專利名稱：功率半導體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及至少使用2種無鉛焊錫制造的功率半導體裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
功率半導體裝置例如是將IGBT或高耐壓二極管等功率半導體元件容納在樹脂外 殼內(nèi)并封裝而成的。參照圖17說明典型的功率半導體裝置。由于圖17是說明功率半導體 元件的焊接的圖，因此樹脂外殼被省略。如圖17所記載，在陶瓷襯底200的上表面形成有電 路圖案202、204。在電路圖案202通過第一階梯式焊錫(st印solder) 210，固定功率半導 體元件214。第一階梯式焊錫210的組成是95wt% Sn-5wt% Sb。襯％是重量百分比。并 且，在電路圖案204通過第二階梯式焊錫218，固定電極端子220。第二階梯式焊錫218的 組成是 96. 5wt% Sn-3wt% Ag-0. 5wt% Cu。另一方面，在陶瓷襯底200的下表面形成有背面圖案206。在背面圖案206通過第 一階梯式焊錫212，固定散熱器216。散熱器216被電解Ni鍍層覆蓋。此處，電路圖案202、 204、背面圖案206都是Cu的圖案被非電解Ni-P鍍層(以下稱作“Ni_P鍍層”)覆蓋的。有 時陶瓷襯底200和電路圖案202、204、背面圖案206被統(tǒng)稱為絕緣襯底208。這樣的結(jié)構(gòu)的功率半導體裝置進行兩次回流焊接而完成。即，在第一次回流焊接 中，第一階梯式焊錫210、212被熔化。據(jù)此將功率半導體元件214及散熱器216對電路圖 案202、背面圖案206進行固定。在第二次回流焊接中，第二階梯式焊錫218被熔化。據(jù)此 將插入樹脂外殼的電極端子220對電路圖案204進行固定。此處，第二次回流焊接必須在第一階梯式焊錫210、212不會再熔化的溫度下進 行。即，若因第二次回流焊接使第一階梯式焊錫210、212再熔化，則會成為功率半導體元件 214和絕緣襯底208產(chǎn)生傾斜、偏離、或者焊錫露出等不良的原因。換言之，第一階梯式焊錫 210,212的固相線溫度必須充分高于第二階梯式焊錫218的液相線溫度。固相線溫度是指 使熔化的焊錫緩緩冷卻，焊錫完全固體化時的溫度。液相線溫度是指將固體的焊錫緩緩加 熱，焊錫完全熔解時的溫度。在上述構(gòu)成中，第一階梯式焊錫210的固相線溫度是240°C，第 二階梯式焊錫218的液相線溫度是220°C。因此，可以避免因第二次回流焊接使第一階梯式 焊錫210、212再熔化。在專利文獻1 6中記載了無鉛焊錫相關(guān)的技術(shù)。專利文獻1 日本特開平09-181125號公報專利文獻2 日本特開平10-286689號公報專利文獻3 日本特開平10-193171號公報專利文獻4 日本特開2001-144111號公報專利文獻5 日本特開2001-244622號公報專利文獻6 日本特開2009-60101號公報

發(fā)明內(nèi)容
若在第一階梯式焊錫210、212使用Sn-Sb的2元系焊錫，則在回流焊接時電路圖 案202、背面圖案206的Ni-P鍍層的Ni容易擴散至焊錫中。若Ni向第一階梯式焊錫210、 212進行擴散，則M-P鍍層的附近的Cu會向所移動的M存在的場所移動。其結(jié)果是，在 Cu與Ni-P鍍層的界面會產(chǎn)生稱為柯肯特爾空隙(Kirkendall voids)的微小間隙。而且， 存在的問題是在熱歷史的過程中，M-P鍍層會剝離，半導體元件的散熱性惡化。并且，通過Ni-P鍍層中的Ni擴散至焊錫中，占據(jù)在Ni-P鍍層的P濃度相對提高 (P豐富)。據(jù)此，存在Ni-P鍍層的接合可靠性下降的問題。參照圖18說明Ni擴散至焊錫中的例子。圖18是對于背面圖案中的Ni-P鍍層和 Cu (背面Cu圖案)的界面及其附近，提取在175°C下進行200小時的高溫保存評價后的截 面SEM像的輪廓線的圖。在圖18中記載了 Ni-P鍍層的Ni向焊錫擴散，在背面Cu圖案與 Ni-P鍍層的界面形成Ni-P鍍層剝離部的形態(tài)。