專(zhuān)利名稱(chēng)：接合材料、半導(dǎo)體裝置及其制造方法
接合材料、半導(dǎo)體裝置及其制造方法技術(shù)領(lǐng)城本發(fā)明涉及接合材料及半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
鉛對(duì)人體的神經(jīng)及造血系統(tǒng)的不良影響是明確的，歐洲的控制汽車(chē)的鉛使用的 ELV指令(End-of Life Vehicles directive，涉及廢汽車(chē)的指令)以及禁止電氣及電子儀器中使用鉛的 RoHS 指令(Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment)，分別于 2000 年 10 月及 2006 年 7 月施行。 電氣及電子儀器的部件的電接合使用的焊料中，原來(lái)含鉛。焊料按熔點(diǎn)分為高溫、中溫、低溫的3種，作為中溫焊料，有Sn-Ag-Cu系焊料、Sn-Cu系焊料等，作為低溫焊料，有Sn-Bi系焊料、Sn-h系焊料等已得到開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，均符合ELV指令、RoHS指令。但是，由于這些焊料的鉛含量高達(dá)85%以上，尚未開(kāi)發(fā)出無(wú)鉛的高耐熱接合材料來(lái)代替具有高熔點(diǎn)的高鉛焊料，高鉛焊料成為上述ELV指令、RoHS指令的對(duì)象之外。然而，高鉛焊料，含有作為構(gòu)成成分的85質(zhì)量％以上的鉛，與RoHS指令禁止的Sn-Pb共晶焊料相比，環(huán)境負(fù)荷大。因此，殷切希望開(kāi)發(fā)出代替高鉛焊料的替代接合材料。專(zhuān)利文獻(xiàn)1(日本特許3850135號(hào)公報(bào))公開(kāi)了含“Al為1 9質(zhì)量％，含Ge為 0. 05 1質(zhì)量％，其余為Si及不可避免的雜質(zhì)所構(gòu)成的高溫焊料用Si合金”。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)2 (日本特許3945915號(hào)公報(bào))公開(kāi)了含“Al為1 9質(zhì)量％、Mg 為0. 05質(zhì)量％以上、小于0. 5質(zhì)量％、fei為0. 1 8質(zhì)量％、其余為Si及不可避免的雜質(zhì)所構(gòu)成的焊料用Si合金”。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)3 (日本特開(kāi)2008-U6272號(hào))公開(kāi)了在“Al系合金層的最表面設(shè)置了 Si系合金層的接合材料。特別是Al系合金層的Al含量為99 100質(zhì)量％、或Si系合金層的Si含量為90 100質(zhì)量％的接合材料”。這里用圖1及圖2對(duì)現(xiàn)有的適于高耐熱接合的應(yīng)用例加以說(shuō)明。圖1為表示現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)之一例的圖、圖2為現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置中采用再熔融的焊料產(chǎn)生溢出 (flush)時(shí)的說(shuō)明圖。如圖1所示，半導(dǎo)體裝置7，是把半導(dǎo)體元件1用焊料3接合在框架2上(小片接合die bonding)，用金屬線4，把引線5的內(nèi)部引線與半導(dǎo)體元件1的電極加以引線接合后，用封裝用樹(shù)脂6或惰性氣體加以封裝而制成。該半導(dǎo)體裝置7，用Sn-Ag-Cu系的中溫?zé)o鉛焊料，在印刷基板上附與回流焊料。 Sn-Ag-Cu系無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)高達(dá)約220°C，在回流接合時(shí)，能夠想到接合部被加熱達(dá)到最高沈01。因此，為使回流接合時(shí)的接合部(小片接合)不發(fā)生再熔融，小片接合時(shí)使用具有290°C以上熔點(diǎn)的高鉛焊料。目前已開(kāi)發(fā)的Sn-Ag-Cu系等的中溫?zé)o鉛焊料，由于熔點(diǎn)為約220°C，在用于半導(dǎo)體元件的小片接合時(shí)，半導(dǎo)體裝置于印刷基板上回流接合時(shí)焊料發(fā)生熔融。接合部周?chē)脴?shù)脂模制時(shí)，內(nèi)部的焊料發(fā)生熔融，由于熔融時(shí)的體積膨脹，產(chǎn)生如圖2所示的溢出，焊料3從封裝用樹(shù)脂6與框架2的界面漏出。或者，既使在未漏出前，與漏出相作用，結(jié)果導(dǎo)致凝固后焊料中形成大的空隙8而成為不合格產(chǎn)品。作為代替材料的候補(bǔ)，報(bào)告有從熔點(diǎn)方面考慮，Au-Sn, Au-Si、Au-Ge 等 Au 系焊料，Zn、Zn-Al 系焊料及 Bi、Bi-Cu, Bi-Ag 等焊料，世界各國(guó)對(duì)它們進(jìn)行了探討。然而，Au系焊料中，作為構(gòu)成成分的Au含80重量％以上，從成本方面考慮，難以廣泛采用，其是硬而脆的硬焊料。Bi系焊料，熱導(dǎo)率為約9W/m ·Κ，比現(xiàn)有的高鉛焊料低，可以推測(cè)在要求高放熱性的動(dòng)力半導(dǎo)體裝置及動(dòng)力模塊等中難以使用。另外，該焊料也是硬而脆。另外，Si及Si-Al系焊料，雖然具有高達(dá)約lOOW/m· K的熱導(dǎo)率，但由于難以浸潤(rùn)(特別是Si-Al系焊料)、焊料硬、熱膨張率大，接合后冷卻時(shí)，存在因熱應(yīng)力的作用易破壞半導(dǎo)體元件等問(wèn)題。另外，由于純Si的反應(yīng)性高，高溫時(shí)界面反應(yīng)顯著進(jìn)行，即使得到良好的接合，也得不到高耐熱性。另外，作為解決&1-A1系焊料課題的難浸潤(rùn)及硬度的接合材料，公開(kāi)了采用Si/ Ai/ai金屬包層材料的方法。按照公開(kāi)的內(nèi)容，通過(guò)表面的ai層的作用可確保浸潤(rùn)性(接合性)，由于內(nèi)層的Al在金屬中為軟，具有應(yīng)力緩沖能力，可確保接合的可靠性。另外，Zn 及Al的熔點(diǎn)分別為420°C、660°C，由于通過(guò)Si與Al的擴(kuò)散生成的&1-A1共晶(Ζη_6Α1)的熔點(diǎn)為382°C，故接合材料為高熔點(diǎn)，具有高耐熱性?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特許3850135號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 日本特許3945915號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)3 日本特開(kāi)2008-U6272號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題在專(zhuān)利文獻(xiàn)1及專(zhuān)利文獻(xiàn)2記載的Si-Al系焊料的情況下，由于Al作為成分，在熔融的瞬間，表面上形成Al氧化物膜，如氧化物膜不機(jī)械破壞，則得不到充分的浸潤(rùn)性。