元件接合用基板及其製造方法
2023-09-18 08:37:20 1
專利名稱：元件接合用基板及其製造方法
技術領域：
本發明涉及用於接合·固定元件的基板及其製造方法。
背景技術：
伴隨行動電話或光通信等的普及，作為在高頻區域工作的高輸出·高耗電的GaAs系FET、Si-Fe系HBT、Si系MOSFET或GaN系雷射二極體等半導體元件安裝用基板的陶瓷基板因為高頻的介質損耗低，所以得到利用。該陶瓷基板中，氮化鋁燒結體基板的熱傳導率高，熱膨脹係數與半導體元件接近，所以特別受到關注。
通常，在氮化鋁燒結體等陶瓷基板上接合元件時，一般都是通過金屬化形成了牢固地接合於陶瓷基板的第一及第二基底金屬層後，在該基底金屬層上由Au、Ag、Pd、Pt等貴金屬形成電極層，再在該貴金屬電極層上焊接元件。Au由於導通電阻極低，且引線接合性良好，所以適用於電極層。作為上述元件的焊接法，從效率方面考慮，大多數情況下採用回流法，因此，必須預先在基板的電極層上形成用於接合元件的焊料層圖形。伴隨半導體裝置的高集成化，在該回流法用基板上，還必須採用薄膜技術在微小區域內以高精度形成需形成於基板的焊料層，焊料層一般由各種金屬薄膜層層疊形成，熔融時具有所希望的焊料組成。以下，將該焊料稱為薄膜層疊結構焊料，將在電極層上形成有該薄膜層疊結構焊料圖形的陶瓷基板簡稱為帶焊料層的陶瓷基板。
已知的有作為該帶焊料層的陶瓷基板中的焊料層使用了Au-Sn系薄膜層疊結構焊料的基板(參照專利文獻1及2)，使用了熔點為183℃的Sn-37重量％Pb共晶焊料或其中還添加了微量的異種金屬的焊料(以下，總稱為Sn-Pb共晶焊料)的薄膜層疊結構焊料的基板等(參照專利文獻3)。上述Sn-Pb共晶焊料作為最普及的電子工業用焊料被廣泛使用，利用薄膜層疊結構焊料(例如，交替層疊了Pb薄膜和Sn薄膜的焊料)能夠以強接合力接合元件。
另一方面，近年來認識到了鉛的毒性問題，開發出了不含鉛成分的所謂的無鉛焊料。從用無鉛焊料替代Sn-Pb共晶焊料的角度考慮，希望無鉛焊料具備與Sn-Pb共晶焊料同等的熔點，作為該無鉛焊料，已知的有在前述專利文獻1中所揭示的富錫Au-Sn焊料等。
專利文獻1日本專利特開2002-373960號公報專利文獻2日本專利特開平11-192581號公報專利文獻3日本專利特開平5-186884號公報發明的揭示但是，在前述專利文獻1所揭示的帶焊料層的陶瓷基板上焊接元件時，雖然初期的接合強度良好，但存在可靠性試驗(具體來講，將這些接合體在-55℃和125℃進行反覆暴露的熱循環試驗)後接合強度下降的問題，上述陶瓷基板具體是指在Au電極層上配置了選自Ag、Cu及Ni的至少1種金屬的金屬(以下稱為阻擋金屬層)，還具備作為主成分含有Sn或In的焊料層，特別是作為主成分含有Sn或In、且Au含量不足20重量％的金屬構成的焊料層的陶瓷基板。
因此，本發明的目的是提供接合強度的可靠性高的帶焊料層的陶瓷基板，所述焊料層具有無鉛薄膜層疊結構焊料。
本發明者認為，前述專利文獻1所揭示的帶焊料層的陶瓷基板在可靠性試驗後接合強度下降的原因可能是可靠性試驗後Au電極層和阻擋金屬層的密合強度下降，為了改善這兩層的密合性，嘗試配置已知作為粘接性金屬的Ti層。但是，這種情況下，帶焊料層的陶瓷基板和半導體元件接合時Ti層會開裂，在開裂部位Au電極層和阻擋金屬層直接接觸，這樣就無法獲得預期的效果。
