專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
在例如電視接收機等的電子設(shè)備的電源器中使用的半導(dǎo)體裝置，一般有著具有由 金屬構(gòu)成的模焊盤(die pad)，和該模焊盤上的由焊錫材料(tS & e材)固接而成的半導(dǎo)體 元件(半導(dǎo)體芯片)的構(gòu)造。 這樣的半導(dǎo)體裝置，首先，在加熱過的模焊盤上配置球形的焊錫材料，將配置的焊 錫材料在模焊盤上按壓展開的同時令其熔化，在熔化狀態(tài)的焊錫材料上按壓半導(dǎo)體元件。 之后經(jīng)冷卻，通過將半導(dǎo)體元件由焊錫材料在模焊盤上固接而得到(例如，參見專利文獻(xiàn) 1)。 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2002-156561號公報 近年來，焊錫材料的無鉛化正在推進當(dāng)中，但半導(dǎo)體裝置，尤其是電源相關(guān)的半導(dǎo) 體裝置中，將模焊盤和半導(dǎo)體元件固接的焊錫材料沒有替代材料，現(xiàn)在還是使用以鉛為主 要成分的焊錫材料，就希望能早日實現(xiàn)無鉛化。 但是，在現(xiàn)有的通過錫(Sn)-銀(Ag)-銅(Cu)的無鉛焊錫材料將模焊盤和半導(dǎo)體 元件固接的情況下，由于其熔點低為220°C，由半導(dǎo)體裝置在印刷線路板上安裝時的熱量， 焊錫材料會再次熔化，會引起熔化的焊錫材料流入半導(dǎo)體元件上的弱點，所以無法采用現(xiàn) 有的無鉛焊錫材料作為模焊盤和半導(dǎo)體元件的固接材料。 因此，雖然熔化溫度高的無鉛焊錫材料正在研究中，但這下由于熔化溫度高，會發(fā) 生模焊盤上的半導(dǎo)體元件的焊接不穩(wěn)定的問題。 具體而言，由于焊錫材料上要安裝半導(dǎo)體元件，即使是熔化溫度高的焊錫材料，實 際上半導(dǎo)體元件也只能加熱到不會被熱破壞的程度的溫度，其結(jié)果是，半導(dǎo)體元件在模焊 盤上的焊接就無法穩(wěn)定進行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于解決所述現(xiàn)有問題，使得在模焊盤上的半導(dǎo)體元件的焊接能夠穩(wěn)
定進行。 為達(dá)到所述目的，本發(fā)明中，半導(dǎo)體裝置使用比模焊盤上形成的焊錫接合層的硬
度更高的焊錫材料，在焊錫接合層形成凹陷部分，在形成的凹陷部分中填充焊錫材料的一 部分而構(gòu)造而成。 具體而言，本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有模焊盤，由在表面形成 第1焊錫接合層的金屬構(gòu)成；和半導(dǎo)體元件，在模焊盤的第1焊錫接合層上，由以鉍為主成 分的焊錫材料固定。其中，第1焊錫接合層，由比焊錫材料更軟的材料構(gòu)成，在第1焊錫接 合層的一部分中，形成了由焊錫材料被按壓而成的凹陷部分，焊錫材料的一部分填充至凹
3陷部分。 根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，由于模焊盤上形成的第1焊錫接合層使用了比以鉍為 主要成分的焊錫材料更軟的材料，通過將焊錫材料按壓至第1焊錫接合層，可以在第1焊錫 接合層的一部分中的模焊盤一側(cè)，形成凹陷的凹陷部分。由此，由于凹陷部分中填充有焊錫 材料，就增大了模焊盤上的第l焊錫接合層和焊錫材料的接合面積。其結(jié)果，強化了模焊盤 和焊錫材料之間的連接強度，穩(wěn)定了模焊盤上的半導(dǎo)體元件的焊接。 本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，第1焊錫接合層首選為由銀或以銀為主要成分的金屬構(gòu) 成。 本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，焊錫材料首選為含有鉍、銅和鍺。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，模焊盤首選為由銅或以銅為主要成分的金屬構(gòu)成。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，首選為在第l焊錫接合層的凹陷部分，形成露出模焊盤 的開口部，通過形成的開口部，焊錫材料與模焊盤的表面連接。 這樣的情況下，首選為焊錫材料進入開口部的外周部分的模焊盤和第1焊錫接合 層之間。 