專利名稱：半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體裝置，特別涉及利用焊料來將半導體元件和支承板進行接合的技術。
背景技術：
由于世界各國對環(huán)境保護的意識增強，因此作為用于將電子元器件裝載于基板的焊料，主要普及有Sn-Ag-Cu系列的無1 焊料。但是，對于例如功率用IGBTansulated Gate Bipolar ^Transistor 絕緣柵雙極型晶體管)模塊的內(nèi)部接合材料，仍然在使用1 焊料。這是因為對于在用以將半導體元件固定于支承板的裝載部的內(nèi)部接合中使用的焊料，要求在將模塊和母板進行接合時的回流安裝溫度下不會熔融。若用于內(nèi)部接合的焊料因回流安裝溫度而再熔融，則產(chǎn)生模塊短路的問題?；亓靼惭b溫度一般為240°C ^KTC?；亓靼惭b也被稱為二次安裝。因此，尋求在回流安裝溫度下不會熔融的無1 焊料，例如在專利文獻1中，作為以滿足該要求為目的的焊料，記載有以Bi為主成分的高溫無1 焊料。該高溫無1 焊料含有約2wt % 約18wt %的量的Ag、約98wt % 約82wt %的量的Bi、以及到約1 OOOppm的量的鋅、鎳、鍺或它們的組合中的至少一種。此外，該高溫無1 焊料具有約沈2. 5°C以上的固相線和約400°C以下的液相線。另一方面，作為用于內(nèi)部接合的其他接合材料，例如在專利文獻2中，記載有導電性粘接劑。該導電性粘接劑是使^Vg填料和粒子狀樹脂成分混合分散、并利用揮發(fā)性溶劑來形成糊狀。Ag填料含有率最大為90%，熱導率最大為60W/(m · K)。專利文獻1 日本國專利特表2005-503926號公報專利文獻2 日本國專利特開2001-351929號公報

發(fā)明內(nèi)容
然而，上述專利文獻1所記載的焊料以Bi為主成分。因此，熱導率為9W/(m · K) 左右，比仍在市場上使用的1 焊料的熱導率(35W/(m · K)左右)要低。例如，在半導體元件的發(fā)熱源的下部放置有熱導率為9W/(m · K)左右的焊料，該半導體元件裝載于嵌入到電源電路中的功率用IGBT模塊，在此情況下，散熱性變差。由此，上述專利文獻1所記載的焊料具有不得不提高散熱性的問題。另一方面，上述專利文獻2所記載的導電性粘接劑是通過使Ag填料的調(diào)配比最大增加到90 %、以使熱導率最大上升到60W/ (Hi-K)0另外，一般的含有Ag填料的導電性粘接劑的熱導率為1. 0ff/(m · K) 1. 3ff/(m · K)。但是，隨著電子設備的高性能化，例如對于裝載于功率用IGBT模塊的半導體元件，要求控制目前以上的大電流。隨著該大電流化，半導體元件的發(fā)熱量增加2 3倍左右。因此，對于用于內(nèi)部接合的接合材料，要求熱導率為 70ff/(m.K) 100W/(m*K)。由此，上述專利文獻2所記載的導電性粘接劑具有不得不提高散熱性的問題。
本發(fā)明的目的在于解決上述問題。即，本發(fā)明的目的在于提供一種半導體裝置，能既確保半導體元件與引線框等支承板之間有足夠的接合強度，又提高來自半導體元件的發(fā)熱向支承板的散熱性，并能提高產(chǎn)品合格率。為了達到上述目的，本發(fā)明的半導體裝置的特征在于，包括支承板；形成于所述支承板上的電極表面處理層；半導體元件；以及焊料，該焊料在以Bi為主成分的第一金屬的內(nèi)部含有熔點高于所述第一金屬的第二金屬的粒子，并將所述電極表面處理層和所述半導體元件進行接合，在所述焊料的與所述半導體元件的中央部相對應的區(qū)域，所述第二金屬的組分比率高于所述第一金屬，在與所述中央部相對應的區(qū)域的外側(cè)的區(qū)域，所述第一金屬的組分比率高于所述第二金屬，在與所述中央部相對應的區(qū)域內(nèi)，所述第二金屬的組分比率為83. 8原子％以上。根據(jù)本發(fā)明，在半導體元件的中央部的下部配置有高熱導率的金屬，能使來自半導體元件的發(fā)熱有效地從接合材料即焊料散熱。因此，能既確保半導體元件與支承板之間有足夠的接合強度，又提高來自半導體元件的發(fā)熱向支承板的散熱性，并能提高產(chǎn)品合格率。