因此，本發明者為了解決上述課題進行了進一步的研究，其結果是，在Au電極層上配置鉑族元素、然後在其上配置作為粘接性金屬的Ti等過渡金屬層、再於其上配置阻擋金屬層及無鉛焊料層時，低溫條件下就能夠進行元件的焊接，且此時的接合強度高，密合層也不會開裂，可靠性試驗後接合強度未下降。基於上述結果進行更進一步的探討後發現，該效果不僅限於使用了富錫Au-Sn系焊料的情況，對於In系焊料也奏效，特別是使用了Au含量不足20重量％的Sn或In系焊料時效果更明顯，籍此完成了本發明。
即，本發明1的元件接合用基板的特徵在於，在表面形成有Au電極層的基板的該Au電極層上依次層疊了(i)由鉑族元素形成的層，(ii)由選自Ti、V、Cr及Co的至少1種過渡金屬元素形成的層，(iii)由選自Ag、Cu及Ni的至少1種金屬形成的阻擋金屬層，以及(iv)由作為主成分含有Sn或In的焊料形成的焊料層。特好的是焊料層(iv)由作為主成分含有Sn或In、且Au的含量不足20重量％的焊料形成。
本發明的元件接合用基板中，作為在表面形成有Au電極層的基板，使用了在以氮化鋁為主成分的陶瓷基板上依次層疊了以Ti為主成分的第一基底金屬層、以Pt為主成分的第二基底金屬層及由Au形成的電極層的鍍金屬基板，該基板的特徵在於，不僅用於接合元件時的高頻的介質損耗低，且釋放此時產生的熱量的性能高。
本發明2的元件接合用基板的製造方法的特徵在於，在表面形成有Au電極層的基板的該Au電極層上依次形成(i)由鉑族元素形成的層，(ii)由選自Ti、V、Cr及Co的至少1種過渡金屬元素形成的層，(iii)由選自Ag、Cu及Ni的至少1種金屬形成的阻擋金屬層，以及(iv)由作為主成分含有Sn或In的焊料形成的焊料層。特好的是焊料層(iv)由作為主成分含有Sn或In，且Au的含量不足20重量％的焊料形成。
本發明3的元件接合基板的製造方法的特徵在於，在前述本發明的元件接合用基板的焊料層上配置具有電極的元件使該電極與前述焊料層接觸後，進行回流焊接，本發明4為利用上述方法製得的元件接合基板。利用上述本發明3的製法，能夠在例如不足280℃的低溫下以高精度有效地焊接元件，這樣製得的本發明4的元件接合基板可長期穩定地使用。
通過使用本發明的元件接合用基板，能夠在表面形成有Au電極的基板的Au電極上，用富錫Au-Su系焊料這樣的低熔點的軟焊料，於低溫條件下以高接合強度焊接半導體元件。此外，被這樣接合的本發明的元件接合基板即使使用時的溫差大，接合部位也很難被破壞，可長期穩定地使用。特別是作為基板使用了表面形成有Au電極的以氮化鋁為主成分的陶瓷基板的元件接合基板是除了具備上述特點之外，還兼具高頻的介質損耗低、釋放使用時產生的熱量的放熱特性良好的特點的極佳的元件接合基板。
附圖的簡單說明
圖1為具備代表性的本發明的元件接合用基板的截面的模式圖。
圖2為比較例2(焊料層厚度5μm)中的焊料熔融後的基板截面的SEM照片(組成圖像)。
符號說明100為元件接合用基板，200為表面形成有Au電極層的基板，201為氮化鋁燒結體基板，202為以Ti為主成分的第一基底金屬層，203為以Pt為主成分的第二基底金屬層，204為Au電極層，300為鉑族金屬層，400為特定過渡金屬層，500為阻擋金屬層，600為由作為主成分含有Sn或In且Au的含量不足20重量％的金屬形成的焊料層。
實施發明的最佳方式本發明的元件接合用基板通過在表面形成有Au電極層的基板的該Au電極層上依次層疊(i)由鉑族元素形成的層(以下也稱為鉑族金屬層)，(ii)由選自Ti、V、Cr及Co的至少1種過渡金屬元素形成的層(以下也稱為特定過渡金屬層)，(iii)由選自Ag、Cu及Ni的至少1種金屬形成的阻擋金屬層(以下也簡稱為阻擋層)，以及(iv)由作為主成分含有Sn或In的焊料形成的焊料層而製得。這裡，元件是指具有與其它的導電配線可直接連接的端子的電阻或電容器等電氣零部件及半導體元件。
