硅芯片和絕緣體基底之間的連接軟焊料。當(dāng)特別使用具有易于氧化的錫為主要成分而無鉛的軟焊料時，使減壓爐11內(nèi)的氧濃度為幾十個ppm或以下，以提供氧濃度非常低的氣氛，可在如圖12所示的初步軟焊之后，在軟焊料6上形成最小可能的表面氧化膜7。然后，如圖13所示，通過設(shè)置在硅芯片4的底面上的軟焊料6，將硅芯片4軟焊到絕緣體基底2上。
此外，在制造半導(dǎo)體器件的方法中，當(dāng)硅芯片和絕緣體基底軟焊，且實施的軟焊是軟焊在金屬基底上時，則在通用的連續(xù)爐中的氧濃度是幾千個ppm。因此，在具有易于氧化的錫為主要成分而無鉛的軟焊料中，使用連續(xù)爐的初步軟焊會在軟焊料上形成一牢固的氧化膜。因此，不可能獲得良好的軟焊連接。
圖14是顯示一減壓爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實例的一截面圖。該減壓爐11包括爐主體111和放在其上的蓋113，兩者之間放置一密封墊112，以保持爐子內(nèi)部氣密。在減壓爐11中，設(shè)置有一氫氣引入管114，用來將氫氣輸入爐內(nèi)，一氮氣引入管115，用來將氮氣輸入爐內(nèi)，以及一排氣孔116。
盡管為了避免附圖變得復(fù)雜而省略了在圖上的表示，但氫氣引入管114連接在熱板13的后側(cè)，從其中心朝外螺旋形展開。此外，設(shè)置這樣一個結(jié)構(gòu)，其中，被加熱板13加熱而活化的氫氣，從設(shè)置在螺旋管上的許多個孔，均勻地吹入爐內(nèi)。這可提高還原能力。氫氣引入管114和氮氣引入管115分別連接到氫氣供應(yīng)源和氮氣供應(yīng)源(它們在圖中未示出)。此外，一真空泵15連接到排氣孔116。
水冷板14連接到位于爐子外面的冷卻裝置，用來循環(huán)用于水冷板14的冷卻水。此外，運(yùn)輸平板12沿傳送軌道17在熱板13和水冷板14之間移動。
在圖15中，顯示用此方法制造的多個半導(dǎo)體器件的熱阻分布的實例。為了比較起見，在圖17中，顯示用上述現(xiàn)有技術(shù)的第一種方法制造的多個半導(dǎo)體器件的熱阻分布的實例。從圖15清楚可見，根據(jù)此方法，熱阻分布的平均值、最大值和最小值分別為0.266℃/W，0.279℃/W和0.250℃/W。此外，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0074。
與此相比，在傳統(tǒng)的第一方法中，熱阻分布的平均值、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.287℃/W，0.334℃/W、0.272℃/W和0.0103。從這兩種方法的比較來看，可以理解到，本方法的熱阻和其偏差值顯然較小。這就是說，可以肯定，本方法的軟焊連接層中的空隙百分率和其偏差比起傳統(tǒng)方法更小，由此，可提高半導(dǎo)體器件的熱耗散。
根據(jù)上述的方法，絕緣體基底和金屬底板之間的軟焊料片3，絕緣體基底2，硅芯片和絕緣體基底之間的軟焊料片5和硅芯片4，依次層疊在金屬底板1上。層疊物10被送入裝備有減壓爐11的焊接組裝裝置。在爐內(nèi)抽真空之后，包含在層疊物10中的各部件的表面，在爐內(nèi)的正壓下的氫氣氣氛中還原。在軟焊料加熱和熔化后，軟焊料片3和5中的空隙在爐內(nèi)的真空的氫氣氣氛中再次除去。此后，使?fàn)t內(nèi)再次達(dá)到正壓下的氫氣氣氛，以阻止隧道形的孔通過流動空隙21形成在軟焊料片3和5上。同時，可獲得均勻的軟焊角焊縫形狀31。其后，快速冷卻層疊物10以使軟焊料結(jié)構(gòu)變得較細(xì)。這提高用作焊接絕緣體基底2和金屬底板1的軟焊料的蠕變速率，以快速將由熱膨脹系數(shù)的差異引起的金屬底板1的翹曲恢復(fù)到原始狀態(tài)。因此，在減壓爐11開始操作之后的十多分鐘內(nèi)，可以獲得具有高質(zhì)量和高可靠性的軟焊連接層的半導(dǎo)體器件，且其具有比傳統(tǒng)的器件更佳的散熱性。