本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，與半導(dǎo)體元件的焊錫材料相對的面上，形成第2焊錫接 合層，第2焊錫接合層首選為由銀或以銀為主要成分的金屬構(gòu)成。 這樣的情況下，首選為在半導(dǎo)體元件和第2焊錫接合層之間，從半導(dǎo)體元件到第2 焊錫接合層，依次形成粘接層、中間接合層和阻擋層。 另外，這樣的情況下，首選為粘接層由鉻構(gòu)成，中間接合層由鎳和鉻的合金構(gòu)成， 而阻擋層由鎳構(gòu)成。 本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于包括步驟(a)，在模焊盤的 表面形成的第1焊錫接合層上，通過按壓球形的焊錫材料，在第1焊錫接合層形成凹陷部 分；步驟(b)，在步驟(a)之后，將焊錫材料在第1焊錫接合層上按壓展開；步驟(c)，在步驟 (b)之后，在按壓展開的焊錫材料上按壓半導(dǎo)體元件。 本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，首選為在步驟(a)之前，進一步包括步驟(d)， 將模焊盤加熱。 本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，首選為在步驟(a)中，在第l焊錫接合層形成的 凹陷部分，形成露出模焊盤的開口部，通過形成的開口部，焊錫材料與模焊盤的表面接觸。
根據(jù)本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置及其制造方法，由于增大了模焊盤上形成的第1 焊錫接合層和焊錫材料的接合面積，就強化了模焊盤和焊錫材料之間的連接強度，所以穩(wěn) 定了模焊盤上的半導(dǎo)體元件的焊接。


圖1是表示本發(fā)明的一具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置的斜視圖。
圖2是表示本發(fā)明的一具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置的平面圖。
圖3是圖2的III-III線的截面圖。
圖4是表示圖3的區(qū)域IV的部分放大截面圖。 圖5是表示本發(fā)明的一具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個步 驟的截面圖。
圖6是表示本發(fā)明的一具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個步 驟的截面圖。 圖7是表示圖6的區(qū)域VII的部分放大截面圖。
圖8是繼圖7表示圖6的區(qū)域VII的部分放大截面圖。 圖9是表示本發(fā)明的一具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個步 驟的截面圖。 圖10是表示本發(fā)明的一具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個步 驟的截面圖。 圖11是表示本發(fā)明的一具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的一個步
驟的截面圖。
圖中l(wèi)外部引線2內(nèi)部引線3模焊盤4散熱部4a螺絲孔5半導(dǎo)體元件6電極7電線8密封樹脂部9焊錫材料9A焊錫材料(球形的焊錫材料)9a擴散浮動(拡散7 口一卜)10活性層ll第l焊錫接合層lla凹陷部分lib孔(開口部)12粘接層13中間接合層14阻擋層15第2焊錫接合層16背面電極(back contact)17加熱器(heat block)18壓針(押A匕° > )
具體實施例方式(—具體實施方式
) 利用附圖對本發(fā)明的一個具體實施方式
進行說明。
圖1是本發(fā)明的一具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置，表示的是例如電視接收機
5的電源器所使用的半導(dǎo)體裝置。另外，圖2表示的是省略密封樹脂部的平面構(gòu)造。電源器所使用的半導(dǎo)體裝置，流過數(shù)十安培至上百安培左右的電流。為防止伴隨該電流的發(fā)熱造成的對半導(dǎo)體元件的破壞，如圖l和圖2所示，使用厚度很厚的銅(Cu)構(gòu)成的、且形成有多個外部引線1、多個內(nèi)部引線2、模焊盤3和散熱部4的引線框架(lead frame)。散熱部4在模焊盤3的與外部引線1相對的一側(cè)形成為一體。另外，外部引線1和內(nèi)部引線2各自形成為一體，且多個外部引線1和多個內(nèi)部引線2的其中之一，與模焊盤3形成為一體。