另外，在Ni-P鍍層形成之后，4 μ m的Ni-P 鍍層的膜厚下降至0.6 μ m。而且，該0.6μπι的Ni-P鍍層的全部都顯現(xiàn)出P豐富化。另外， 在圖18中說明的是絕緣襯底的下表面，但絕緣襯底的上表面也一樣。這樣的接合可靠性下降的問題，在形成的Ni-P鍍層的厚度越薄時越顯著。因此， 考慮將通常由2 μ m左右的厚度形成的Ni-P鍍層增厚至5 μ m左右，來避免接合可靠性的問 題。然而，將Ni-P鍍層的厚度增厚，會成為絕緣襯底制造商在進行鍍敷處理時阻礙生產(chǎn)率 的原因。另外，還會使絕緣襯底的成本上升。并且，在要求的可靠性的水平較高時，有時通 過M-P鍍層的厚膜化無法進行應(yīng)對。因此，存在通過M-P鍍層的厚度的厚膜化無法根本 解決的問題。本發(fā)明是為解決如上所述的問題而完成的，其目的在于提供不將電路圖案等的 Ni-P鍍層的厚度厚膜化而抑制Ni-P鍍層的Ni擴散至焊錫中，且可以提高可靠性及成品率 的功率半導體裝置及其制造方法。本申請的發(fā)明所涉及的功率半導體裝置包括襯底；元件用電路圖案，是形成于 該襯底上，由M-P鍍層覆蓋Cu的結(jié)構(gòu)；以及半導體元件，通過焊錫與該元件用電路圖案固 接。而且，其特征在于，該焊錫是Sn和Sb和Cu的合金，且Cu的重量百分比是0. 5%以上
以下的任意值。本申請的發(fā)明所涉及的功率半導體裝置包括襯底；電路圖案，是形成于該襯底 上的無鍍層的Cu圖案；半導體元件，通過以Sn和Sb和Cu的合金作為材料的焊錫與該 電路圖案固接；端子用電路圖案，其形成于該襯底上；以及端子，其利用以Sn-Ag類或者 Sn-Ag-Cu類的無鉛焊錫為材料的端子用焊錫，與該端子用電路圖案固接。而且，其特征在 于，該焊錫的Cu的重量百分比是0. 5 %以上1 %以下的任意值，固相線溫度是235°C以上 2380C以下的任意值，該端子用焊錫的液相線溫度是215°C以上220°C以下的任意值。本申請的發(fā)明所涉及的功率半導體裝置的制造方法包括準備在上表面形成有由 Ni-P鍍層覆蓋Cu的結(jié)構(gòu)的元件用電路圖案和端子用電路圖案的襯底的工序；在該元件用電路 圖案涂敷第一焊錫的工序；在該第一焊錫上搭載半導體元件的工序；將該第一焊錫熔化并將該 半導體元件固接到該元件用電路圖案的第一回流工序；在該端子用電路圖案涂敷第二焊錫的 工序；在該第二焊錫上搭載端子的工序；以及將該第二焊錫熔化并將該端子固接到該端子用電 路圖案的第二回流工序。而且，其特征在于，該第一焊錫是Sn和Sb和Cu的合金，Sn的重量百分比是91%以上93%以下的任意值，Sb的重量百分比是6. 5%以上8%以下的任意值，Cu的重 量百分比是0. 5%以上1 %以下的任意值，該第二焊錫是液相線溫度為215°C以上220°C以下的 任意值的Sn-Ag類或者Sn-Ag-Cu類的無鉛焊錫，該第二回流在小于235°C下進行。通過本發(fā)明，能以高成品率制造廉價、可靠性高的功率半導體裝置。


圖1是說明功率半導體裝置的整體結(jié)構(gòu)的圖。圖2是說明功率半導體裝置的制造方法的流程圖。圖3是說明利用第一焊錫進行焊接的圖。圖4是說明利用第二焊錫進行焊接的圖。圖5是說明引線接合的圖。圖6是說明控制襯底的圖。圖7是說明密封凝膠注入前的功率半導體裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖8是概念性地說明焊錫間溫度差的圖。圖9是說明Sn-xSb的固相線溫度和液相線溫度的圖。圖10是說明Sn-5Sb-xCu的固相線溫度和液相線溫度的圖。圖11是說明Sn-7Sb-xCu的固相線溫度和液相線溫度的圖。圖12是說明使焊錫合金組成變化時的熔化率等的圖。圖13是說明拉伸強度、伸長率的圖。圖14是說明低循環(huán)疲勞特性的圖。圖15是表示Ni-P鍍層電極的熔解試驗結(jié)果的圖。圖16是提取進行高溫保存評價后的截面SEM像的輪廓線的圖。圖17是用于說明課題的圖。圖18是用于說明課題的圖。附圖標記說明10樹脂外殼、12絕緣襯底、14陶瓷襯底、16電路圖案、18電路圖案、20電路圖案、 22背面圖案、30第一焊錫、32第一焊錫、34第一焊錫、40功率半導體元件、42功率半導體元 件、46散熱器、50第二焊錫、52電極端子、66信號端子、68信號端子。