用於本發明的元件接合用基板的「在表面形成有Au電極層的基板」只要是在其表面的一部分或整個面形成有起到電極的作用的由Au構成的層的基板即可，無特別限定，但從用於接合半導體元件時的高頻的介質損耗低的角度考慮，最好使用在氮化鋁、氧化鋁、SiC、Si3N4等陶瓷基板上或Si基板上通過金屬化形成了Au電極的鍍金屬基板。如前所述，這些鍍金屬基板中，Au電極層一般直接或間接地形成於與陶瓷基板牢固地接合的基底金屬層上，例如使用氧化鋁基板時，可採用在氧化鋁生片材上印刷鎢或鉬等高熔點金屬糊形成的電極圖形，同時對該圖形和生材片進行燒結後，根據需要在高熔點金屬層上形成鎳層，再於其上形成Au電極的鍍金屬基板。另外，使用以氮化鋁為主成分的陶瓷基板時，可採用在氮化鋁粉末中添加燒結助劑，成形後在經過燒結的基板的表面通過濺射法等形成基本與電極圖形相同形狀的以Ti為主成分的第一基底金屬層，然後在該第一基底金屬層上同樣通過濺射法等形成Au電極層而獲得的鍍金屬基板。從用於接合元件時釋放產生的熱量的放熱特性良好的角度考慮，本發明的元件接合用基板特別適合採用以上獲得的氮化鋁系鍍金屬基板。
本發明的元件接合用基板具備在上述Au電極層上依次層疊了(i)鉑族金屬層、(ii)特定過渡金屬層及(iii)阻擋金屬層的層疊結構。通過形成該層結構，在其上由富錫Au-Sn系焊料等低熔點的軟焊料形成焊料層進行焊接時，能夠在低溫下進行高接合強度的焊接，且其結合性具備能夠承受熱循環的高可靠性。如後所述，即使在成膜時形成了理想的膜的情況下，在其上形成其它的金屬層時有時作為基底的金屬層的形態也會發生變化。本發明所述的層疊和層疊結構不僅是指圖1所示的理想狀態，也包括上述成膜時的形態變化而出現部分紊亂的狀態(可以是至少一部分中的層疊或層疊結構)。
(i)鉑族金屬層是指由選自釕、銠、鈀、鋨、銥及鉑的至少1種元素構成的層，較好是由鉑及/或鈀構成的層，最好是由鉑構成的層。通過設置該層，在焊接時即使(ii)特定過渡金屬層發生開裂，阻擋金屬和電極中的Au也不會直接接合，可充分發揮(ii)特定過渡金屬層作為密合金屬層的效果。該層的厚度為0.1～5μm，特好為0.2～3μm。該層的厚度如果不足0.1μm，則效果不明顯，如果在5μm以上，則該效果與厚度為0.2～3μm時的效果幾乎沒有區別。該層最好覆蓋整個Au電極表面，但如果形成於其上的各種金屬層不與Au電極層直接接觸，則並不一定要覆蓋整個Au電極層。另外，因為在該層上形成其它的金屬層時的成膜條件，形成上部的層後該層的形態有時會發生變化(膜的均一性發生變化或部分合金化)，但只要不是該層成膜時通過目視可確認的重大缺陷就不會影響到效果。
(ii)特定過渡金屬層只要是由選自Ti、V、Cr及Co的至少1種過渡金屬構成的層即可，無特別限定，但從接合強度的可靠性考慮，較好的是Ti及/或Cr形成的層，特好的是由Ti形成的層。通過設置該層，可使焊接元件時的接合性提高，籍此提高接合的可靠性。該層的厚度為0.01～1μm，特好為0.03～0.5μm。該層的厚度如果不足0.01μm，則效果不明顯，如果在1μm以上，則其效果與厚度為0.03～0.5μm時幾乎沒有區別。另外，因為在該層上形成其它的金屬層時的成膜條件，形成上部的層後該層的形態有時會發生變化(膜的均一性發生變化，出現孔使上層的金屬和下層的金屬接觸或部分合金化)，但只要不是該層成膜時通過目視可確認的重大缺陷就不會影響到效果。