在此情況下，在接合時(shí)，由于僅在極局部的場(chǎng)所接合，僅得到非常低的接合強(qiáng)度，存在不耐用的問(wèn)題。另一方面，專(zhuān)利文獻(xiàn)3所述的采用ai/Al/ai金屬包層材料的接合，本發(fā)明人探討的結(jié)果是，可確認(rèn)能得到接合性及接合可靠性，但由于接合部的熱阻既使低也與現(xiàn)有高鉛焊料相當(dāng)，已判明接合部的厚度必需達(dá)到現(xiàn)有的焊料的2倍(約100 μπι)以下。另外，為了充分呈現(xiàn)Al層的應(yīng)力緩沖能力，Al層的厚度必需盡量厚。由于這些原因，Si層的厚度必須薄到10 20μπι。當(dāng)Si層的厚度薄時(shí)，為得到充分的接合性，被接合材料的接合面與ai/ Al/Zn金屬包層材料的Si層必需密合，因此，接合時(shí)必需施加約2g/mm2以上的荷重進(jìn)行加壓。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)3還明確指出接合時(shí)必需加壓。接合時(shí)即使低荷重加壓，則生產(chǎn)成本也顯著上升。另外，制品有時(shí)也難以采用。采用現(xiàn)有的ai/Ai/ai金屬包層材料進(jìn)行接合時(shí)，存在的課題是接合時(shí)必需加壓。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)3所述的采用ai/Al/ai金屬包層材料進(jìn)行的接合，可得到接合性及接合可靠性，即使采用&1-A1共晶接合，必需采用最低382°C、實(shí)用上390 400°C以上的接合溫度。接合后的冷卻時(shí)，接合部的最后凝固溫度為Si-Al共晶的熔點(diǎn)382°C。382°C至室溫的溫差非常大，為382-25 = 357°C。另外，&ι/Α1/&ι金屬包層材料的主要用途在半導(dǎo)體裝置內(nèi)進(jìn)行小片接合時(shí)，通常，半導(dǎo)體元件(Si芯片)與Cu或Cu合金制的框架進(jìn)行接合。 由于Si與Cu或Cu合金的熱膨脹率差非常大，當(dāng)焊料的凝固溫度與室溫的溫差大時(shí)，因上述熱膨脹率差產(chǎn)生的熱應(yīng)力得不到緩和，半導(dǎo)體元件往往發(fā)生破壞。另外，當(dāng)接合溫度高達(dá) 390 400°C時(shí)，Si芯片、含框架的被接合材料的周邊部件的耐熱性至少必需在400°C以上， 部件的選擇范圍窄是個(gè)課題。用于解決課題的手段在本申請(qǐng)公開(kāi)的發(fā)明中，簡(jiǎn)單說(shuō)明有代表性的發(fā)明概要如下。(1)接合部件，其特征在于，在含有Al層、和在上述Al層的兩主面上分別設(shè)置了第 1及第2的Si層的接合材料中，上述Al層相對(duì)上述第1或上述第2的Si層的厚度之比為 0. 59以下。(2)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，包括半導(dǎo)體元件；框架；和將上述半導(dǎo)體元件與上述框架接合的接合部；上述接合部含有Si-Al合金，在上述接合部與上述半導(dǎo)體元件的界面及上述接合部與上述框架的界面，Al氧化物膜的面積相對(duì)界面全部面積之比為0%以上、5%以下。(3)半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在包含第1部件與第2部件之間設(shè)置接合材料的設(shè)置工序；以及加熱熔融該接合材料，使上述第1部件與第2部件接合的接合工序的半導(dǎo)體裝置制造方法中，上述接合材料是在Al層的兩主面上形成了 Si層的接合材料，在上述接合工序，使上述接合材料的上述Al層及上述Si層全部熔融后進(jìn)行接合。發(fā)明效果按照本發(fā)明，具有下列任意效果。能夠不用加壓進(jìn)行接合。另外，能夠得到具有良好的應(yīng)力緩沖能力的接合材料。


圖1為表示現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)之圖。圖2為說(shuō)明圖1的半導(dǎo)體裝置中因再熔融焊料產(chǎn)生的溢出之圖。圖3為表示本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料的制造方法之一例的圖。圖4為表示本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料的制造方法又一例的圖。圖5為本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料的斷面之一例。圖6為表示本發(fā)明的實(shí)施方案中使用的接合材料的各層厚度的圖。圖7為表示本發(fā)明的實(shí)施例1中半導(dǎo)體裝置之一例的圖。圖8為表示圖7的半導(dǎo)體裝置中使用接合材料的接合部斷面照片的圖。圖9為圖7的半導(dǎo)體裝置中的浸潤(rùn)性、應(yīng)力緩沖性及接合時(shí)是否加壓的結(jié)果與比較例一起表示的圖。圖10為成為圖9的應(yīng)力緩沖性的結(jié)果判定基礎(chǔ)的溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果之一部分與比較例一起表示的圖。圖11為表示本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置之一例的圖。圖12為表示圖11的半導(dǎo)體裝置中接合材料一體型的金屬罩的圖。
圖13為圖11的半導(dǎo)體裝置中、圖11的半導(dǎo)體裝置中，浸潤(rùn)性及接合時(shí)是否加壓的結(jié)果與比較例一起表示的結(jié)果圖。圖14為本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料作為半導(dǎo)體裝置凸緣的圖。圖15為表示采用現(xiàn)有的高鉛焊料接合的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)之一例的圖。圖16為圖15的半導(dǎo)體裝置中因再熔融焊料產(chǎn)生的溢出的說(shuō)明圖。圖17為包層壓延方法的說(shuō)明圖。圖18為加壓成型方法的說(shuō)明圖。圖19為表示本發(fā)明涉及的接合材料的斷面之一例的圖。圖20為表示本發(fā)明涉及的接合材料的實(shí)驗(yàn)條件的圖。圖21為表示采用本發(fā)明涉及的接合材料進(jìn)行接合的半導(dǎo)體裝置的斷面之一例的圖。圖22為表示采用本發(fā)明涉及的接合材料的接合部斷面照片的圖。圖23為表示本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖。圖M為表示采用本發(fā)明涉及的接合材料進(jìn)行接合的半導(dǎo)體裝置的斷面之一例的圖。圖25為表示圖M的半導(dǎo)體裝置中接合材料一體型的金屬罩之一例的圖。圖沈?yàn)楸硎颈景l(fā)明涉及的半導(dǎo)體裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖。圖27為表示采用本發(fā)明涉及的接合材料進(jìn)行接合的半導(dǎo)體裝置的斷面及安裝結(jié)構(gòu)之一例的圖。