具體實施例方式實施方式參照圖1 圖16說明本實施方式。另外，有時在不同的圖中的同一或者對應(yīng)的構(gòu) 成要素標注同一附圖標記，省略多次說明。圖1是本實施方式的功率半導體裝置的剖視圖。 以后，參照圖1說明本實施方式的功率半導體裝置的結(jié)構(gòu)。本實施方式的功率半導體裝置是將功率半導體元件40、42等容納在樹脂外殼10 內(nèi)部并進行封裝而成的。功率半導體元件40、42固定在具有熱傳導性和絕緣功能的陶瓷襯 底14。在陶瓷襯底14的上表面形成有電路圖案16、18、20。而且，電路圖案16是固定有元 件的元件用電路圖案，電路圖案18、20是固定有端子的端子用電路圖案。電路圖案16、18、 20是Cu的圖案被Ni-P鍍層覆蓋的結(jié)構(gòu)。
6
在電路圖案16，使用第一焊錫30、32固定功率半導體元件40、42。功率半導體元件 40、42例如是IGBT或FWDi，但沒有特別限定。第一焊錫30、32的組成(成分)是92.4wt% Sn-7wt% Sb-0.6wt% Cu。此處意味重量百分比。另外，為便于說明，有時省略襯％的 表示。另外，若Sb和Cu的重量百分比已確定，則Sn的重量百分比也確定。因此，有時省略 Sn的重量百分比。例如，如果是92. 4wt% Sn-7wt% Sb-0. 6wt% Cu的焊錫，則有時表示為 Sn-7Sb-0. 6Cu。另外，在僅為5%的Cu添加量等的情況下意味重量百分比是5%。在電路圖案18，使用第二焊錫50固定電極端子52。第二焊錫50的組成是 Sn-3Ag-0. 5Cu。電極端子52是將功率半導體裝置和外部連接的端子。而且，電極端子52 插入形成于樹脂外殼10。電路圖案20通過鋁線64與信號端子68電連接。另外，在功率半導體元件40、42 的上表面連接有鋁線60、62。鋁線60將功率半導體元件40和信號端子66電連接。信號端 子66、68是傳送功率半導體元件的控制信號等的端子。而且，信號端子66、68插入形成于 樹脂外殼10。另一方面，在陶瓷襯底的背面形成有背面圖案22。背面圖案22是Cu的圖案被 Ni-P鍍層覆蓋的結(jié)構(gòu)。另外，電路圖案16、18、20及背面圖案22所包含的Cu的圖案，可以 使用活性金屬法等分別貼合至陶瓷襯底14的表面和背面。在背面圖案22，使用第一焊錫 34固定散熱器46。散熱器46的材質(zhì)例如是熱傳導性較高的Cu等。散熱器46的整個表面 由5μπι左右厚度的電解Ni鍍層(通稱也稱為“電鍍Ni”)進行表面處理。電解Ni鍍層與 Ni-P鍍層相比，不易引起Ni浸入(Ni擴散)，可以廉價形成。另外，由于不含有P，因此不 會導致P豐富化。此處，在電路圖案16、18、20不使用電解Ni鍍層的原因如下。S卩，是因為 電解Ni鍍層在原理上僅適用于一體型金屬的情況，而與之相對，電路圖案被分割為島狀， 且形成有電路圖案的面和形成有背面圖案的面被陶瓷襯底分離。在像電路圖案那樣被分離 時，電解(電)鍍Ni變得困難，實施化學的非電解鍍Ni-P。另外，P(磷)是為了鍍膜質(zhì)量 的穩(wěn)定性而添加的。然后，這樣結(jié)構(gòu)的散熱器46利用粘接劑72與樹脂外殼10粘接。為了保護上述的功率半導體元件40、42及鋁線60、62、64等免受塵埃或異物，且提 高外殼內(nèi)部的絕緣性，在樹脂外殼10填充有直至一定水準的密封凝膠70。而且，在樹脂外 殼10的內(nèi)部、未被密封凝膠70覆蓋的部分配置控制襯底80?？刂埔r底80具有通孔90、92。 而且，在通孔90、92插入信號端子66、68，分別由焊錫94、96固定并且電連接。在控制襯底 80，電子元器件82、84分別由焊錫87、88固定。另外，外部連接插座86也被焊錫89固定。 然后，配置蓋98使外部連接插座86露出外部。此處，電路圖案16、18、20及背面圖案22的Ni-P鍍層是2 μ m左右厚度的非電解 鍍層。Ni-P鍍層是以提高焊接性等目的而形成的。本實施方式的功率半導體裝置具有上述結(jié)構(gòu)。