此外，根據(jù)本方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可使用較少的氫氣和氮氣量，且不需使用焊劑。因此，同時收到運(yùn)行成本減少的成效以及防止環(huán)境受到不利影響的成效。
在上面的描述中，本發(fā)明不局限于所示實例，但可作不同的修改。例如，圖1中T2至T3的時間內(nèi)抽真空步驟的頻度通常系一次。然而，當(dāng)焊接大面積基底時，或空隙不易除去時，抽真空步驟可安排重復(fù)多次，例如，多次的頻度為2至5次。這樣反復(fù)的減壓和加壓，在熔化的軟焊料中形成震動，以使空隙易于除去，由此可獲得空隙去除的效果。然而，如圖16所示，本發(fā)明者就抽真空的頻度和軟焊連接層中的空隙百分率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明，在抽真空步驟的反復(fù)頻度高達(dá)五次的情況下，空隙百分率隨頻度的增加而變小，但即使頻度為六次或以上，也不能獲得進(jìn)一步的效果。
此外，在包括一減壓爐的組裝裝置中，熱板裝備有一用于熔化軟焊料的加熱器，水冷板裝備有用于固化軟焊料的冷卻水循環(huán)通路，一運(yùn)輸平板用于熔化和固化軟焊料，熱板和冷卻板相互緊密地設(shè)置在減壓爐內(nèi)。在相互相對的部分中，受到冷卻板影響的熱板部分成為溫度較低的部分。而受到熱板影響的冷卻板部分成為溫度較高的部分。
消除這種溫度不均勻部分的實例示于圖18至圖21。在圖18中，通過在減壓爐內(nèi)的熱板43的外周緣上設(shè)置陶瓷壁來施加熱隔離，以阻止熱的干擾。此外，在圖19中，一隔板45設(shè)置在熱板43和冷卻板14之間，以阻止熱的干擾。在這種情形中，用于隔板45，鐵基材料和陶瓷材料較為合適。
在圖20中，一厚度為2至3mm的碳板46放置在熱板43上。碳板46是一種易于加熱和難于冷卻的材料，碳板46顯示儲熱效應(yīng)和均勻保持熱板43內(nèi)部溫度的效應(yīng)。這樣，熱板43中無熱量被冷卻板14取走。在圖21中，熱屏蔽板47設(shè)置在熱板43的上方，由此使活性的氫氣留在熱板43的周圍。這使結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)軟焊時氫活化的功效和包圍熱板43的氫氣所起的熱絕緣作用的功效。
根據(jù)本發(fā)明，金屬底板和絕緣體基底的軟焊連接，以及絕緣體基底和硅芯片的軟焊連接同時進(jìn)行。同時，除去軟焊料中的空隙，并快速除去因焊接不同類型材料引起的金屬底板的翹曲。因此，在減壓爐11開始操作之后的十多分鐘內(nèi)，可以獲得具有高質(zhì)量和高可靠性的軟焊連接層的半導(dǎo)體器件，且其具有比傳統(tǒng)的器件更佳的散熱性。此外，根據(jù)本發(fā)明，同時收到運(yùn)行成本減少的成效以及防止環(huán)境受到不利影響的成效。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，它包括將一層疊物輸送入一減壓爐的準(zhǔn)備步驟，層疊物包括至少兩個被焊接的部件，且其間放置一軟焊料片；在上述準(zhǔn)備步驟之后的第一減壓步驟，該步驟對上述減壓爐內(nèi)抽真空；在上述第一減壓步驟之后的第一還原步驟，該步驟在上述減壓爐內(nèi)正壓下的氫氣氣氛中對包含在上述層疊物內(nèi)的各部件的至少一個待焊接的表面進(jìn)行還原；在上述第一還原步驟過程中的加熱步驟，該步驟將上述減壓爐內(nèi)加熱到焊接溫度，以熔化上述軟焊料片，同時，保持正壓下的氫氣氣氛中的軟焊料片上的氣氛，并填充軟焊料片熔化時液化的軟焊料中產(chǎn)生的空隙，用氫氣活化這些空隙；在上述加熱步驟之后的空隙除去步驟，該步驟在上述的減壓爐內(nèi)再次的爐內(nèi)真空氣氛中除去液化的軟焊料中的空隙，同時將溫度保持在焊接溫度；在上述空隙除去步驟之后的第二還原步驟，該步驟再次使上述減壓爐內(nèi)達(dá)到正壓下的氫氣氣氛，同時將其上的溫度保持在焊接溫度，以在上述空隙在液化的軟焊料中流動過程中阻止隧道形孔形成在上述液化的軟焊料中，與此同時，均勻形成軟焊料角焊縫；以及在上述第二還原步驟之后的冷卻步驟，該步驟快速冷卻上述層疊物，同時使上述減壓爐內(nèi)的氣氛保持在正壓下的氫氣氣氛中。