具體實(shí)施例方式下面基于附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。還有，在用于說(shuō)明實(shí)施例的全部圖中，同一部件，原則上用同一符號(hào)，省略其反復(fù)說(shuō)明。圖5為本發(fā)明實(shí)施方案涉及的接合材料的斷面之一例。從下往上依次為Si層(以后也用表示)101、A1層(以后也用Al表示)102、&1層(以后也用Si表示)101進(jìn)行層疊。在這里，中間的Al層的厚度希望為IOym以上50 μ m以下。如下所述，Si層/Al 層/ 層的厚度比為1 0.52 1，希望Al層的比例大，為確保接合可靠性，總厚度必需最低達(dá)到48微米以上，Al層的厚度必需最低達(dá)到10微米。S卩，如Al層的厚度在10微米以上，Zn/Al/ai層的總厚度(接合部的厚度)達(dá)到48微米以上，可確保接合可靠性。當(dāng)薄到 50 μ m以下時(shí)，因接合時(shí)的熱負(fù)荷(接合溫度、接合時(shí)間)，通過(guò)Si層與Al層的反應(yīng)，可使 Al層完全消失。另外，希望接合材料的Si層/Al層/ 層的厚度比為1 0.52 0.59 1，Al 層的比例加大。當(dāng)層/Al層/ 層的厚度比處于上述范圍內(nèi)，Al完全消失時(shí)，接合部的 Al含量達(dá)到9質(zhì)量％以上，由此，接合部富Al的Si-Al相的比例多達(dá)&1-6A1相的20%以上，可以阻礙裂紋的擴(kuò)大，提高應(yīng)力緩沖性即接合可靠性。另外，當(dāng)大于1 0.59 1, Al 層增厚時(shí)，接合部的Al含量大于10質(zhì)量％，此時(shí)，存在的問(wèn)題是，在接合溫度420°C，Al層未完全消失，存在必需更加提高溫度的課題。圖3為表示本發(fā)明實(shí)施方案涉及的接合材料的制造方法之一例的圖。本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料，把Si層101a、Al層102a、Zn層IOla依次重疊，進(jìn)行壓延加工，即通過(guò)進(jìn)行金屬包層壓延進(jìn)行制造。用輥軋機(jī)103進(jìn)行壓延，在Si層IOla與Al層10 進(jìn)行接觸的同時(shí)，因壓力作用產(chǎn)生大的變形，Si層IOla及Al層10 的表面上形成的氧化物膜被破壞，通過(guò)新生面進(jìn)行金屬接合。在下列實(shí)施例1 30中，采用上述方法，制作本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料(ai/Ai/ai金屬包層材料)。另外，圖4為表示本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料的制造方法又一例的圖。本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料，也是可以把Si層101b、Al層102b、Si層IOlb依次重疊層壓后進(jìn)行加壓成型而制造的。采用加壓成型機(jī)104，進(jìn)行加壓成型時(shí)，所以在Si層IOlb 與Al層102b進(jìn)行接合的同時(shí)，因壓力作用而產(chǎn)生大的變形，在Si層IOlb及Al層102b的表面上形成的氧化物膜被破壞，通過(guò)新生面進(jìn)行金屬接合。加壓成型中，達(dá)到Si與Al的擴(kuò)散變顯著的溫度前，如不施加熱負(fù)荷，Al擴(kuò)散至表面Si層，不到達(dá)最表面，故接合時(shí)可得到良好的浸潤(rùn)。采用上述制造方法制作的ai/Al/ai金屬包層材料，進(jìn)行半導(dǎo)體裝置內(nèi)部的小片接合。具體的是，半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體元件；接合該半導(dǎo)體元件的框架；一端成為外部端子的引線；該引線的另一端與該半導(dǎo)體元件的電極進(jìn)行接合的金屬線；以及將該半導(dǎo)體元件及該金屬線用樹(shù)脂封裝的樹(shù)脂，該半導(dǎo)體元件與該框架的接合采用該ai/Ai/ai金屬包層材料。接合時(shí)的熱負(fù)荷為使Al層消失、全部接合部完全熔融，接合溫度應(yīng)在400°C以上、接合時(shí)間在ailin以上。由于全部接合部發(fā)生熔融，所以接合時(shí)即使不加壓，也可確保充分的浸潤(rùn)。接合后，接合部大部分由&1-A1合金構(gòu)成(也可殘留一部分Si相)，接合部與半導(dǎo)體元件的界面及接合部與框架的界面上幾乎不存在Al氧化物，各界面上存存的Al氧化物膜的面積，相對(duì)各界面總面積之比在5%以下。由于界面上存在的Al氧化物阻礙金屬的浸潤(rùn)，故存在Al氧化物的部分不發(fā)生金屬接合。因此，當(dāng)其相對(duì)界面總面積之比在5%以下時(shí)，可得到充分的接合強(qiáng)度。另外，接合部由于大部分由Si-Al合金構(gòu)成(也可殘留一部分Si相)，其中，熔點(diǎn)最低的是&1-6A1共晶達(dá)到382°C。即，當(dāng)該接合部也具有380°C的耐熱性。另外，Al層消失，由于Si-Al合金相中不存在硬而脆的金屬間化合物相(Zn與Al不形成金屬間化合物)， 故具有應(yīng)力緩沖性，即接合可靠性。特別是，接合材料的Si層/Al層/ 層的厚度比為1 0.52 0.59 1而使Al 層加厚，當(dāng)Al完全消失時(shí)，希望接合部的Al含量在9質(zhì)量％以上10質(zhì)量％以下。通過(guò)使 Al層厚度比1 0.52 1加大，當(dāng)Al完全消失時(shí)，由于接合部的Al含量大于9質(zhì)量％，因此，接合部的富Al的Si-Al相的比例增加達(dá)到&1-6A1相的20%以上，因此，阻礙裂紋的擴(kuò)大，應(yīng)力緩沖性即接合可靠性提高。另外，當(dāng)Al層厚度大于1 0.59 1時(shí)，接合部的Al 含量大于10質(zhì)量％，此時(shí)，在接合溫度420°C，Al層未完全消失，故必需更加提高溫度。本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料(ai/Al/ai金屬包層材料)，也可在半導(dǎo)體裝置內(nèi)部的氣密封裝部的接合及小片接合中使用。具體的是，在包括半導(dǎo)體元件；接合該半導(dǎo)體元件的框架；一端成為外部端子的引線；該引線的另一端與該半導(dǎo)體元件的電極進(jìn)行接合的金屬線；以及對(duì)該半導(dǎo)體元件及該金屬線進(jìn)行氣密封裝且與該基板接合的金屬罩的半導(dǎo)體裝置中，該基板與該金屬罩的接合時(shí)使用上述ai/Ai/ai金屬包層材料。接合時(shí)的熱負(fù)荷為使Al層消失、全部接合部完全熔融，接合溫度在400°C以上、接合時(shí)間在aiiin以上。由于全部接合部發(fā)生熔融，所以即使接合時(shí)不加壓，也可確保充分的浸潤(rùn)。接合后，接合部由Si-Al合金構(gòu)成(有時(shí)也殘留一部分相)、基板與接合部的界面及接合部與金屬罩的界面上幾乎不存在Al氧化物，各界面上存在的Al氧化物膜的面積相對(duì)各界面總面積之比在5%以下。由此，得到充分的接合強(qiáng)度。另外，由于接合部由Si-Al合金構(gòu)成(有時(shí)也殘留一部分Si相)，其中熔點(diǎn)最低的是&1-6A1共晶達(dá)到382°C。