接合材料、接合材料的製造方法及半導體裝置的製作方法

2023-05-26 09:15:06

專利名稱：：接合材料、接合材料的製造方法及半導體裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及接合材料的技術，特別是涉及在該接合材料的構造及製造方法以及在使用了該接合材料的半導體裝置、高功率半導體裝置、高功率模塊等上使用有效的技術。
背景技術：
：作為本發明者研究的技術，用圖1及圖2對使用了接合材料的半導體裝置進行說明，圖1是顯示現有半導體裝置的構造的圖。圖2是說明再熔融的焊料形成的溢出(flush)的圖。如圖1所示，半導體裝置7是如下製造的將半導體元件1通過焊料3接合在框架2上，通過金屬線4將引線5的內引線與半導體元件1的電極進行引線接合後，由封裝用樹脂6或惰性氣體進行封裝。該半導體裝置7是通過Sn-Ag-Cu系的中溫的無鉛焊料由回流焊焊接在印製基板上。Sn-Ag-Cu系無鉛焊料的熔點約220°C,較高，在進行回流接合時要設想接合部能加熱到最高260。C。因此，為了構成溫度梯度，在進行半導體裝置內部的半導體元件的管芯焊接時，需要使用有290。C以上的熔點的高鉛焊料。高鉛焊料作為構成成分含有85wt.%以上的鉛，與2006年7月開始施行的RoHS指令中禁止的Sn-Pb共晶焊料相比，對環境造成的負擔大。因此，急切期待著取代高鉛焊料的替代接合材料的開發。現在，由於已經開發出的Sn-Ag-Cu系等的焊料的熔點為260。C以下，所以，使用在半導體元件的管芯焊接上時，在二次實裝時(最高溫度260°C)，焊料會熔融。當使用樹脂將接合部周圍鑄型時，如果內部的焊料熔融，如圖2所示，由於熔融時的體積膨脹，焊料3會從封裝用樹脂6與框架2的界面漏出，稱為"溢出(flush)"。或者既便還沒有漏出也是要漏出狀動作，其結果，凝固後，成為在焊料中形成大的空隙8的不良品。作為替代材料的候補，在熔點方面報導了Au畫Sn、Au-Si、Au-Ge等的Au系焊料和Zn、Zn-Al系焊料及Bi、Bi-Cu、Bi-Ag等的焊料，正在全球推進著研究。但是，Au系的焊料作為構成成分含有80wt.。/。以上的Au，因成本方面問題而在通用性上有困難。Bi系焊料的熱傳導率約為9W/mK，比現行的高鉛焊料低，能夠推定難以在要求高散熱性的高功率半導體裝置及高功率模塊等上使用。另外，Zn及Zn-Al系焊料具有約100W/mK高的熱傳導率，但難以浸潤(特別是Zn-Al系焊料)，焊料硬，有在接合後的冷卻時半導體元件因熱應力而易損壞的問題。在專利文獻1(特開2002-358539號公才艮)和專利文獻2(特開2004-358540號公報)中，是通過做成l7wt.0/oAl、0.5-6wt.%Mg、0.120wt.%Ga、0細~0.5wt.0/0P、餘量為Zn，2~9wt.%Ge、2~9wt.%Al、0.001~0.5wt.%P、餘量為Zn，或2~9wt.%Ge、2~9wt.%Al、0.01~0.5wt.%Mg、0細0.5wt.%P、餘量為Zn，使Zn系焊料合金相對於Cu和Ni的浸潤性提高且熔點降低。但是，由於成分是Al和Mg,所以通過接合時的加熱，Al氧化物及Mg氧化物會在熔融部表面生成膜。由於這些膜會阻礙浸潤，所以如果不通過擦刷等機械性弄破膜，就有可能得不到充分的浸潤。另外，關於焊料的硬度，由於還沒有得到改善，所以不能期」降能夠改善接合後的冷卻時或溫度循環時的熱應力對半導體元件的破壞。在專利文獻3(特開2002-26110號公報)中，是通過在Zn-Al系合金的最表面設置In、Ag、Au層，抑制Zn-Al系合金表面的氧化，實現浸潤性的提高。但是，為了設置In、Ag及Au層，需要在Zn-Al表面實施鍍層及蒸鍍等的處理，涉及到材料製造的工序增加。另外，與上述同樣，在添加了In的場合有可能使硬度降低，不能期待抑制接合後的冷卻時的熱應力造成的半導體元件的破壞的效果。