如圖2所示，模焊盤3上安裝有半導(dǎo)體元件(半導(dǎo)體芯片)5，半導(dǎo)體元件5上形成的電極6和與模焊盤3不相連接的內(nèi)部引線2之間，由例如鋁(Al)構(gòu)成的電線而電連接。 半導(dǎo)體元件5、電線7、內(nèi)部引線2和模焊盤3，由密封樹脂部8 (圖2中省略)所覆
圭 此外，散熱部4中形成了螺絲孔4a，如果該螺絲孔4a由螺絲與電源器的散熱裝置(圖中未示)相固接的話，就可以通過模焊盤3、散熱部4和螺絲，使得散熱裝置將半導(dǎo)體元件5的發(fā)熱釋放。 如圖3所示，半導(dǎo)體元件5由焊錫材料9與模焊盤3固接。具體而言，如圖4所示，在模焊盤3的表面上，由真空鍍敷法或是噴濺法等，就能設(shè)置例如由厚度為0. 1 ii m 0.4ym左右的銅所構(gòu)成的活性層10。本具體實施方式
中，將模焊盤3包括由銅構(gòu)成的活性層10來處理。此外，包括外部引線1和內(nèi)部引線2的模焊盤3中雖然使用了銅，但不局限于銅，也可以是除了銅以外的含有銀(Ag)或是鈷(Co)的合金。 活性層10之上，設(shè)有由鍍金形成的厚度為1 y m 4 y m左右的銀(Ag)構(gòu)成的第1焊錫接合層11，半導(dǎo)體裝置制造時，對模焊盤3、活性層10和第1焊錫接合層11的3層結(jié)構(gòu)進行處理。 半導(dǎo)體元件5的下部，是由例如硅(Si)構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底的下面，由真空鍍敷法或是噴濺法，依次形成厚度為O. 05ym左右的鉻(Cr)所構(gòu)成的粘接層12、厚度為O. 05iim左右的鎳(Ni)-鉻(Cr)合金所構(gòu)成的中間接合層13、和厚度為0. 3 y m左右的鎳(Ni)所構(gòu)成的阻擋層14。該阻擋層14的下面，由真空鍍敷法或是噴濺法，形成由銀構(gòu)成的、厚度為0.5iim 5iim左右的第2焊錫接合層15。也就是說，由這些粘接層12、中間接合層13、阻擋層14和第2焊錫接合層15，就形成了半導(dǎo)體元件5的背面電極16。
此外，第1焊錫接合層11和第2焊錫接合層15中使用了銀，但不局限于銀，也可以是除了銀以外的含有鈷(Co)或是銅(Cu)的合金。 另外，粘接層12也可以是以鉻為主要成分的合金，中間接合層13也可以是以
鎳_鉻合金為主要成分的合金，阻擋層14也可以是以鎳為主要成分的合金。 具有如上所述構(gòu)造的模焊盤3和半導(dǎo)體元件5中，焊錫材料9介于模焊盤3上的
第1焊錫接合層11，和構(gòu)成半導(dǎo)體元件5的背面電極16的第2焊錫接合層15之間，通過該
焊錫材料9，半導(dǎo)體元件5在模焊盤3上被安裝并固接。此外，圖4中所示符號9為，表示同
時來自由銀構(gòu)成的第1焊錫接合層11和第2焊錫接合層15的、在焊錫材料9的內(nèi)部擴散
的銀的擴散浮動。 如圖4所示，本具體實施方式
中，由于將焊錫材料9的硬度設(shè)定為高于第1焊錫接合層ll，在制造時第1焊錫接合層11中，形成了由焊錫材料9按壓而成的凹陷部分lla。進一步地，在凹陷部分lla的下部，形成了露出其下側(cè)的活性層IO，也就是說模焊盤3的孔llb。由此，焊錫材料9的下部的一部分，填充了凹陷部分lla，同時焊錫材料9還進入了孔lib的外周部分的模焊盤3和第1焊錫接合層11之間。 如此，本具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置，由于凹陷部分lla中填充有焊錫材
料9，就增大了模焊盤3上的第1焊錫接合層11和焊錫材料9的接合面積，強化了第1焊錫
接合層11和焊錫材料9的連接強度，其結(jié)果，穩(wěn)定了模焊盤3上的半導(dǎo)體元件5的焊接。 以下參照附圖，對所述構(gòu)造的半導(dǎo)體裝置的制造方法進行說明。 圖5 圖11表示了本發(fā)明第具體實施方式
所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的
工序的截面構(gòu)造。 首先，如圖5所示，將預(yù)先在表面形成了活性層10(圖中未示)和第1焊錫接合層11的模焊盤3在加熱器17上配置。之后，在還原環(huán)境，例如新鮮氣體(green gas :氮氣(N2)和氫氣(H2)的混合氣體)，或是非氧化環(huán)境，例如氮氣(N2)的環(huán)境下，加熱至大約31(TC。