即，當(dāng)該接合部具有380°C的耐熱性。另外，Al層消失，但由于Si-Al合金相中不存在硬而脆的金屬間化合物相( 與Al不形成金屬間化合物)，故具有應(yīng)力緩沖性即接合可靠性。特別是相比接合材料的Si層/Al層/ 層的厚度比達(dá)到 1 0.52 0.59 1而使Al層增厚，Al完全消失時(shí)，希望接合部的Al含量達(dá)到9質(zhì)量％ 以上10質(zhì)量％以上。當(dāng)通過(guò)Al層厚度此1 0.52 1而增厚，Al完全消失時(shí)，接合部的 Al含量變成大于9質(zhì)量％，由此，接合部的富Al的Si-Al相的比例，由于增大到&1-6A1相的 20%以上時(shí)，由此，阻礙了裂紋的擴(kuò)大，提高應(yīng)力緩沖性即接合可靠性。另外，當(dāng)通過(guò)Al層比1 0.59 1而增厚時(shí)，接合部的Al含量變得大于10質(zhì)量％，此時(shí)，在接合溫度420°C， Al層未完全消失，必需升至更高的溫度。另外，該半導(dǎo)體裝置的小片接合中采用本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料(Zn/ Ai/ai金屬包層材料)時(shí)也可得到同樣的結(jié)果。本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料(&ι/Α1/&ι金屬包層材料)，也可用于半導(dǎo)體裝置內(nèi)部的半導(dǎo)體元件與基板的接合。此時(shí)，進(jìn)行半導(dǎo)體裝置內(nèi)部的小片接合、或在半導(dǎo)體裝置內(nèi)的氣密封裝部的接合中使用時(shí)，也可得到同樣的結(jié)果。實(shí)施例1圖6為表示本實(shí)施例中使用的接合材料(金屬包層材料1 8)的各層厚度的圖。 例如，金屬包層材料1是Si層、Al層、Zn層的厚度分別為19 μ m、10 μ m、19 μ m,以下同樣表示。在這里，金屬包層材料1 4為本發(fā)明的實(shí)施例中使用的接合材料、金屬包層材料5 7為比較例中使用的接合材料。下列實(shí)施例中使用的ai/Al/ai金屬包層材料，采用圖3或圖4中所示的接合材料的制造方法制作(實(shí)施例1 12)。圖7為表示本發(fā)明的實(shí)施例1中的半導(dǎo)體裝置之一例的圖。半導(dǎo)體裝置11包括 半導(dǎo)體元件1 ；接合該半導(dǎo)體元件1的框架2 ；—端成為外部端子的引線5 ；該引線5的另一端與半導(dǎo)體元件1的電極進(jìn)行接合的金屬線4 ；以及將半導(dǎo)體元件1及金屬線4進(jìn)行樹(shù)脂封裝的封裝用樹(shù)脂6 ；半導(dǎo)體元件1與框架2用接合部10加以接合的結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體元件1與框架2之間，配置了用圖3或圖4所述制造方法制造的接合材料， 采用圖3或圖4所述的接合材料，通過(guò)接合部10，把半導(dǎo)體裝置11加以小片接合而成。其次，對(duì)圖7中所述的半導(dǎo)體裝置11的制造方法加以說(shuō)明。在該半導(dǎo)體裝置11的制造中，在鍍過(guò)Ni或Ni/Ag或Ni/Au的框架2上，配置圖3或圖4中所述的制造方法制造的接合材料，把大小5mm方形的半導(dǎo)體元件1加以層壓后不加壓下于氮?dú)鈿夥罩?，?00 420°C、加熱2 5min，進(jìn)行小片接合。此時(shí)的接合部(Si-ΑΙ合金)10的斷面示于圖8。由于接合材料(&ι/Α1/&ι金屬包層材料)的Al層厚度薄到50 μ m以下，通過(guò)接合時(shí)的加熱， Si與Al進(jìn)行反應(yīng)，Al層消失，接合部完全熔融。由此，可不加壓進(jìn)行接合。加熱后，接合部10變成ai-Al合金相。然后，半導(dǎo)體元件1與引線5之間用金屬線4加以金屬線焊接，于 180°C用封裝樹(shù)脂6進(jìn)行封裝。圖9為對(duì)圖6中所記載的各金屬包層材料1 4，進(jìn)行小片接合時(shí)的浸潤(rùn)性及僅進(jìn)行小片接合時(shí)的試樣，于-55°C/150°C (15min/15min)溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，從各循環(huán)數(shù)中的接合部斷面的裂紋擴(kuò)大率評(píng)價(jià)應(yīng)力緩沖性的結(jié)果。圖9的作為應(yīng)力緩沖性結(jié)果判定的溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果的一部分與比較例1 18 —起示于圖10。關(guān)于浸潤(rùn)性，對(duì)半導(dǎo)體元件的面積Q5mm2)達(dá)到90 %以上的浸潤(rùn)時(shí)為〇，不足 90% 75%以上時(shí)為Δ、不足75%時(shí)為X。關(guān)于應(yīng)力緩沖性，裂紋擴(kuò)大率采用現(xiàn)有的 Pb-1. 5Ag-5Sn焊料以下時(shí)為〇、采用現(xiàn)有的Pb_l. 5Ag_5Sn焊料達(dá)到125%以下時(shí)為Δ、超過(guò)125%時(shí)為X。還有，“-”表示未進(jìn)行接合，對(duì)溫度循環(huán)試驗(yàn)即應(yīng)力緩沖性的未進(jìn)行評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)的結(jié)果是，采用金屬包層材料1 4(&ι/Α1/Ζη)的接合材料進(jìn)行接合時(shí)，任意一種均得到90%以上的浸潤(rùn)性。對(duì)應(yīng)力緩沖性，總厚度薄到50 μ m的金屬包層材料1，裂紋擴(kuò)大率，現(xiàn)有的I^b-l.SAg-SSn焊料達(dá)到100 125%，評(píng)價(jià)為Δ，金屬包層材料2 4，任意一種的裂紋擴(kuò)大率，均在現(xiàn)有的I^b-l.SAg-SSn焊料以下，評(píng)價(jià)為〇。另一方面，比較例1 9 (使用圖6的金屬包層材料5 7)的情況，為了得到充分的接合性，被接合材料的接合面與ai/Ai/ai金屬包層材料的ai層必需密合，因此，在接合時(shí)有必要用1.75g/mm2的荷重進(jìn)行加壓。這樣制作的試樣的浸潤(rùn)性、應(yīng)力緩沖性，任意一種均為〇。另外，比較例10 12 (Zn-6Al-5Ge)的情況，由于在熔融的&ι_Α1合金的表面形成牢固的Al氧化物膜，因此對(duì)任何框架均不足75%的浸潤(rùn)，幾乎未達(dá)到浸潤(rùn)。因此，不能進(jìn)行應(yīng)力緩沖性的評(píng)價(jià)。比較例13 15 (Zn)的情況，在Si的熔點(diǎn)420°C以上的溫度下進(jìn)行接合，得到90%以上的浸潤(rùn)。然而，在接合后冷卻時(shí)，因半導(dǎo)體元件與Cu制框架的熱膨張率差產(chǎn)生的熱應(yīng)力未得到緩和，半導(dǎo)體元件發(fā)生破壞。為免于破壞，進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果是，半導(dǎo)體元件發(fā)生破壞。比較例16 18 (現(xiàn)有的I^b-1. 