圖1是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序的流程圖，詳細而言，圖1(a) 圖1(e)是分別表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序中的一道工序的剖視示意圖，圖1(f)是與本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序相對應的流程圖。圖2是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序中的焊料的狀態(tài)變化的剖視示意圖，詳細而言，圖2(a) 圖2(c)是分別表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序中的焊料的狀態(tài)變化中的一個狀態(tài)的剖視示意圖。圖3是本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的示意圖，詳細而言，圖3(a)是本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的俯視示意圖，圖3(b)是沿圖3(a)所示的X-X’線的剖視示意圖。圖4是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序中、氧濃度與焊接不良發(fā)生率的關系的圖。圖5是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序中、焊料的放置載荷與第一金屬的熔出量的關系的圖。圖6是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序中、從電極表面處理層到軋制工具的距離與軋制率的關系的圖。圖7是本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置中的焊料的組分說明圖，詳細而言，圖7(a)是從橫向觀察本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置的橫向剖視示意圖，圖 7(b)是沿圖7(a)所示的S-S’線的縱向剖視示意圖。
具體實施例方式下面，參照附圖，具體說明本發(fā)明的實施方式。在本實施方式中，對利用以Bi為主成分的焊料來將半導體元件和支承板進行了接合的半導體裝置進行說明。
首先，對本實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序進行說明。圖1(a) 圖1(f) 是表示本實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序的流程圖。具體而言，圖1 (a) 圖1 (e) 表示各制造工序中的剖視示意圖，圖1(f)表示與各制造工序相對應而由步驟001 步驟 005示出的流程圖。該制造工序是用于制造具有熱傳導性優(yōu)良的裸芯片焊接(die bond)接合部的半導體裝置的工序。首先，利用圖1(a)來說明步驟001。在步驟001中，準備引線框101，作為支承板。 引線框101是Cu合金制的。由于Cu合金與熔融狀態(tài)的Bi的浸潤性較差，因此，在引線框 101上，需要由與熔融狀態(tài)的Bi的浸潤性較好的材料形成的電極表面處理層。因而，在步驟 001中，準備在電極部分形成有與Bi的浸潤性較好的電極表面處理層102的引線框101。接下來，利用圖1(b)來說明步驟002。在步驟002中，在引線框101的形成于電極部分的電極表面處理層102的上表面的重心部，放置有以Bi為主成分的焊料103。此處，對放置焊料103的方法進行說明。首先，為了使Bi穩(wěn)定并熔融，將引線框 101在比Bi的熔點271°C要高30°C以上的溫度下進行保溫。接下來，通過使吸附有一個焊料103的焊料吸附工具106移動，來將其所吸附的焊料103放置于電極表面處理層102的上表面的重心部。之后，解除焊料吸附工具106的吸附，撤除焊料吸附工具106。焊料103 在以Bi為主成分的第一金屬104的外周部，分散有熔點高于該第一金屬104且高熱導率的第二金屬105的粒子，從而形成雙層結(jié)構(gòu)。此處，利用圖2，對在將焊料103放置在電極表面處理層102上時的焊料103的狀態(tài)變化進行說明。圖2是表示本實施方式所涉及的半導體裝置的制造工序中的焊料的狀態(tài)變化的剖視示意圖。若如圖2(a)所示，將焊料103放置在加熱后的引線框101的電極表面處理層102 上，則如圖2(b)所示，焊料103的第一金屬104開始熔融。