接下來，如圖6所示，在還原環(huán)境或是非氧化環(huán)境中加熱的模焊盤3的焊錫接合層11上，按壓球形的焊錫材料9A。焊錫材料9A由以鉍(Bi)為主要成分、銅(Cu)和鍺(Ge)以及不可避成分構(gòu)成，熔點約為27(TC。此處，焊錫材料9A中，含有鉍約98X (以下質(zhì)量的百分比由％表示)，銅約2%，以及鍺約0. 06X，另外，不可避成分由例如鐵(Fe)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鎘(Cd)或是砷(As)構(gòu)成，各自含量不足0.01%。
焊錫材料9A的莫氏硬度約為2. 5，比它下面的第1焊錫接合層11的約為2. 0的莫氏硬度要高。 由此，如圖6的區(qū)域VII的部分放大圖的圖7所示，球形的焊錫材料9A按壓到第1焊錫接合層11，比焊錫材料9A柔軟的第1焊錫接合層11中就形成了凹陷部分lla。
進一步地，如圖8所示，按壓焊錫材料9A，就在凹陷部分lla的下面的一部分形成了孔llb，最終，焊錫材料9A的一部分，通過形成的孔llb，進入模焊盤3的活性層IO和第I焊錫接合層11之間。也就是說，焊錫材料9A替代了位于孔llb周圍的第1焊錫接合層11，活性層10和第1焊錫接合層11之間的孔lib的外側(cè)的區(qū)域也擴展開來，這樣的狀態(tài)下，活性層10和焊錫材料9A的一部分就接合了起來。 這樣，本具體實施方式
中，由于焊錫材料9A的下部不僅填充了凹陷部分lla，對于模焊盤3的活性層10也在很寬的范圍(孔lib的外側(cè)區(qū)域)接合起來，所以就提高了焊錫材料9A的下部與模焊盤3的接合強度。 此外，第1焊錫接合層11的焊錫材料9A的下側(cè)形成孔11b，和焊錫材料9A擴展到孔lib的外側(cè)，這種狀態(tài)下模焊盤3的活性層10和焊錫材料9A的一部分接合起來的理由，還不是十分明確，但可以認(rèn)為是由于焊錫材料9A以鉍為主要成分，而構(gòu)成第1焊錫接合層11的銀在鉍中擴散的原因。銀在鉍中的擴散，如圖4所示，從第l焊錫接合層11和第2焊錫接合層15各自擴散的銀，在焊錫材料9的內(nèi)部形成了銀的擴散浮動9a看來，可認(rèn)為其可能性是很高的。 接下來如圖9所示，在還原環(huán)境或是非氧化環(huán)境的加熱狀態(tài)中，焊錫材料9A的下
部與模焊盤3接合的狀態(tài)下，由壓針18將球形的焊錫材料9A鋪張開來。 接下來如圖10所示，在還原環(huán)境或是非氧化環(huán)境的加熱狀態(tài)中，焊錫材料9A熔化
成平緩的凸起形狀。 接下來如圖11所示，在還原環(huán)境或是非氧化環(huán)境的加熱狀態(tài)中，焊錫材料9A之上按壓了半導(dǎo)體元件5。之后這樣的狀態(tài)下，溫度下降，焊錫材料9固化，就獲得了圖4所示的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置。此外，半導(dǎo)體元件5的背面預(yù)先形成了具有上述構(gòu)造的由粘接層12、中間結(jié)合層13、阻擋層14和第2焊錫接合層15構(gòu)成的背面電極16。另外，構(gòu)成背面電極16的阻擋層14中使用的是鎳，而由于由銀構(gòu)成的第2焊錫接合層15介于背面電極16和焊錫材料9之間，在圖11所示的工序中，鎳離子擴散到焊錫材料9，不用擔(dān)心會令其熔化溫度上升。 另外，背面電極16不局限于上述構(gòu)造，像金(Au)-鍺(Ge)、金(Au)-鍺(Ge)-銻(Sb)、或是鈦(Ti)-鎳(Ni)-銀(Ag)等，普遍能用于半導(dǎo)體裝置的背面電極，也能顯示同樣效果。 如以上的說明，本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置，模焊盤3的表面上形成的第l焊錫接合層11，是由比以鉍為主要成分的焊錫材料9更軟的材料構(gòu)成，通過將該焊錫材料9按壓至第1焊錫接合層ll，可以在第1焊錫接合層11的一部分，形成在模焊盤3 —側(cè)的凹陷部分lla。由此，由于凹陷部分lla中得以填充焊錫材料9，就增大了模焊盤3上的第1焊錫接合層11和焊錫材料9的接合面積，就強化了焊錫材料9和模焊盤3之間的連接強度。其結(jié)果，穩(wěn)定了模焊盤3上的半導(dǎo)體元件5的焊接。 本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置及其制造方法，由于強化了模焊盤和焊錫材料之間的連接強度，就穩(wěn)定了模焊盤上的半導(dǎo)體元件的焊接，尤其對于在工作時變?yōu)楦邷氐碾娮釉O(shè)備中組裝的半導(dǎo)體裝置及其制造方法有用。