5Ag-5Sn)，浸潤(rùn)性、應(yīng)力緩沖性任何一項(xiàng)均為〇。在本探討中，接合時(shí)用0. 02g/mm2的荷重進(jìn)行加壓，但即使未加壓也可接合。然而，本比較材料還含鉛93. 5質(zhì)量％。如上所述，按照實(shí)施例1 12，本發(fā)明實(shí)施例中的接合材料(如圖3或圖4所記載)，所以通過(guò)半導(dǎo)體裝置11用小片接合進(jìn)行接合，由于Al層薄到50 μ m以下，通過(guò)接合時(shí)加熱，Zn與Al發(fā)生反應(yīng)，Al層消失，接合部完全熔融，因此，不加壓也可進(jìn)行接合。(實(shí)施例13 24)圖11為表示本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置之一例的圖。實(shí)施例13 M，如圖11 所示，作為必須加以氣密封裝的半導(dǎo)體裝置21的封裝材料，采用圖3或圖4所記載的接合材料進(jìn)行接合。該半導(dǎo)體裝置21包括半導(dǎo)體元件1 ；接合該半導(dǎo)體元件1的模塊基板23 ； 一端成為外部端子的引線5 ；該引線5的另一端與半導(dǎo)體元件1的電極接合的金屬線4 ；以及將半導(dǎo)體元件1及金屬線4加以氣密封裝，在模塊基板23上把半導(dǎo)體元件1及芯片部品等，用Sn系無(wú)鉛焊料3、或?qū)щ娦哉澈蟿?、Cu粉/Sn系焊料粉復(fù)合材料等加以接合后，把接合材料IOa置于模塊基板23與金屬罩22之間，不加壓于400 420°C、加熱2 5分鐘進(jìn)行接合。由于接合材料(&ι/Α1/&ι金屬包層材料)的Al層的厚度薄到50 μ m以下，故通過(guò)接合時(shí)的加熱，Si與Al發(fā)生反應(yīng)，Al層消失，接合部完全熔融。因此，可不加壓進(jìn)行接合。加熱后的接合部IOa變成Si-Al合金相。還有，關(guān)于金屬罩，為了進(jìn)行氣密封裝，如圖12所示，科瓦鐵鎳鈷合金、殷鋼等的金屬合金M與Al層102及Si層101 —起用金屬包層壓延進(jìn)行加工，也可作為接合材料一體型的金屬罩22a。關(guān)于實(shí)施例13 M (使用圖6的金屬包層材料1 4)，封裝時(shí)的浸潤(rùn)性的評(píng)價(jià)結(jié)果示于圖13。關(guān)于浸潤(rùn)性，相對(duì)封裝面積，氣密得到保持的浸潤(rùn)時(shí)為〇，空隙、裂紋等不能保持氣密時(shí)為X。該評(píng)價(jià)的結(jié)果是，采用金屬包層材料1 4(&ι/Α1/Ζη)的接合材料進(jìn)行接合時(shí)，任意一種均得利90%以上的浸潤(rùn)性。另一方面，比較例19 使用圖6的金屬包層材料5、6)的情況，為了得到充分的接合性，被接合材料的接合面與ai/Ai/ai金屬包層材料的ai層必須密合，因此，在接合時(shí)有必要用1.75g/mm2的荷重進(jìn)行加壓。這樣制作的試樣的浸潤(rùn)性，任意一種均為〇。比較例25 27 (Zn-6Al-5Ge)的情況，由于熔融的Si-Al合金的表面形成了牢固的Al氧化物膜，因未浸潤(rùn)及空隙的作用而不能加以氣密封裝。如上所述，按照實(shí)施例13 M，通過(guò)把本實(shí)施例的接合材料10a，用作半導(dǎo)體裝置 21的封裝材料，由于Al層薄到50 μ m以下，所以通過(guò)接合時(shí)的加熱，Zn與Al發(fā)生反應(yīng)，Al 層消失，接合部完全熔融，因此，不加壓也可以接合。實(shí)施例2圖14為采用本發(fā)明的實(shí)施方案涉及的接合材料(圖3或圖4中記載)作為必需進(jìn)行倒裝片安裝的半導(dǎo)體裝置31的凸緣10b。該半導(dǎo)體裝置31具有半導(dǎo)體元件1，該半導(dǎo)體元件1與安裝它的基板34，通過(guò)接合材料IOb加以接合而構(gòu)成。該半導(dǎo)體裝置31的制造中，接合材料10b，置于基板34的Cu配線35上實(shí)施過(guò)Ni 或Ni/Au鍍36的凸緣、半導(dǎo)體元件1的Al配線32上實(shí)施過(guò)Si鍍33的電極之間，于380°C 不加壓下進(jìn)行接合。其他實(shí)施例中，本實(shí)施例的接合材料10b，通過(guò)用作半導(dǎo)體裝置31的凸緣，可不加壓下進(jìn)行接合。實(shí)施例3圖19為表示本發(fā)明涉及的接合材料的斷面之一例的圖。接合材料具有Si層301、 Al系合金層302而構(gòu)成，從下往上依次層疊Si層(有時(shí)也僅用Si表示)301、A1系合金層 (有時(shí)也僅用Al系合金表示)302、&1層(有時(shí)也僅用Si表示)301。在這里，中間的Al系合金層由于含有Mg、Sn、Ge、Ga、Bi、In中的1種以上金屬，與Si反應(yīng)時(shí)，形成熔點(diǎn)350°C以下的Si-Al系合金。當(dāng)Al系合金層中含有Mg時(shí)，Mg含量希望在20 50質(zhì)量％。還有，除 Mg以外含有Sn，其含量希望在20 50質(zhì)量％。因此，低熔點(diǎn)的Si-Al-Mg系、Zn-Al-Mg-Sn 系、Zn-Al-Mg-Gc系等合金可在接合部形成。圖17為用于制造本發(fā)明涉及的接合材料的金屬包層壓延方法的說(shuō)明圖。在這里， 301a為Si層，302a為Al系合金層，301a為Si層，將這些層重疊，通過(guò)輥軋機(jī)303進(jìn)行壓延加工，即進(jìn)行金屬包層壓延。當(dāng)采用輥軋機(jī)303進(jìn)行壓延時(shí)，Zn層301a與Al系合金層 302a接觸的同一時(shí)機(jī)因壓力產(chǎn)生大的變形，在Si層301a與Al系合金層30 的表面形成的氧化物膜被破壞，通過(guò)新生面加以金屬接合。另外，圖18為用于制造本發(fā)明涉及的接合材料的加壓成型方法的說(shuō)明圖。在這里，301b為Si層，302b為Al系合金層，301b為Si層，將這些層重疊采用加壓成型機(jī)304進(jìn)行加壓成型。當(dāng)采用加壓成型機(jī)304進(jìn)行加壓成型時(shí)，Zn層301b與Al系合金層302b接觸，同時(shí)因壓力產(chǎn)生大的變形，因此在Si層301b與Al系合金層302b的表面形成的氧化物膜被破壞，通過(guò)新生面加以金屬接合。在加壓成型中，Si與Al系合金的擴(kuò)散達(dá)到顯著的溫度前如不施加熱負(fù)荷，Al系合金成分?jǐn)U散表面的Si層而不到達(dá)最表面，則接合時(shí)可得到良好的浸潤(rùn)。圖21為表示采用本發(fā)明涉及的接合材料進(jìn)行接合的半導(dǎo)體裝置之一例的圖。采用通過(guò)圖17或圖18制作的Si/ΑΙ系合金/ 金屬包層材料，半導(dǎo)體裝置211的內(nèi)部進(jìn)行小片接合。半導(dǎo)體裝置211，具體地說(shuō)，包括半導(dǎo)體元件201 ；通過(guò)接合材料201與半導(dǎo)體元件接合的框架202 ；—端成為外部端子的引線205 ；該引線205另一端與半導(dǎo)體元件201 的電極進(jìn)行接合的金屬線204 ；以及將半導(dǎo)體元件201及金屬線204進(jìn)行樹(shù)脂封裝的封裝用樹(shù)脂206而構(gòu)成。在該半導(dǎo)體裝置211中，在半導(dǎo)體元件201與框架202接合時(shí)，采用圖 17或圖18制作的Si/Al系合金/ 金屬包層材料。