(iii)阻擋金屬層只要是由選自Ag、Cu及Ni的至少1種金屬形成的層即可，無特別限定，從效果的角度考慮，最好是由Ag形成的層。該阻擋金屬層的厚度為0.2～5μm，特好為1～3μm。該層的厚度如果不足0.2μm，則效果不明顯，如果在5μm以上，則其效果與厚度為1～3μm時幾乎沒有區別。
對在前述Au電極層上形成前述(i)～(iii)的各種金屬層的方法無特別限定，例如可通過濺射法、離子鍍法、蒸鍍法、CVD法、電鍍法實施。
形成有前述(i)～(iii)的各種金屬層的基板也可在焊接時供給焊料與元件接合，但本發明中，為了在規定位置以高精度接合元件，在阻擋金屬層上形成(iv)焊料層，更好的是僅在元件的接合預定部位形成(iv)焊料層。利用上述基板(帶焊料層的基板)，能夠精密地控制元件的搭載位置，可以方便地進行易於自動化的回流焊接。此時，作為在阻擋金屬層上形成焊料層時所用的焊料，因為前述阻擋金屬層的效果特別好、其本身較柔軟、可進行低溫下的焊接，所以使用「作為主成分含有Sn或In的焊料」，較好的是使用「作為主成分含有Sn或In且Au含量不足20重量％、特好是10重量％以下的金屬形成的焊料」。這種焊料具體可例示前述富錫Au-Sn系焊料、Sn100％焊料、Sn-Ag焊料、Sn-Bi焊料、Sn-Sb焊料、Sn-In焊料、In100％焊料、In-Au焊料(Au含量不足20重量％)、In-Ag焊料、In-Bi焊料、In-Sb焊料、In-Zn焊料及它們任意組合而成的焊料等。焊接元件時，由於焊料層會與基底的金屬(例如，阻擋金屬層的Ag)反應(合金化)或互相擴散，所以很難確定嚴格意義上的焊料層組成。這裡，本發明為了方便起見，將形成(iv)層的金屬作為焊料金屬處理。
其中，基於與元件接合後的模剪切(die shear)試驗的接合強度最高的理由，特好的是使用Au-Sn系焊料。另外，本發明的上述作為主成分含有Sn或In且Au含量不足20重量％的金屬形成的焊料中，從不易引起用於接合前述元件時的溫度變化導致的接合部位的破壞的觀點考慮，最好使用熔點不足280℃且彈性模量不足50GPa(25℃時)的金屬形成的焊料。
本發明的元件接合用基板中的上述焊料層可以由單一金屬或單一組成的合金形成的1層構成，也可以由不同種類的金屬(或者合金)形成的多個層的層積體構成，使各層熔融混合時形成滿足前述條件的組成。該焊料層的整體厚度為1～10μm，較好為2～6μm，特好為3～6μm。該層的厚度如果未滿1μm，則由於焊料的絕對量較少，所以有無法獲得足夠的接合強度的傾向，相反的，如果厚度超過10μm，則由於焊料量過多，接合後有時會發生焊料遮蓋元件的側面或上表面(半導體元件中也成為發光面)的不良情況。
對在前述阻擋金屬層上形成上述焊料層的方法無特別限定，例如可通過濺射法、離子鍍法、蒸鍍法、CVD法、電鍍法實施。
對在本發明的元件接合用基板上接合半導體元件等元件的方法無特別限定，可採用任何公知的焊接方法，但基於可有效地以高精度進行接合的理由，最好採用在作為帶有焊料的基板的本發明的元件接合用基板的焊料層上設置具有電極的元件使該電極與前述焊料層接觸後再進行回流焊接的方法。回流焊接是指預先向基板的規定焊盤上或元器件電極或雙方供給焊料，將元器件固定於基板上的規定位置後，熔解焊料(使焊料流動)而進行元器件和基板的接合的方法。上述方法中，對使焊料回流的方法無特別限定，可採用利用回流輸送機的方法、利用熱板的方法及氣相回流法等。此外，加熱溫度或加熱時間可根據所用的焊料的種類適當決定，在使用了本發明的元件接合用基板的情況下，由於對所用焊料的特性無不良影響，因此在例如使用了富錫Au-Sn系焊料的情況下，可在不足280℃的低溫下進行良好的焊接。