以后，參照圖2說明該功率半導體 裝置的制造方法。圖2是說明本實施方式的功率半導體裝置的制造方法的流程圖。首先，在絕緣襯底12涂敷第一焊錫30、32(步驟100)。如上所述，在絕緣襯底12 形成電路圖案16、18、20及背面圖案22。接下來，在步驟102中，在第一焊錫30、32上搭載 功率半導體元件40、42。接下來，在步驟104中，在散熱器46涂敷第一焊錫34。接下來，在 步驟106中，在涂敷在散熱器46的第一焊錫34上搭載絕緣襯底12。接下來，在步驟108中，進行利用第一回流工序的焊接。第一回流工序是在加熱回流爐內(nèi)熔化第一焊錫30、32、34，將功率半導體元件40、42及散熱器46焊接在絕緣襯底12 的工序。步驟108結(jié)束時，完成圖3所示的構(gòu)造。即，第一焊錫30將功率半導體元件40固 定在電路圖案16，第一焊錫32將功率半導體元件42固定在電路圖案16。另外，第一焊錫 34將散熱器46固定在背面圖案22。然后，在步驟108之后的步驟110實施清洗工序。接下來，在步驟112中，在散熱器46的外周部涂敷熱固化型的粘接劑72。粘接劑 72用于固定后述的樹脂外殼10。接下來，在步驟114中，在絕緣襯底12的電路圖案18上 涂敷第二焊錫50。接下來，在步驟116中，配置樹脂外殼10，使其與粘接劑72重疊。在該 樹脂外殼10插入電極端子52和信號端子66、68，在步驟S116進行樹脂外殼的配置時，電極 端子52的一端位于涂敷有第二焊錫50的電路圖案18上。樹脂外殼10和散熱器46由粘 接劑72固定，但為了使固定進一步牢固，也可以進行螺紋緊固。接下來，在步驟118中，進行利用第二回流工序的焊接及粘接劑72的固化。第二 回流工序中在加熱回流爐內(nèi)使第二焊錫50熔化，將電極端子52固定在電路圖案18。此處， 作為第二焊錫50使用的Sn-3Ag-0. 5Cu的固相線溫度是217°C，液相線溫度是220°C。因 此，第二回流工序所需的最低限的溫度是220°C，但以使第二焊錫50完全熔化為目的，第二 回流工序在230°C下進行。然而，細節(jié)后述，作為第一焊錫30、32、34使用的Sn-7Sb_0. 6Cu 的固相線溫度是237°C，液相線溫度是242°C。因此，在第二回流工序中第一焊錫30、32、34 不會再熔化。步驟118結(jié)束時，完成圖4所示的構(gòu)造。即，電路圖案18和電極端子52由第二焊 錫50固定。另外，樹脂外殼10由粘接劑72、及根據(jù)需要由螺釘固定在散熱器46。在步驟 118之后，在步驟120實施清洗工序。接下來，在步驟122中進行利用鋁線的引線接合。步驟122結(jié)束時，完成圖5所示 的構(gòu)造。即，鋁線60將信號端子66和功率半導體元件40電連接。鋁線62將功率半導體 元件40和功率半導體元件42電連接。鋁線64將電路圖案20和信號端子68電連接。接下來，在步驟124中，制造圖6所示的控制襯底。由步驟124制造的控制襯底具 有主視圖即圖6所示的構(gòu)造。在控制襯底80設(shè)有通孔90、92。電子元器件82由焊錫87固 定在控制襯底80。同樣利用焊錫88固定電子元器件84。并且，利用焊錫89固定外部連接 插座86。接下來，在步驟126中，上述控制襯底80固定在信號端子66、68。圖7是說明控制襯底80和信號端子66、68被固定的狀態(tài)的圖。從圖7可知，在控 制襯底80的通孔90、92插入信號端子66、68。然后，信號端子66、68由焊錫94、96固定在 控制襯底80。該焊接是利用使用液相線溫度為210°C附近這樣的熔點比較低的焊錫的點加 熱法進行的。因此，不用擔心第一焊錫30、32、34及第二焊錫50再熔化。接下來，在步驟128中，密封凝膠70注入樹脂外殼10內(nèi)。之后，進行所需的固化 工序。此處，密封凝膠70的固化溫度低于上述的所有焊錫的再熔化溫度。接下來，在步驟 130中，安裝蓋98。接下來，在步驟132中，實施檢測次品用的檢查工序。至此結(jié)束工序時， 完成圖1所示的本實施方式的功率半導體裝置。以后，說明本實施方式的第一焊錫30、32、34是92.4Sn-7Sb-0.6Cu的意義等。