熔融后的第一金屬104從存在于焊料103的外周部的第二金屬105的粒子的粒子邊界間隙處熔出，并在電極表面處理層 102上浸潤。若再經(jīng)過一段時間，則如圖2(c)所示，焊料103的第一金屬104在電極表面處理層102上浸潤擴散，比重比第一金屬104要小的第二金屬105懸浮在焊料103的表面。 此時，第一金屬104以電極表面處理層102的上表面的重心部為中心而浸潤擴散。因而，浸潤擴散后的第一金屬104的表面的中心與電極表面處理層102的上表面的重心部相對應。 這樣，最終，浸潤擴散后的第一金屬104的表面的中央部的第二金屬105的粒子數(shù)、比該中央部周圍的第二金屬105的粒子數(shù)要多。另外，也可以在第一金屬中添加不對熔點帶來影響的程度的、Bi以外的金屬。例如，也可以對Bi添加0. 06重量％的量的Ge。接下來，利用圖1(c)來說明步驟003。在步驟003中，在引線框101的電極表面處理層102上對焊料103進行軋制。此時，以電極表面處理層102的上表面的重心部為中心， 對焊料103進行軋制。因而，軋制后的焊料103的中心與電極表面處理層102的上表面的重心部相對應。在該實施方式中，通過使軋制工具107下降，從而在電極表面處理層102上對焊料103進行軋制。接下來，利用圖1(d)來說明步驟004。在步驟004中，在軋制后的焊料103上放置半導體元件109。此時，放置半導體元件109，使得半導體元件109的下表面(與電極表面處理層102相對的面)的中心位于電極表面處理層102的上表面的重心部。在本實施方式中，通過使吸附有半導體元件109的半導體元件吸附工具108移動，來將其所吸附的半導體元件109放置于在電極表面處理層102上進行了軋制的焊料103上。在放置了半導體元件 109之后，解除半導體元件吸附工具108的吸附，撤除半導體元件吸附工具108。接下來，利用圖1 (e)來說明步驟005。在步驟005中，通過使焊料103冷卻凝固， 將引線框101上的表面電極處理層102和半導體元件109進行接合。接下來，說明本實施方式的半導體裝置。圖3 (a)及圖3(b)是本實施方式所涉及的半導體裝置的示意圖。具體而言，圖3(a)是半導體裝置的俯視示意圖，圖3(b)是沿圖3(a) 所示的X-X’線的剖視示意圖。如圖3(b)所示，在將半導體元件109和引線框101進行接合的裸芯片焊接接合部(焊料接合部)的中央部，第二金屬105的比例大于第一金屬104， 相反，在該中央部的外側(cè)，第一金屬104的比例大于第二金屬105。裸芯片焊接接合部的中央部是與半導體元件109的中央部相對應的區(qū)域。接下來，按照上述步驟的順序來說明本實施方式的一個實施例。另外，在本實施例中，制造了裝載有Si制半導體元件的功率用IGBT模塊。首先，利用圖1(a)來說明步驟001。在本實施例中，在引線框101上的頂面尺寸為4. 5mmX 5. 5mm的電極部分(未圖示)，通過電鍍法將Ag以3 μ m的厚度成膜，作為電極表面處理層102。另外，在本實施例中，雖然是將Ag以3μπι的厚度成膜作為電極表面處理層 102，但也可以利用作為與熔融狀態(tài)的Bi的浸潤性較好的金屬的Au、Ni、Co、Si，對于厚度， 考慮到1 μ m的成膜厚度偏差，在1 μ m以上即可。接下來，利用圖1 (b)來說明步驟002。此處利用的焊料103是直徑為Imm的球狀， 在球狀的第一金屬104的外周部分散有作為第二金屬105的平均粒子直徑為3 μ m的Cu粒子。第一金屬104的主成分是Bi。將該焊料103放置于電極表面處理層102的上表面的重心部。另外，根據(jù)由光學系統(tǒng)粒子直徑測定機所測定的粒子直徑和正圓度，來計算出Cu粒子的平均粒子直徑。作為球狀焊料的制造方法，一般已知有油中造粒法。油中造粒法例如記載于日本專利特開2000-3^112號公報中。在本實施例中，也利用了油中造粒法。具體而言，首先， 將組分均勻分散的鑄塊(ingot)狀態(tài)的Bi-8重量％ Cu的合金Ikg放入到坩堝(pot)中， 利用加熱單元將整個坩堝加熱到500°C。由于Cu、Bi的熔點分別是1083°C、271°C，因此，在坩堝內(nèi)僅有Bi熔融。接下來，利用坩堝前端的浸漬于油內(nèi)的、具有直徑為0. 5mm的開口部的噴嘴來噴射僅有Bi熔融后的合金，在油內(nèi)使合金以250°C /min的冷卻速度凝固。在該油內(nèi)的凝固過程中，Cu分散、偏析于熔融狀態(tài)的Bi的外周部，同時，Bi發(fā)生凝固。