焊接的元件只要是具有由通過焊料可接合的金屬形成的電極的元件即可，無特別限定。一般的半導體元件中的上述電極大多數情況下由Au構成。焊接具有該Au電極的元件時，Au電極的Au原子雖然會擴散到焊料中，但如後面的實施例所示，焊接具有Au電極的元件時由於獲得了高接合強度，因此此時發生的擴散不會對接合強度造成重大影響。由於能夠防止這種擴散，所以最好使用具備可與焊料接觸的電極表面被選自Ag、Cu及Ni的至少1種金屬，特別是Ag覆蓋的電極的元件。
以下，例舉實施例及比較例對本發明進行更詳細地說明，但本發明並不僅限於這些實施例。
實施例1圖1所示的結構的元件接合用基板如下製作。圖1是表示具備代表性的本發明的元件接合用基板100的截面的示意圖，該基板100具備以下的構造，即，在氮化鋁燒結體基板201上依次層疊了以Ti為主成分的第一基底金屬層202、以Pt為主成分的第二基底金屬層203及Au電極層204而形成的基板200的Au電極層上，依次層疊(i)鉑族金屬層300和(ii)特定過渡金屬層400，在其上再層疊(iii)阻擋金屬層500及(iv)由Sn系或In系的Au含量不足20重量％的金屬形成的焊料層600。
首先，採用濺射裝置，通過濺射法在氮化鋁燒結體基板{50.8mm×50.8mm×t0.3mm(株)トクャマ制}的表面依次形成厚0.06μm的以Ti為主成分的第一基底金屬層、厚0.2μm的以Pt為主成分的第二基底金屬層及厚0.6μm的Au電極層後形成圖形。然後，在上述Au電極層上形成厚0.25μm的鉑族金屬Pt，形成圖形後，用真空蒸鍍裝置在上述Pt上形成厚0.06μm的Ti及2μm的Ag構成的阻擋層。接著，通過作為靶使用了Au及Sn的同時蒸鍍法，在上述阻擋層上由Au含量為10重量％的Au-Sn合金{熔點217℃及彈性模量45.0GPa(25℃時)}形成厚5μm的焊料層，籍此製得本發明的元件接合用基板。然後，在以上製得的元件接合用基板的焊料層上設置具有Au電極的半導體元件，用晶片焊接裝置於250℃進行接合，製得元件接合基板。同樣地製作40個元件接合基板，通過模剪切試驗器(IMADA公司制)測定其中的10個的接合強度，獲知平均接合強度為2.8kgf/mm2。然後，用TABAI公司的冷熱衝擊試驗箱(THERMAL-SHOCK-CHAMBER(TSV-40S))，對剩餘的30個接合體進行重複暴露於-55℃和125℃的熱循環試驗，在暴露100次後、500次後及1000次後每次各取出10個接合體，測定接合強度。其結果示於表1。
表1
實施例2除了利用作為靶使用了In{熔點156℃，彈性模量12.7GPa(25℃時)}的蒸鍍法形成厚5μm的焊料層以外，其它操作與實施例1同樣，製作元件接合用基板。此外，除了接合溫度為210℃以外，其它操作與實施例1同樣，製作元件接合基板。同樣地製作40個元件接合基板，與實施例1同樣測定接合強度，測得的平均接合強度為2.5kgf/mm2。另外，熱循環試驗後的結果示於表1。
實施例3除了將阻擋層的材質由Ag改為表1所示的金屬以外，其它與實施例1同樣，製作元件接合用基板及元件接合基板，並與實施例1同樣地測定接合強度。結果一併示於表1。
實施例4除了將焊料層的膜厚改為表1所示的膜厚以外，其它與實施例1同樣，製作元件接合用基板及元件接合基板，並與實施例1同樣地測定接合強度。結果一併示於表1。
實施例5除了將阻擋層的膜厚改為表1所示的膜厚以外，其它與實施例1同樣，製作元件接合用基板及元件接合基板，並與實施例1同樣地測定接合強度。結果一併示於表1。