本 實施方式的功率半導體裝置具有以下的優(yōu)良特性。即，同時滿足“防止第一焊錫的再熔化”、 “防止M的擴散”、“降低熔化率”、“良好的焊接性”、“良好的機械特性”。對其逐個說明。說明“防止第一焊錫的再熔化”。根據(jù)本實施方式的功率半導體裝置，可以避免在第二回流工序中將第二焊錫50熔化時第一焊錫30、32、34再熔化。此處，為了避免在第二 回流工序中第一焊錫30、32、34再熔化，第一焊錫30、32、34的固相線溫度需要比第二焊錫 50的液相線溫度高15°C以上。以后，將第一焊錫30、32、34的固相線溫度與第二焊錫50的 液相線溫度的溫度差稱作“焊錫間溫度差”。作為焊錫間溫度差需要15°C的根據(jù)如下。在第二回流工序中，為了使第二焊錫50 完全熔化，要升溫至比第二焊錫50的液相線溫度高10°C的溫度。而且，為了可靠防止第一 焊錫30、32、34再熔化，要求具有5°C左右的裕度。上述10°C與5°C之和為15°C。而且，在 本實施方式中，第一焊錫的固相線溫度是237°C，第二焊錫的液相線溫度是220°C。因此，焊 錫間溫度差是17°C，可以確保15°C以上的焊錫間溫度差。概念性地表達這一情況如圖8所 示。因此，根據(jù)本實施方式的功率半導體裝置，由于可以防止第一焊錫30、32、34的再熔化， 因此可以抑制功率半導體元件40、42和絕緣襯底12產(chǎn)生傾斜、偏離、或者焊錫露出的等不 良ο說明“防止Ni的擴散”。根據(jù)本實施方式的功率半導體裝置，不將電路圖案16、18、 20的Ni-P鍍層的厚度厚膜化就可以抑制Ni-P鍍層的Ni擴散至焊錫中。即，可以抑制Ni-P 鍍層的剝離，解決由于占據(jù)在M-P鍍層的P濃度相對提高導致的接合可靠性下降的問題。 該效果可以由向本實施方式的第一焊錫30、32、34添加的Cu得到。更詳細而言，通過向第 一焊錫30、32、34添加Cu，在第一焊錫30、32、34熔化時，在Ni-P鍍層和第一焊錫30、32、34 的界面會形成Cu-Sn-Ni的化合物層。該Cu-Sn-Ni的化合物層成為阻擋層，防止Ni-P鍍層 的Ni擴散至第一焊錫30、32、34。將這樣的效果稱為“防止Ni擴散效果”。參照圖15說明為了得到防止Ni擴散效果所需的Cu添加量。圖15示出了對由于 焊接使Ni-P鍍層電極(相當于Ni-P鍍層)熔解進行調(diào)查的調(diào)查結(jié)果。此處，Ni-P鍍層電 極的初始膜厚為1. 7 μ m。對于該Ni-P鍍層電極，以圖15的焊錫合金組成一欄記載的焊錫進 行焊接。焊接是利用240°C以上以8分30秒，280°C以上以6分30秒，最高溫度為297°C的 回流工序進行的。焊接之后，對接合部的截面組織SEM，以2000倍觀察20mm的范圍的界面 狀態(tài)。然后，拍攝3處示出代表性的M熔解狀態(tài)的部分，測定各處的殘留M膜厚。其結(jié)果 如圖15所示。從圖15可知，通過0.5%以上的Cu添加量可以抑制Ni熔解。另一方面，在 0. 3%以下的Cu添加量下，無法充分抑制Ni熔解。在Sn-7Sb-xCu (χ為任意數(shù))的合金中， Cu添加量為0. 3%以下時一部分1. 7 μ m的Ni-P鍍層電極會貫通。另一方面，在該合金中， Cu添加量為0. 5%至時，最薄的部分也會殘留0. 5μπι的Ni-P鍍層電極。在Sn-5Sb-xCu 的合金的情況下，在Cu添加量為0. 3%以下時一部分Ni-P鍍層電極會貫通。而且，在Cu添 加量為0. 5%以上時，最薄的部分也會殘留0. 4 μ m的Ni-P鍍層電極。如上所述，可知Ni-P 鍍層的M向焊錫的擴散，與Sb添加量無關(guān)，是由Cu含有量決定的。通過至此的考察可知， 為了得到防止Ni擴散效果，Cu添加量需要為0.5%以上。本實施方式的第一焊錫30、32、 34是Sn-7Sb-0. 6Cu。因此，可以得到防止Ni擴散效果。此處，參照圖16說明防止Ni擴散效果所產(chǎn)生的功率半導體裝置的可靠性水平提 高。圖16是對于本實施方式的功率半導體裝置，提取在175°C下進行1000小時的高溫保存 評價后的截面SEM像的輪廓線。