發明內容本發明者考慮了是否能由Zn-Al系合金實現高鉛焊料的替代。在上述的現有技術中，沒有考慮到以下問題由於在Zn-AI系合金中含有Al，所以不能確保充分的浸潤性。由於要在Zn-Al系合金上進行表面處理，會增加材料製造時的工序。不能抑制接合後的冷卻時或溫度循環時的熱應力造成的半導體元件的破壞。本發明考慮到了這些問題，提供的接合材料能夠適用於接合具有260°C以上熔點的Zn-Al系合金，改善接合時的浸潤性，減少材料製造時的工序，提高對熱應力的接合可靠性。從本說明書的記載以及附圖中可以明確本發明的新穎'性特徵。如下簡單地說明本申請中公開的發明中的代表性的內容的概要。本發明提供一種在Al系合金層的最表面設置了Zn系合金層的接合材料。特別提供一種上述A1系合金層的Al含有率為99100wt。/。的接合材料或上述Zn系合金層的Zn含有率為卯100wt.。/。的接合材料。另外，本發明提供一種接合材料的製造方法，是將由在Zu系合金層上的Al系合金層以及在其上的Zn系合金層構成的接合材料，通過包層壓延或加壓成形來製造。另外，本發明還提供使用上述接合材料將半導體元件接合在框架上的半導體裝置(管芯焊接構造)、將金屬罩接合在基板上的半導體裝置(氣封構造)、通過凸起接合的半導體裝置(翻裝晶片構造)。圖l是顯示現有的半導體裝置的構造的圖。圖2是說明在圖1的半導體裝置上再熔融了的焊料而形成的溢出的圖。圖3是說明本發明的實施方式的包層壓延的圖。圖4是說明本發明的實施方式的加壓成形的圖。圖5是顯示本發明的實施方式中的接合材料的截面的圖。圖6是顯示在本發明的實施方式中使用了表1的接合材料(實施例112)的半導體裝置的截面的圖。圖7是顯示在圖6的半導體裝置中接合材料形成的接合部的截面照片的圖。圖8是顯示本發明的實施方式中使用了表1的接合材料(實施例13~24)的另外的半導體裝置的截面的圖。圖9是顯示圖6的半導體裝置中的接合材料一體型的金屬罩的圖。圖IO是顯示本發明的實施方式中的使用了表I的接合材料的另一個半導體裝置的截面及安裝構造的圖。具體實施例方式以下基於附圖詳細說明奔放的實施方式。另夕卜，在用於說明實施方式的全圖中，作為原則對同一的部件付與同一符號，並省略重複說明。本發明的實施方式的扭i要第1發明提供一種在Al系合金層的最表面設置了Zn系合金層的接合材料。由於Zn-Al系合金有Al成分，所以在熔融的瞬間，在表面形成A1氧化物膜，因此如果不機械性破壞氧化物膜就不能得到充分的浸潤性。由於本發明的接合材料的表面是僅作為雜物含有Al的Zn系合金，所以在接合時，能夠在Zn系合金與Al系合金反應形成Al氧化物膜之前確保充分的浸潤性。另外，由於在接合時熔融部為Zn-Al系合金，所以，熔點降至380。C左右。由此，由於比Zn的熔點420。C低，所以與純Zn相比，能夠減少接合後的冷卻時發生的熱應力，能夠抑制半導體元件的破壞。通過在接合時使A1合金層留存，較軟的Al可作為應力緩沖材料發揮功能，因此能夠提高接合可靠性。既便在接合時溫度不上升到Zn的熔點的420°C，只要是380。C以上的溫度，在相接觸的Zn層與Al層之間產生擴散，形成熔點380。C的Zn-Al共晶，由此能夠接合。第2發明是提供一種上述Al系合金層的Al含有率為99100wt。/。的接合材料。Al的純度越接近100%越變得柔軟，很容易得到應力緩沖功能。而在Al的純度不到99wt。/。的場合，由於0.2%屈服強度及硬度變硬，所以難以得到應力緩沖功能。0.2°/。屈服強度優選為30N/mm2以下。Al層的厚度優選做成30~200pm。在厚度為30pm以下的場合，由於不能充分緩衝熱應力，所以有時會發生晶片開裂。厚度為20(Him以上的場合，由於A1、Mg、Ag、Zn的熱膨脹率比Cu框架大，所以，熱膨脹率的效果變大，有時會造成晶片開裂發生等可靠性的降低。第3發明提供一種上述Zn系合金層的Zn含有率為90~100wt.%(從主要成分以外看，Al含有率不到0.01wt%)的接合材料。如果Zn系合金含有的Al為0.01wt。/o以上，則接合時由於在接合材料的表面Al氧化物膜的量增加，有可能不能得到良好的浸潤性。Zn系合金層的厚度優選做成5~100pm。在不到5pm的場合，難以確保接合部全區域的浸潤性。第4發明提供一種製造方法，在Zn系合金層上的Al系合金層之上再施加一層Zn系合金層，通過將這樣構成的接合材料通過包層壓延來製造。如圖3所示，使用軋輥103進行包層壓延後，Zn系合金層101a與Al系合金層102a在接觸的同時因壓力而發生很大的變形，由此，在Zn系合金層101a及Al系合金層102a的表面形成的氧化物膜破壞，通過新生面而金屬接合。在包層壓延中，在到Zn和Al的擴散變得顯著的溫度之前，不施加熱負荷。因此，Al不會在表面的Zn層上擴散到達最表層，在接合時能夠得到良好的浸潤性。第5發明提供一種製造方法，在在Zn系合金層上的Al系合金層上再施加一層Zn系合金層，通過將這樣構成的接合材料進行加壓成形來製造。