在接合時(shí)，通過(guò)ai/Ai系合金/ 金屬包層材料的AI系合金層與Si層反應(yīng)，接合部變成ai-Al-Mg系等的合金。由于該合金的熔點(diǎn)在350°C以下，通過(guò)ai-Al-Mg系等的合金的共晶接合，在350°C以下的低溫進(jìn)行接合成為可能。另外，在接合后冷卻時(shí)，半導(dǎo)體元件未被破壞，另外，由于接合部具有Si-Al-Mg系等的合金，因此熔點(diǎn)變成350°C以下，由于至少在300°C以上，故具有300°C的耐熱性，可充分耐后工序的260°C回流。另外，通過(guò)中間的Al 系合金層的應(yīng)力緩沖能力，也可得到具有良好的接合可靠性的效果。對(duì)該半導(dǎo)體裝置211的制造方法加以說(shuō)明。向?qū)嵤┻^(guò)Ni或NiAg或Ni/Au鍍的框架上供給接合材料，把大小5mm方形的半導(dǎo)體元件201加以層疊后，邊加壓邊在氮?dú)鈿夥罩杏?50°C加熱2分鐘，進(jìn)行小片接合，半導(dǎo)體元件1與框架2通過(guò)焊料10加以接合。圖8 為該半導(dǎo)體裝置11的焊料接合部的斷面圖。通過(guò)接合時(shí)的加熱，Si與Al系合金反應(yīng)，在 350°C低溫可以接合，接合后接合部變成Si-Al-Mg系等的合金相。然后，半導(dǎo)體元件1與引線5之間用金屬線4進(jìn)行金屬線焊接，于180°C用封裝用樹(shù)脂6進(jìn)行封裝。另外，圖M為采用本發(fā)現(xiàn)涉及的ai/Al系合金/ 金屬包層材料，用于半導(dǎo)體裝置內(nèi)部的氣密封裝部的接合及小片接合加以接合的半導(dǎo)體裝置221的構(gòu)成圖。具體地說(shuō)，在包括半導(dǎo)體元件201 ；采用本發(fā)明涉及的Si/Al系合金/ 金屬包層材料與半導(dǎo)體元件201接合的基板223 ；—端成為外部端子的引線205 ；該引線205另一端與半導(dǎo)體元件201的電極進(jìn)行接合的金屬線204 ；以及將半導(dǎo)體元件201及金屬線204 加以氣密封裝并在基板223上接合的金屬罩222的半導(dǎo)體裝置221中，基板223與金屬罩 222的接合采用本發(fā)現(xiàn)涉及的Si/ΑΙ系合金/ 金屬包層材料。在接合時(shí)，通過(guò)ai/Al系合金/ 金屬包層材料的Al系合金層與Si層反應(yīng)，接合部形成ai-Al-Mg系等的合金。因?yàn)樵摵辖鸬娜埸c(diǎn)在350°C以下，所以通過(guò)ai-Al-Mg系等的合金的共晶接合，可在350°C的低溫進(jìn)行接合。另外，通過(guò)本實(shí)施例接合的半導(dǎo)體裝置的接合后的接合部不產(chǎn)生裂紋。另外，由于接合部由Si-Al-Mg系等的合金構(gòu)成，熔點(diǎn)變成350°C 以下，至少在300°C以上，故具有300°C的耐熱性，可充分耐后工序的260°C回流。另外，通過(guò)中間的Al系合金層的應(yīng)力緩沖能力，可得到良好的接合可靠性。另外，本發(fā)現(xiàn)涉及的金屬包層材料，在采用小片接合加以接合的半導(dǎo)體裝置中也可得到同樣的效果。
圖M中所示的半導(dǎo)體裝置221制造時(shí)，作為氣密封裝的封裝材料，采用本發(fā)明涉及的接合材料。對(duì)半導(dǎo)體裝置221的制造方法說(shuō)明如下。半導(dǎo)體元件201及金屬線204進(jìn)行氣密封裝，在基板223上把半導(dǎo)體元件201及芯片部件等，采用Sn系無(wú)鉛焊料203、或?qū)щ娦哉澈蟿?、Cu粉/Sn系焊料粉復(fù)合材料等加以接合后，接合材料210a置于基板223與金屬罩222之間，邊加壓邊于350°C加熱2分鐘進(jìn)行接合。通過(guò)接合時(shí)的加熱，通過(guò)Si與Al 系合金反應(yīng)，在350°C低溫能夠接合。接合后，接合部變成Si-Al-Mg系等合金相。還有，關(guān)于金屬罩，為了進(jìn)行氣密封裝，如圖25所示，把科瓦鐵鎳鈷合金、殷鋼等金屬合金2M與Al系合金層302及Si層301 —起采用金屬包層壓延進(jìn)行加工，作為接合材料一體型的金屬罩22 也可。另外，本發(fā)現(xiàn)涉及的ai/Al系合金/ 金屬包層材料也可用于半導(dǎo)體裝置221內(nèi)部的半導(dǎo)體元件201與基板223的接合。具體地是，半導(dǎo)體元件201與采用本發(fā)明涉及的接合材料，通過(guò)接合的焊料203，與基板223接合，形成半導(dǎo)體裝置也可。在接合時(shí)，通過(guò)ai/Al系合金/ 金屬包層材料的Al系合金層與Si層反應(yīng)，接合部變成ai-Al-Mg系等的合金。因?yàn)樵摵辖鸬娜埸c(diǎn)在350°C以下，所以通過(guò)ai-Al-Mg系等的合金的共晶接合，可在350°C的低溫進(jìn)行接合。另外，由于接合后冷卻時(shí)半導(dǎo)體元件不被破壞，或在接合部不產(chǎn)生裂紋，另外，由于接合部具有Si-Al-Mg系等的合金而成，熔點(diǎn)變成 350°C以下，至少在300°C以上，故具有300°C的耐熱性，可充分耐后工序的260°C回流。另夕卜，通過(guò)中間的Al系合金層的應(yīng)力緩沖能力，也可得到具有良好的接合可靠性的效果。圖20為表示本發(fā)明涉及的接合材料的實(shí)驗(yàn)條件的圖。該圖示出采用上述方法制作的金屬包層材料8 20的厚度、Al合金層的組成及備注。關(guān)于金屬包層材料8，Zn層、 Al系合金層、Si層的厚度分別為20、40、20μπι，對(duì)金屬包層材料9 19也同樣加以記載。 另外，作為Al系合金層，可用Al-44Mg、Al-34Mg-23Sn、Al_27Mg-36Ge、Al等的4種。在這里，金屬包層材料8 16是本發(fā)明涉及的接合材料，金屬包層材料17 19是用于比較的接合材料。另外，在下列所示的實(shí)施例中，Zn/Al系合金/ 金屬包層材料全部采用圖17所示的金屬包層壓延法制作。圖23為表示采用本發(fā)明涉及的接合材料進(jìn)行接合的半導(dǎo)體裝置的浸潤(rùn)性及接合后的芯片有無(wú)破裂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖。實(shí)施例25 51示出采用本發(fā)明涉及的作為接合材料的金屬包層材料進(jìn)行小片接合，制造半導(dǎo)體裝置時(shí)的浸潤(rùn)性及接合后的芯片有無(wú)破裂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較例觀 36示出分別采用Al系合金層為Al的金屬包層材料17 19進(jìn)行小片接合，制造半導(dǎo)體裝置時(shí)的浸潤(rùn)性及接合后的芯片有無(wú)破裂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖。關(guān)于浸潤(rùn)性，對(duì)半導(dǎo)體元件的面積05mm2)得到90 %以上浸潤(rùn)性時(shí)為〇，不足 90% 75%以上時(shí)為Δ，不足75%時(shí)為X。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，采用金屬包層材料8 16的實(shí)施例25 51，金屬包層材料、任意框架電鍍時(shí)，也得到90%以上的浸潤(rùn)性。同樣地，任何金屬包層材料、任意框架電鍍時(shí)，在接合后也不發(fā)生芯片破裂。另一方面，采用金屬包層材料17 19的比較例28 36，浸潤(rùn)性與實(shí)施例25 51同樣，比較例觀 36全部得到90%以上浸潤(rùn)性，但關(guān)于接合后的芯片破裂，所有比較例均發(fā)生破裂。這可以認(rèn)為原因是在比較例觀 36中，接合后的接合部的凝固溫度高達(dá) 3820C (Zn-6A1的熔點(diǎn))所致。