另外，175°C這樣的溫度設(shè)定，是為了在高于通常的可靠性 水平的溫度下進行評價。選擇高溫保存評價作為可靠性評價的原因在于，通過事先評價確 認了 在以數(shù)分鐘的間隔反復-40°C至125°C等低高溫的熱循環(huán)中，無法充分賦予熱歷史，效果確認不充分。從圖16可知，在背面圖案22的Cu圖案與M-P鍍層之間未觀察到M-P 鍍層的剝離現(xiàn)象。另外，Ni-P鍍層的殘留厚度經(jīng)過了長達1000小時的評價，仍為2. 5μπι。 并且，P豐富化的層僅有0.5 μ m。關(guān)于P豐富化等，基于的是元素映射分析方法。另外，關(guān) 于與截面SEM像的觀察同時進行的超聲波分析圖像，也未觀察到白化現(xiàn)象。根據(jù)本實施方 式的結(jié)構(gòu)，如上所述，可以達到極高的可靠性。因此，不需要將Ni-P鍍層厚膜化。作為Ni-P 鍍層，具有2 μ m到3 μ m左右的膜厚就可以得到上述效果。說明“降低熔化率”。如上所述，為了防止第一焊錫的再熔化，需要使焊錫間溫度差 為15°C以上。另外，為了得到防止Ni擴散效果，需要向第一焊錫30、32、34添加Cu。此處， 若將第二焊錫50的組成固定為Sn-3Ag-0. 5Cu，則第一焊錫30、32、34的固相線溫度需要為 235°C以上。如果是Sn-Sb的2元系焊錫，則如圖9的相圖(狀態(tài)圖)所示，容易使固相線 溫度為235°C以上。另外，在圖9等中的固/液分別是固相線溫度、液相線溫度的意思。然 而，如圖10的相圖所示，在向Sn-5Sb添加Cu的合金(圖10中表示為Sn-5Sb_xCu)中，與 Cu濃度無關(guān)地固相線溫度維持在約233°C。因此，在向Sn-5Sb添加有Cu的合金中，不能得 到所需的焊錫間溫度差。另一方面，如圖11的相圖所示，在向Sn_7Sb添加Cu的合金(圖11中表示為 Sn-7Sb-xCu)中，與Cu濃度無關(guān)地固相線溫度維持在約237°C。如果是這種情況，則可以使 焊錫間溫度差為15°C以上。通過這樣，使SnSbCu類合金的各構(gòu)成要素變動并對固相線溫度、液相線溫度、 237°C的熔化率進行調(diào)查的結(jié)果如圖12所示。此處，熔化率是指以DSC(Differential Scanning Calorimetry 差示掃描熱量)測定的，到達該溫度的吸熱反應(yīng)量、相對于到達完 全融解的全吸熱反應(yīng)量的比例。在本實施方式中調(diào)查237°C的熔化率。通過調(diào)查熔化率，可以確認在固相線溫度附近的焊錫的熔化狀態(tài)。即，可知例如在 固相線溫度為240°C的Sn-5Sb中，利用DSC測定在237°C下也僅開始極小的吸熱反應(yīng)。在僅 開始極小的吸熱反應(yīng)時，焊錫實質(zhì)上是固體狀態(tài)不變，但在內(nèi)部極小一部分開始液態(tài)化。在 Sn-5Sb-0.6Cu中，在相同237°C下的熔化率急劇上升至65%。另一方面，需要第一焊錫30、 32,34的固相線溫度為237°C的熔化率被抑制得充分低，防止其液態(tài)化(再熔化)。為了抑 制由于實質(zhì)上再熔化導致的不良情況，優(yōu)選的是237°C的熔化率為10%以下。從圖12可知， 為了使熔化率為10%以下，Sb添加量優(yōu)選為6. 5%以上。另外，由于若Sb添加量為7%以上 則熔化率為3 %以下，因此更優(yōu)選。由于本實施方式的第一焊錫30、32、34是Sn-7Sb-0. 6Cu， 因此在237°C下熔化率充分低。說明“良好的焊接性”。液相線溫度與固相線溫度相鄰一方的焊接性較高。即，液 相線溫度從固相線溫度間隔得越遠，焊錫的熔化溫度域越寬。若焊錫的熔化溫度域變寬，則 會產(chǎn)生如下問題在焊錫的凝固收縮過程焊錫產(chǎn)生縮孔、由于與接合材料對方(例如絕緣 襯底或散熱器)的線膨脹系數(shù)不匹配導致焊錫出現(xiàn)細微裂紋等。因此，關(guān)于圖12所示的各焊錫合金組成，著眼于固相線溫度與液相線溫度之差。 在Cu添加量為0. 