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，使軟焊料結(jié)構(gòu)變得較細(xì)密，以提高上述冷卻步驟中的蠕變速率，用來除去上述被焊接部件由于諸部件的熱膨脹系數(shù)的差異引起的翹曲，并包括在上述冷卻步驟中的第二減壓步驟，該步驟對上述減壓爐內(nèi)抽真空；以及在上述第二減壓步驟之后的步驟，該步驟使上述減壓爐內(nèi)的氣氛，在打開上述減壓爐之前，達(dá)到正壓下的氮氣氣氛。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，同時，被加熱在上述減壓爐內(nèi)的上述層疊物的加熱板加熱的氫氣均勻施加到加熱板。
4.如權(quán)利要求1至3中任何一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在上述空隙除去步驟中，在上述減壓爐內(nèi)達(dá)到真空氣氛同時將其上的溫度保持在焊接溫度之后，使上述減壓爐內(nèi)再次達(dá)到正壓下的氫氣氣氛的步驟實施介于1至5次的次數(shù)。
5.如權(quán)利要求1至4中任何一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在上述軟焊料片熔化的過程中，上述減壓爐內(nèi)的氧氣的濃度保持在30ppm或以下，同時，其露點保持在-30℃或以下。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，上述減壓爐內(nèi)的氧氣的濃度保持在10ppm或以下，同時，其露點保持在-50℃或以下。
7.如權(quán)利要求1至6中任何一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在上述冷卻步驟中，冷卻的速率是每分鐘250℃或以上，且最好是每分鐘300℃或以上。
8.如權(quán)利要求1至7中任何一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在上述冷卻步驟中，如果溫度變?yōu)?0℃或以下，則上述減壓爐內(nèi)的氫氣氣氛被氮氣氣氛取代。
9.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，它包括將一層疊物輸送入一減壓爐的準(zhǔn)備步驟，層疊物包括至少兩個被焊接的部件，且其間放置一軟焊料片；在上述準(zhǔn)備步驟之后的第一減壓步驟，該步驟對上述減壓爐內(nèi)抽真空；在上述第一減壓步驟之后的第一還原步驟，該步驟在加熱和熔化上述軟焊料片之前，將上述減壓爐內(nèi)的氣氛保持在正壓下的氫氣氣氛中；以及在上述第一還原步驟過程中的加熱步驟，該步驟將上述減壓爐內(nèi)加熱到焊接溫度，以熔化上述軟焊料片，同時，保持正壓下的氫氣氣氛中的軟焊料片上的氣氛。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，還包括在上述加熱步驟之后的空隙除去步驟，該步驟將上述減壓爐內(nèi)再次保持在真空的氣氛中，同時，將其中的溫度保持在焊接溫度。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在上述的空隙除去步驟中，在上述減壓爐內(nèi)達(dá)到真空氣氛同時將其上的溫度保持在焊接溫度之后，使上述減壓爐內(nèi)再次達(dá)到正壓下的氫氣氣氛的步驟實施介于1至5次的次數(shù)。