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體裝置，包括模焊盤，由在表面形成第1焊錫接合層的金屬構(gòu)成；和半導(dǎo)體元件，由以鉍為主要成分的焊錫材料固定在所述模焊盤的所述第1焊錫接合層上，所述第1焊錫接合層，由比所述焊錫材料更軟的材料構(gòu)成；在所述第1焊錫接合層的一部分中，形成由所述焊錫材料被按壓而成的凹陷部分，所述焊錫材料的一部分填充至所述凹陷部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 所述第1焊錫接合層，由銀或以銀為主要成分的金屬構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 所述焊錫材料，含有鉍、銅和鍺。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3的其中一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 所述模焊盤，由銅或以銅為主要成分的金屬構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4的其中一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于在所述第1焊錫接合層的所述凹陷部分，形成露出所述模焊盤的開口部，通過形成的 孔，所述焊錫材料與所述模焊盤的表面連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述焊錫材料進入所述開口部的外周部分的所述模焊盤與所述第1焊錫接合層之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 6的其中一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于與所述半導(dǎo)體元件的所述焊錫材料相對的面上，形成第2焊錫接合層，所述第2焊錫接合層由銀或以銀為主要成分的金屬構(gòu)成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于在所述半導(dǎo)體元件與所述第2焊錫接合層之間，從所述半導(dǎo)體元件向所述第2焊錫接 合層，依次形成粘接層、中間接合層和阻擋層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述粘接層由鉻構(gòu)成，所述中間接合層由鎳和鉻的合金構(gòu)成，所述阻擋層由鎳構(gòu)成。
10. 權(quán)利要求1 9的其中一項所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，包括步驟a，在所述模焊盤的表面形成的所述第1焊錫接合層上，通過按壓球形的所述焊錫 材料，在所述第1焊錫接合層形成凹陷部分；步驟b，在所述步驟a之后，將所述焊錫材料在所述第1焊錫接合層上按壓展開；禾口 步驟c，在所述步驟b之后，在按壓展開的所述焊錫材料上按壓所述半導(dǎo)體元件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于 還進一步包括步驟d，在所述步驟a之前，將所述模焊盤加熱。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于 在所述步驟a中，在所述第1焊錫接合層形成的凹陷部分，形成露出所述模焊盤的開口部，通過形成的開口部，所述焊錫材料與所述模焊盤的表面接觸。
全文摘要
一種半導(dǎo)體裝置，具有模焊盤(3)，由在表面形成第1焊錫接合層的金屬構(gòu)成；和半導(dǎo)體元件(5)，在該模焊盤(3)的第1焊錫接合層(11)上，由以鉍為主成分的焊錫材料(9)固接而成。第1焊錫接合層(11)，由比焊錫材料(9)更軟的材料構(gòu)成；在第1焊錫接合層(11)的一部分中，形成由焊錫材料(9)被按壓而成的凹陷部分(11a)，焊錫材料(9)的一部分，填充至凹陷部分(11a)。
文檔編號H01L21/52GK101790780SQ200980100250
公開日2010年7月28日 申請日期2009年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月22日
發(fā)明者古澤彰男, 松尾隆廣, 酒谷茂昭 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社