6%時，在Sb添加量從7%上升到8%時液相線溫度僅上升4°C。然而，在 Cu添加量為0. 6%時，在Sb添加量從8%上升到9%時，液相線溫度也上升9°C。因此，可知 若Sb添加量超過8%，則液相線溫度的變動增大。根據(jù)至此的考察可知，即使可以通過對設(shè) 備或器材的設(shè)計將焊接溫度設(shè)定得較高，為了加工的穩(wěn)定化，Sb添加量優(yōu)選的是8%以下。另一方面，考慮將Sb濃度固定在7%，若Cu添加量為1 %，則液相線溫度為238°C以下，對于 焊接是有利的。但是若Cu添加量超過1 %，則液相線溫度急劇上升，在2%的Cu添加量下， 液相線溫度為280°C。因此，為了防止Cu添加量超過1 %，液相線溫度急劇上升，需要嚴格 管理Cu濃度。另外，關(guān)于液相線溫度的Cu添加量相關(guān)性，Sb添加量在6. 5%至8%的范圍 與Sb添加量為7%時相同。因此，無論在哪種Sb添加量下，Cu添加量都需要為以下。 如上所述，為了得到良好的焊接性，優(yōu)選的是Sb添加量為8%以下、Cu添加量為以下。 由于本實施方式所使用的第一焊錫30、32、34是Sn-7Sb-0. 6Cu,因此滿足上面的要件。說明“良好的機械特性”。圖13是說明SnSb合金的拉伸特性及伸長率與Sb含有 量的關(guān)系的圖。SnSb合金的拉伸強度或伸長率具有增加Sb添加量時增加傾向。但是，若 Sn添加量超過10%，則伸長率顯著下降。圖14是說明SnSb合金的低循環(huán)疲勞特性與Sb 含有量的關(guān)系的圖。圖14記載了以往使用的Sn-3.5Ag合金的低循環(huán)疲勞特性，用于參考。 從圖14可知，若SnSb合金的Sb添加量為7%至10%，則與Sn_3. 5Ag相比可以得到良好的 低循環(huán)疲勞特性。然而在Sn-15Sb或Sn-3.5Sb的情況下該特性下降。此處，本實施方式所 使用的第一焊錫30、32、34是Sn-7Sb-0. 6Cu。因此，具有良好的拉伸強度、伸長率、低循環(huán)疲 勞特性。本實施方式可以進行各種變形。例如，可以從上述記載可知，第一焊錫30、32、34 不限于Sn-7Sb-0. 6Cu。為了得到上述的所有效果，Sb添加量為6. 5%至8% (更優(yōu)選的是 7%至8% )，且Cu添加量為0. 5%以上至1 %即可。另外，與該范圍的組成對應(yīng)的固相線溫 度為 235°C至 238"C。例如，第二焊錫50為Sn-3Ag-0. 5Cu，但本發(fā)明不限于此。即，第二焊錫50可以是 液相線溫度為215°C左右至220°C的SnAg類或者SnAgCu類的無鉛焊錫。例如，以降低構(gòu)件成本為目的，可以使散熱器46無電解Ni鍍層。此時，除了添加 在第一焊錫34的Cu，散熱器46的Cu也有助于抑制Ni-P鍍層(Ni)剝離的效果。S卩，散熱 器46的Cu侵入第一焊錫34，使第一焊錫34的Cu添加量上升。此處，發(fā)明人通過實驗確認 了第一焊錫的Cu添加量在1. 6%左右飽和。這不僅在如第一焊錫那樣在Sn-7Sb添加Cu的 情況，在Sn-5Sb添加Cu的情況下也一樣。若Cu添加量在1. 6%飽和，則在Sn_5Sb時固相 線溫度和液相線溫度各自的溫度240°C、243°C變?yōu)?33°C、263°C，固相線溫度下降7°C ；但 在Sn-7Sb-0. 6Cu時，237°C、242°C變?yōu)?37°C >2630C0這樣，即使第一焊錫34的Cu添加量 增加到1. 6%，固相線溫度也是與Cu添加量為0. 6%時相同的值。因此，不會引起第一焊錫 34的再熔化?；谂c此相同的觀點，即使去除電路圖案16、18、20、背面圖案22的Ni-P鍍 層也可以維持237°C的固相線溫度。例如，在本實施方式中，電路圖案16、18、20和背面圖案22具有Cu的圖案，但不限 于此。使用Al來代替Cu時也不會損害本發(fā)明的效果。即，在由M-P鍍層覆蓋Al的結(jié)構(gòu) 的電路圖案、背面圖案的情況下，預(yù)想由于Ni-P鍍層的Ni的擴散會產(chǎn)生Ni-P鍍層剝離的 問題。在這樣的情況下，認為根據(jù)本發(fā)明所涉及的第一焊錫，可以防止Ni的擴散。