13
由以上己知，按照實(shí)施例25 51，采用本發(fā)明涉及的接合材料，通過(guò)用于半導(dǎo)體裝置的小片接合，可在350°C的低溫進(jìn)行接合。因此，可降低接合后冷卻時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，可防止半導(dǎo)體元件的破壞。圖沈?yàn)楸硎静捎帽景l(fā)明涉及的接合材料接合的圖M所示的半導(dǎo)體裝置221的浸潤(rùn)性及接合后的接合部有無(wú)裂紋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖。實(shí)施例52 69示出采用本發(fā)明涉及的作為接合材料的金屬包層材料接合的半導(dǎo)體裝置221的浸潤(rùn)性及接合后的接合部有無(wú)裂紋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較例37 42示出Al系合金層的組成為Al的金屬包層材料210或211的任意一種進(jìn)行接合、制造的半導(dǎo)體裝置的浸潤(rùn)性及接合后的接合部有無(wú)裂紋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)于浸潤(rùn)性，對(duì)封裝面積可得到保持氣密的浸潤(rùn)性時(shí)為〇，因空隙、裂紋等而不能保持氣密時(shí)為X。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，采用金屬包層材料8 13的實(shí)施例52 69，金屬包層材料、任意框架電鍍時(shí)，也得到90%以上的浸潤(rùn)性。同樣地，任意金屬包層材料、任意框架電鍍時(shí)，在接合后接合部也不發(fā)生裂紋。另一方面，采用金屬包層材料210、211的任意一種的比較例37 42，浸潤(rùn)性與實(shí)施例52 69同樣，比較例37 42全部得到90%以上浸潤(rùn)性，但關(guān)于接合后的接合部的裂紋，所有比較例均發(fā)生裂紋。這可以認(rèn)為原因是在比較例37 42中，接合后的接合部的凝固溫度高達(dá)382°C (Zn-6A1的熔點(diǎn))所致。由以上己知，按照實(shí)施例42 69，采用本發(fā)明涉及的接合材料，作為半導(dǎo)體裝置 221的封裝材料，可在350°C的低溫下接合。因此，可降低接合后冷卻時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，可防止接合部裂紋的發(fā)生。圖27為表示采用本發(fā)明涉及的接合材料進(jìn)行接合的半導(dǎo)體裝置的另一實(shí)施例。 半導(dǎo)體裝置231，采用本發(fā)明涉及的接合材料210b作為必需進(jìn)行倒裝片安裝的半導(dǎo)體裝置的凸緣。該半導(dǎo)體裝置231，具有半導(dǎo)體元件201，該半導(dǎo)體元件201，與安裝它的基板234 通過(guò)接合材料210b加以接合而構(gòu)成。對(duì)該半導(dǎo)體裝置231的制造方法說(shuō)明如下。在基板234的Cu配線235上實(shí)施過(guò) Ni或Ni/Au鍍236的凸緣，與半導(dǎo)體元件201的Al系合金配線232上實(shí)施過(guò)Si鍍233的電極之間，設(shè)置接合材料210b，于350°C邊加壓邊進(jìn)行接合。在其它實(shí)施例中，本發(fā)明涉及的接合材料210b，通過(guò)用作半導(dǎo)體裝置的凸緣，在 350°C的低溫可進(jìn)行接合，通過(guò)接合后的熱應(yīng)力降低，可以防止半導(dǎo)體元件的破壞或凸緣部發(fā)生的裂紋。上面對(duì)基于本發(fā)明人提出的發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行具體地說(shuō)明，但本發(fā)明又不限于上述實(shí)施例，在不偏離其要點(diǎn)的范圍內(nèi)作種種變更也包括在內(nèi)。S卩，在上述說(shuō)明中，關(guān)于本發(fā)明的適用，以半導(dǎo)體裝置的小片接合為例加以說(shuō)明， 只要是小片接合的半導(dǎo)體裝置均適用于多種半導(dǎo)體裝置。其中，可以舉出，例如整流二極管、IGBT模塊、RF模塊等前端模塊、汽車(chē)用電力模塊等。另外，在上述說(shuō)明中，舉例說(shuō)明半導(dǎo)體裝置于模塊基板上回流安裝，例如在 MCM(多片模塊Multi Chip Module)結(jié)構(gòu)中使用時(shí)也當(dāng)然可以適用。本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，可用作電力元件、能量晶體管、能量模塊、LSI等半導(dǎo)體裝置。特別是小片接合、氣密封裝、倒裝片焊接等接合部，可作為無(wú)鉛的半導(dǎo)體裝置使用。
符號(hào)的說(shuō)明L···半導(dǎo)體元件、2…框架、3…焊料、4…金屬線、5…引線、6…樹(shù)脂、7…半導(dǎo)體裝置、8…凸緣、10、10a、10b···接合材料、11···半導(dǎo)體裝置、21···半導(dǎo)體裝置、22、22a···金屬罩、 23…模塊基板、M…金屬合金、31···半導(dǎo)體裝置、32···Al配線、33···Si鍍、34···基板、35··· Cu配線、36".Ni或Ni/Au鍍、101…Zn層、102…Al層、103…輥軋機(jī)、104…加壓成型機(jī)、 201…半導(dǎo)體元件、202…框架、203…焊料、204…金屬線、205…引線、206…樹(shù)脂、207…半導(dǎo)體裝置、208…凸緣、210、210a、210b…接合材料、211…半導(dǎo)體裝置、221…半導(dǎo)體裝置、222、 22 …金屬罩、223…模塊基板、2 …金屬合金、231…半導(dǎo)體裝置、232…Al配線、233…Zn 鍍、234…基板、2；35…Cu配線、236…Ni或Ni/Au鍍、301…Si層、302…Al層、303…輥軋機(jī)、 304…加壓成型機(jī)
權(quán)利要求
1.接合部件，其特征在于，在具有Al層、和在上述Al層的兩主面上分別設(shè)置了第1及第2的Si層的接合材料中，上述Al層的厚度相對(duì)上述第1或上述第2的Si層的厚度之比為0. 59以下。
2.按照權(quán)利要求1所述的接合部件，其特征在于，上述Al層的厚度相對(duì)上述第1或上述第2的Si層的厚度之比為0. 52以上。
3.半導(dǎo)體裝置，其特征在于，包括半導(dǎo)體元件；框架；和將上述半導(dǎo)體元件與上述框架接合的接合部；上述接合部含Si-Al合金，在上述接合部與上述半導(dǎo)體元件的界面及上述接合部與上述框架的界面，Al氧化物膜的面積相對(duì)全部界面面積之比為0%以上、5%以下。