實施例6除了將鉑族金屬層或特定過渡金屬層的材質改為表1所示的金屬以外，其它與實施例1同樣，製作元件接合用基板及元件接合基板，並與實施例1同樣地測定接合強度。結果一併示於表1。
比較例1除了未設置鉑族金屬層及特定過渡金屬層以外，其它與實施例1同樣，製作元件接合用基板及元件接合基板，並與實施例1同樣地測定接合強度。另外，對同樣構成但焊料層的膜厚發生了變化的情況進行評價。結果一併示於表1。如表1所示，未設置鉑族金屬層及特定過渡金屬層的情況下，可靠性試驗後的接合強度有些下降。
比較例2除了未設置鉑族金屬層以外，其它與實施例1同樣，製作元件接合用基板及元件接合基板，並與實施例1同樣地測定接合強度。結果一併示於表1。如表1所示，未設置鉑族金屬層的情況下，可靠性試驗後的接合強度有些下降。其原因如圖2所示，在熔融元件接合用基板的焊料時過渡金屬元素Ti開裂，Au電極層和阻擋金屬層在開裂部位直接接觸，因此與比較例1無大差別。
權利要求
1.元件接合用基板，其特徵在於，在表面形成有Au電極層的基板的該Au電極層上依次層疊了(i)由鉑族元素形成的層，(ii)由選自Ti、V、Cr及Co的至少1種過渡金屬元素形成的層，(iii)由選自Ag、Cu及Ni的至少1種金屬形成的阻擋金屬層，以及(iv)由作為主成分含有Sn或In的焊料形成的焊料層而構成。
2.如權利要求1所述的元件接合用基板，其特徵在於，焊料層(iv)由作為主成分含有Sn或In，且Au的含量不足20重量％的焊料形成。
3，如權利要求1或2所述的元件接合用基板，其特徵在於，表面形成有Au電極層的基板是在以氮化鋁為主成分的陶瓷基板上依次層疊了以Ti為主成分的第一基底金屬層、以Pt為主成分的第二基底金屬層及由Au形成的電極層的鍍金屬基板。
4.元件接合用基板的製造方法，其特徵在於，在表面形成有Au電極層的基板的該Au電極層上依次形成(i)由鉑族元素形成的層，(ii)由選自Ti、V、Cr及Co的至少1種過渡金屬元素形成的層，(iii)由選自Ag、Cu及Ni的至少1種金屬形成的阻擋金屬層，以及(iv)由作為主成分含有Sn或In的焊料形成的焊料層。
5.如權利要求4所述的元件接合用基板的製造方法，其特徵在於，焊料層(iv)由作為主成分含有Sn或In，且Au的含量不足20重量％的焊料形成。
6.元件接合用基板，其特徵在於，由權利要求4或5所述的製法製得。
7.元件接合基板的製造方法，其特徵在於，在權利要求1所述的元件接合用基板的焊料層上配置具有電極的元件使該電極與前述焊料層接觸後，進行回流焊接。
8.元件接合基板，其特徵在於，由權利要求7所述的方法製得。
全文摘要
本發明的目的是提供能夠在形成於氮化鋁等基板上的Au電極上用Au含量不足 10重量％的Au－Sn系焊料這樣的低熔點的軟焊料金屬進行低溫焊接、以高接合強度接合元件的元件接合用基板。本發明的元件接合用基板的特徵在於，在表面形成有Au電極層的基板的該Au電極層上依次層疊了(i)由鉑族元素形成的層，(ii)由選自Ti、V、Cr及Co的至少1種過渡金屬元素形成的層，(iii)由選自Ag、Cu及Ni的至少1種金屬形成的阻擋金屬層，以及(iv)由作為主成分含有Sn或In的焊料形成的焊料層而構成。
文檔編號H01L23/12GK1934688SQ20058000947
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月24日 優先權日2004年3月24日
發明者橫山浩樹 申請人:德山株式會社