權(quán)利要求
1.一種功率半導體裝置，其特征在于，包括 襯底；元件用電路圖案，是形成于所述襯底上，由非電解Ni-P鍍層覆蓋Cu的結(jié)構(gòu)；以及 功率半導體元件，其通過焊錫與所述元件用電路圖案固接，所述焊錫是Sn和Sb和Cu的合金，且Cu的重量百分比是0. 5%以上1 %以下的任意值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導體裝置，其特征在于，所述合金的Sn的重量百分比是91%以上93%以下的任意值，Sb的重量百分比是 6. 5%以上8%以下的任意值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率半導體裝置，其特征在于，包括 端子用電路圖案，其形成于所述襯底上；以及端子，其利用端子用焊錫與所述端子用電路圖案固接，所述端子用焊錫是液相線溫度為215°C以上220°C以下的任意值的Sn-^Vg類或者 Sn-Ag-Cu類的無鉛焊錫，所述焊錫的固相線溫度是235°C以上238°C以下的任意值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導體裝置，其特征在于， 所述Ni-P鍍層的厚度是2 μ m以上3 μ m以下的任意值。
5.一種功率半導體裝置，其特征在于，包括 襯底；電路圖案，是形成于所述襯底上的無鍍層的Cu圖案；功率半導體元件，其通過以Sn和Sb和Cu的合金作為材料的焊錫與所述電路圖案固接；端子用電路圖案，其形成于所述襯底上；以及端子，其利用以Sn-^Vg類或者Sn-Ag-Cu類的無鉛焊錫作為材料的端子用焊錫，與所述 端子用電路圖案固接，所述焊錫的Cu的重量百分比是0. 5%以上1 %以下的任意值，固相線溫度是235°C以上 238 °C以下的任意值，所述端子用焊錫是液相線溫度為215°C以上220°C以下的任意值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率半導體裝置，其特征在于，包括背面圖案，其在所述襯底的與形成所述電路圖案的面相反的面形成；以及 散熱器，其利用與所述焊錫同一組成的焊錫與所述背面圖案固接， 所述散熱器是無鍍層的Cu。
7.—種功率半導體裝置的制造方法，其特征在于，包括準備在上表面形成有由M-P鍍層覆蓋Cu的結(jié)構(gòu)的元件用電路圖案、和端子用電路圖 案的襯底的工序；在所述元件用電路圖案涂敷第一焊錫的工序； 在所述第一焊錫上搭載功率半導體元件的工序；將所述第一焊錫熔化并將所述功率半導體元件固接到所述元件用電路圖案的第一回 流工序；在所述端子用電路圖案涂敷第二焊錫的工序；在所述第二焊錫上搭載端子的工序；以及將所述第二焊錫熔化并將所述端子固接到所述端子用電路圖案的第二回流工序， 所述第一焊錫是Sn和Sb和Cu的合金，Sn的重量百分比是91%以上93%以下的任意 值，Sb的重量百分比是6. 5%以上8%以下的任意值，Cu的重量百分比是0.5%以上以 下的任意值，所述第二焊錫是液相線溫度為215°C以上220°C以下的任意值的Sn-^Vg類或者 Sn-Ag-Cu類的無鉛焊錫，所述第二回流在小于235°C下進行。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種功率半導體裝置及其制造方法，以能夠不將電路圖案的非電解Ni-P鍍層的厚度厚膜化來抑制Ni-P鍍層中的Ni擴散至焊錫中，且可以提高可靠性及成品率。該功率半導體裝置包括襯底；元件用電路圖案，是形成于該襯底上，由Ni-P鍍層覆蓋Cu的結(jié)構(gòu)；以及半導體元件，其通過焊錫與該元件用電路圖案固接。而且，其特征在于，該焊錫是Sn和Sb和Cu的合金，且Cu的重量百分比是0.5％以上1％以下的任意值。
文檔編號H01L23/488GK102074536SQ20101052176
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者上島稔, 吉原邦裕, 西堀弘 申請人:三菱電機株式會社, 千住金屬工業(yè)株式會社