12.如權(quán)利要求9至11中任何一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在上述軟焊料片熔化的過程中，上述減壓爐內(nèi)的氧氣的濃度保持在30ppm或以下，同時，其露點保持在-30℃或以下。
13.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，上述減壓爐內(nèi)的氧氣的濃度保持在10ppm或以下，同時，其露點保持在-50℃或以下。
14.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，它包括將一層疊物輸送入一減壓爐的準(zhǔn)備步驟，層疊物包括至少兩個被焊接的部件，且其間放置一軟焊料片；在上述準(zhǔn)備步驟之后的加熱步驟，該步驟加熱到焊接溫度，以熔化上述軟焊料片；在上述加熱步驟之后的空隙除去步驟，該步驟將上述的減壓爐內(nèi)保持在真空氣氛中，同時將其中的溫度保持在焊接溫度；以及在上述空隙除去步驟之后的還原步驟，該步驟使上述減壓爐內(nèi)達(dá)到正壓下的氫氣氣氛，以在規(guī)定的時間長度內(nèi)保持該狀態(tài)。
15.如權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，同時，被加熱在上述減壓爐內(nèi)的上述層疊物的加熱板加熱的氫氣均勻施加到加熱板。
16.如權(quán)利要求14或15所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在上述空隙除去步驟中，在上述減壓爐內(nèi)達(dá)到真空氣氛同時將其上的溫度保持在焊接溫度之后，使上述減壓爐內(nèi)再次達(dá)到正壓下的氫氣氣氛的步驟實施介于1至5次的次數(shù)。
17.如權(quán)利要求14至16中任何一項所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在上述軟焊料片熔化的過程中，上述減壓爐內(nèi)的氧氣的濃度保持在30ppm或以下，同時，其露點保持在-30℃或以下。
18.如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，上述減壓爐內(nèi)的氧氣的濃度保持在10ppm或以下，同時，其露點保持在-50℃或以下。
全文摘要
為了獲得在軟焊連接層中無空隙的半導(dǎo)體器件，在短時間內(nèi)實施軟焊過程而焊接一層疊物，提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法。其中，該層疊物包括一金屬底板，一軟焊料片，一絕緣體基底，一軟焊料片，和一硅芯片。將該層疊物放置在一減壓爐內(nèi)，在爐內(nèi)抽真空之后，爐內(nèi)達(dá)到正壓下的氫氣氣氛，以還原層疊物各個部件的表面，在加熱和熔化軟焊料之后，爐內(nèi)達(dá)到真空氣氛，以除去軟焊料中的空隙，且爐內(nèi)達(dá)到正壓下的氫氣氣氛，以阻止隧道形孔通過空隙的流動形成在軟焊料中，由此，獲得一均勻的軟焊角焊縫形。此后，快速冷卻層疊物使軟焊料結(jié)構(gòu)變得更細(xì)密，由此，提高用作焊接絕緣體基底和金屬底板的軟焊料的蠕變速率，以快速將金屬底板的翹曲恢復(fù)到原始的狀態(tài)。
文檔編號B23K1/00GK1449005SQ0310763
公開日2003年10月15日 申請日期2003年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月29日
發(fā)明者兩角朗, 宮坂忠志, 山田克己, 望月英司 申請人:富士電機(jī)株式會社