4.按照權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，上述接合部通過(guò)將包含Si層、Al 層、Si層的金屬包層材料加熱而形成。
5.按照權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，上述金屬包層材料的上述Al層的厚度為10 μ m以上、50 μ m以下。
6.按照權(quán)利要求4或5所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，上述接合部在加熱上述金屬包層材料時(shí)不殘留Al層。
7.按照權(quán)利要求4 6任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，上述接合部是不對(duì)上述金屬包層材料進(jìn)行加壓而形成的。
8.按照權(quán)利要求3 7任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，上述接合部由Si-Al 合金構(gòu)成。
9.按照權(quán)利要求4 8任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，上述金屬包層材料的 Si層、Al層及Si層的厚度比為1 (0.52 0.59) 1。
10.按照權(quán)利要求3 9任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，上述接合部的Al含量為9質(zhì)量％以上10質(zhì)量％以下。
11.半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，該方法包含在第1部件與第2部件之間設(shè)置接合材料的設(shè)置工序；以及加熱熔融該接合材料，使上述第1部件與第2部件接合的接合工序；上述接合材料是在Al層的兩主面形成Si層；在上述接合工序中，使上述接合材料的上述Al層及上述Si層全部熔融而進(jìn)行接合。
12.按照權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，上述Al層的厚度相對(duì)上述Si層的厚度為0. 59以下。
13.按照權(quán)利要求11或12所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，接合后的上述接合材料具有Si-Al層，該Si-Al層的Al含量為9質(zhì)量％以上。
14.按照權(quán)利要求11 13任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，上述接合工序不對(duì)上述第1及第2部件與上述接合部件進(jìn)行加壓而進(jìn)行。
15.按照權(quán)利要求11 14任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，上述第1部件為半導(dǎo)體元件，上述第2部件為框架。
16.接合材料，其特征在于，包括含Mg、Sn、Ge、Ga、Bi、In中的1種以上金屬的Al系合金層；以及在上述Ai系合金層的最表面設(shè)置的ai系合金層。
17.按照權(quán)利要求16所述的接合材料，其特征在于，上述Al系合金層含有Mg，Mg的含量為20 50質(zhì)量％。
18.按照權(quán)利要求17所述的接合材料，其特征在于，上述Al系合金層含有Sn，上述Al 系合金層的Sn的含量為20 50質(zhì)量％。
19.接合材料的制造方法，其特征在于，在第1的Si系合金層上重疊含有Mg、Sn、Ge、 Ga、Bi、In中的1種以上金屬的Al系合金層，在該Al系合金層上重疊第2的Si系合金層， 通過(guò)金屬包層壓延進(jìn)行制造。
20.接合材料的制造方法，其特征在于，在第1的Si系合金層上重疊含有Mg、Sn、Ge、 Ga、Bi、In中的1種以上金屬的Al系合金層，在該Al系合金層上重疊第2的Si系合金層， 通過(guò)加壓成型進(jìn)行制造。
21.半導(dǎo)體裝置，其特征在于，包括半導(dǎo)體元件；接合上述半導(dǎo)體元件的框架；一端成為外部端子的引線；上述引線另一端與上述半導(dǎo)體元件的電極接合的金屬線；以及將上述半導(dǎo)體元件及上述金屬線進(jìn)行樹(shù)脂封裝的樹(shù)脂；將上述半導(dǎo)體元件與上述框架進(jìn)行接合的接合材料包含含有Mg、Sn、Ge、Ga、Bi、In中的1種以上金屬的Al系合金層、和在該Al系合金層的最表面設(shè)置的Si系合金層。
22.半導(dǎo)體裝置，其特征在于，包括半導(dǎo)體元件；接合上述半導(dǎo)體元件的基板；一端成為外部端子的引線；將上述引線另一端與上述半導(dǎo)體元件的電極接合的金屬線；以及將上述半導(dǎo)體元件及上述金屬線進(jìn)行氣密封裝并接合于上述基板的金屬罩；將上述基板與上述金屬罩進(jìn)行接合的接合材料包含含有Mg、Sn、Ge、Ga、Bi、h中的1 種以上金屬的Al系合金層、和在該Al系合金層的最表面設(shè)置的Si系合金層。
23.按照權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，將上述半導(dǎo)體元件與上述基板進(jìn)行接合的接合材料包含含有Mg、Sn、Ge、Ga、Bi、h中的1種以上金屬的Al系合金層、和在該Al系合金層的最表面設(shè)置的Si系合金層。
24.半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有半導(dǎo)體元件，將上述半導(dǎo)體元件與安裝該半導(dǎo)體元件的基板進(jìn)行接合的接合材料包含含有Mg、Sn、Ge、Ga、Bi、In中的1種以上金屬的Al系合金層；和在該Al系合金層的最表面設(shè)置的Si系合金層。
全文摘要
本發(fā)明提供接合材料、半導(dǎo)體裝置及其制造方法，當(dāng)采用現(xiàn)有的Zn/Al/Zn金屬包層材料進(jìn)行接合時(shí)，由于接合部的熱阻至少與現(xiàn)有的高鉛焊料相當(dāng)，接合部的厚度必需為現(xiàn)有的焊料的2倍(約100μm)以下。另外，為了充分呈現(xiàn)Al層的應(yīng)力緩沖能力，Al層的厚度必需盡量厚。為了得到充分的接合性，接合時(shí)必需用約2g/mm2以上的荷重進(jìn)行加壓，批量生產(chǎn)成本顯著上升。本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，包括半導(dǎo)體元件；框架；和將上述半導(dǎo)體元件與上述框架接合的接合部；上述接合部含Zn-Al合金，在上述接合部與上述半導(dǎo)體元件的界面及上述接合部與上述框架的界面，Al氧化物膜的面積相對(duì)全部界面面積之比為0％以上5％以下。
文檔編號(hào)C22C18/04GK102473650SQ201080027789
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者岡本正英, 村里有紀(jì), 池田靖 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所