這是因為 由于Cu的熔點高于Bi，因此，Cu從所噴射的合金的內(nèi)部被推出到合金的外周部，Bi在合金的內(nèi)部凝固。如圖1(b)所示，通過上述方法所制造的焊料103成為在球狀的第一金屬104的外周部分散有作為第二金屬105的平均粒子直徑為3 μ m的Cu粒子的狀態(tài)。此外，焊料103 的直徑為Imm(允許誤差在士50 μ m以內(nèi)、工序能力指數(shù)Cpk = 3. 77)。在表1中示出通過油中造粒法所制造的焊料的實施例1 6和比較例1 6的各自的焊料組分、第一金屬的種類、第二金屬的種類、能否利用噴嘴來噴射焊料、焊料直徑、以及第二金屬的平均粒子直徑。另外，本實施例是表1的實施例1。通過觀察焊料的剖面來測量焊料直徑的數(shù)值。但是，對于實施例1 6及比較例5 6，利用具有直徑為0. 5mm的開口部的噴嘴，對于比較例1 4，利用具有直徑為0. 7mm 的開口部的噴嘴。[表 1]
權(quán)利要求
1.一種半導體裝置，其特征在于，包括 支承板；形成于所述支承板上的電極表面處理層； 半導體元件；以及焊料，該焊料在以Bi為主成分的第一金屬的內(nèi)部含有熔點高于所述第一金屬的第二金屬的粒子，并將所述電極表面處理層和所述半導體元件進行接合，在所述焊料的與所述半導體元件的中央部相對應的區(qū)域，所述第二金屬的組分比率高于所述第一金屬，在與所述中央部相對應的區(qū)域的外側(cè)的區(qū)域，所述第一金屬的組分比率高于所述第二金屬，在與所述中央部相對應的區(qū)域內(nèi)，所述第二金屬的組分比率為83. 8原子％以上。
2.如權(quán)利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，所述半導體元件的與所述電極表面處理層相對的面的外形是四邊形， 設其外形中的一方相對的兩邊的長度為2A、另一方相對的兩邊的長度為2B， 設連接長度為2B的兩邊的中點彼此之間的直線為X軸、連接長度為2A的兩邊的中點彼此之間的直線為Y軸，將X軸與Y軸的交點作為原點，以設定X-Y坐標面，在這種情況下， 在所述X-Y坐標面中，由-7A/10彡X彡7A/10、-7B/10彡Y彡7B/10來規(guī)定所述半導體元件的中央部。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于，所述第二金屬是熱導率處于35W/(m*K)以上且為427W/(m· 以下的范圍內(nèi)、熔點處于420°C以上且為1083°C以下的范圍內(nèi)的金屬。
4.如權(quán)利要求1至3的任一項所述的半導體裝置，其特征在于， 所述第二金屬是從Ag、Cu、Au、Al、Zn中選擇的至少一種金屬。
5.如權(quán)利要求4所述的半導體裝置，其特征在于，選擇Cu作為所述第二金屬，在與所述中央部相對應的區(qū)域內(nèi)，所述第二金屬的組分比率為84. 1原子％以上。
6.如權(quán)利要求4所述的半導體裝置，其特征在于，選擇Cu和Ag作為所述第二金屬，在與所述中央部相對應的區(qū)域內(nèi)，所述第二金屬的組分比率為84. 7原子％以上。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種既確保半導體元件與支承板之間有足夠的接合強度、又提高來自半導體元件的發(fā)熱向支承板的散熱性的半導體裝置。本發(fā)明所涉及的半導體裝置包括支承板；形成于所述支承板上的電極表面處理層；半導體元件；以及焊料，該焊料在以Bi為主成分的第一金屬的內(nèi)部含有熔點高于所述第一金屬的第二金屬的粒子，并將所述電極表面處理層和所述半導體元件進行接合，在所述焊料的與所述半導體元件的中央部相對應的區(qū)域，所述第二金屬的組分比率高于所述第一金屬，在與所述中央部相對應的區(qū)域的外側(cè)的區(qū)域，所述第一金屬的組分比率高于所述第二金屬，在與所述中央部相對應的區(qū)域內(nèi)，所述第二金屬的組分比率為83.8原子％以上。
文檔編號H01L21/52GK102292803SQ20108000556
公開日2011年12月21日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者中村太一, 北浦秀敏, 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