如圖4所示，使用加壓成形機104進行加壓成形後，Zn系合金層101b與Al系合金層102b在接觸的同時因壓力而發生很大的變形，由此，在Zn系合金層101b及Al系合金層102b的表面形成的氧化物膜破壞，通過新生面而金屬接合。在加壓成形中，只要到Zn和Al的擴散變得顯著的溫度之前不施加熱負荷，Al就不會在表面的Zn層上擴散到達最表層，在接合時能夠得到良好的浸潤性。以下具體說明基於上述的第1~第5發明的實施方式及實施例。在此，主要是以通過半導體裝置、高功率半導體裝置、高功率模塊等的管芯焊接上使用的包層壓延製造的接合材料為例進行說明。實施方式圖5顯示本發明的實施方式中的接合材料的截面。本實施方式中的接合材料下面是Zn系合金層(也僅記載為Zn層或Zn)101、中間是Al系合金層(也僅記載為Al層、Al)102、最上面上是Zn系合金層(也僅記載為Zn層或Zn)101。該接合材料如上述的圖3所示，是通過將Zn系合金層101a、Al系合金層102a、Zn系合金層101a重疊壓延加工，即通過進行包層壓延來製造的。表l中顯示這樣製造的所有的接合材料(在此稱為包層材料)。包層材料1分別是l(Him厚度Zn層、50(im厚度Al層、lOpim厚度Zn層。包層材料2是20^im厚度Zn層、50pm厚度Al層、20|xm厚度Zn層，包層材料3是2(^m厚度Zn層、lOO(im厚度Al層、2(Him厚度Zn層。表1tableseeoriginaldocumentpage8實施例112實施例1~12如圖6所示，在半導體裝置11的管芯焊接上使用了接合材料10。該半導體裝置11具備半導體元件1;連接該半導體元件1的框架2;—端為外部端子的引線5;將該引線5的另一端與半導體元件1的電極接合的金屬線4;以及樹脂封裝半導體元件1及金屬線4的封裝用樹脂6;半導體元件1和框架2是由接合材料10接合的構成。在該半導體裝置11的製造中，在施加了純Cu或施加了M、Ni/Ag、Ni/Au鍍層的框架2上供給接合材料10，在疊層半導體元件1後，一面加壓一面在N2氛圍氣中按400。C、lmin.加熱，進行管芯焊接，屆時的接合部的截面如圖7所示。框架2與接合材料10的Al層之間成為在接合時通過Zn與Al反應形成的Zn-Al合金層。半導體元件1與接合材料10的Al層之間也同樣。其後，用金屬線4將半導體元件1與引線5之間進行引線接合，在18(TC下用封裝樹脂6進行封裝。關於實施例1~12(使用表l的包層材料l、2、3),對在管芯焊接時的浸潤性及將半導體裝置在最高溫度260。C以上進行了3次回流試驗後的接合維持性進行了評價，將其結果顯示在表2中。關於浸潤性，將相對於半導體元件的面積得到了90%以上的浸潤性的場合作為0，將不到90%、75%以上的場合作為A,將不到75。/。的場合作為x。關於260°C(最高溫度)的回流試驗，將回流試驗後的接合面積相對於回流試驗前的接合面積減少了5。/。以上的作為x,不到5。/。的場合作為o。tableseeoriginaldocumentpage9該評價的結果是在使用包層材料1、2、3(Zn/Al/Zn)的接合材料接合的場合，相對於M、Ni/Ag、Ni/Au鍍層的框架得到了卯°/。以上的浸潤性。但是，相對於純Cu的框架，浸潤性約為80%,為A。關於260。C的回流試驗，實施例1~12中的任一個在實驗前後接合面積都沒有變化。另一方面，在使用了現有的接合材料(Zn-6A1(wt.%)、Zn)的比較例1~4的場合，由於在熔融了的Zn-Al合金的表面形成了牢固的Al氧化物膜，所以相對於框架都為不到75%的浸潤性。特別是在純Cu、Ni鍍層的框架上，幾乎沒能浸潤。比較例5~8的場合是通過在Zn的熔點420。C以上的溫度下進行接合，得到了90%以上的浸潤性。但是，不能緩和在接合後的冷卻時由於半導體元件與Cu制框架的熱膨脹率差所產生的熱應力，發生了半導體元件的損壞。關於倖免於損壞的，在製造半導體裝置進行回流試驗時，發生了半導體元件的損壞。如上，根據實施例112,通過將本實施方式的接合材料10使用在半導體裝置11的管芯焊接上，由於在Al系合金層的最表面設置不含有0.01wt。/。以上的Al的Zn系合金層，在接合時能夠抑制接合材料的表面的Al氧化膜的形成，能夠得到在Zn-Al合金上得不到的良好的浸潤性。另外，在接合後存留有A1系合金層的場合，由於很軟的Al作為應力緩衝材料發揮功能，所以能夠得到很高的接合可靠性。實施例1324實施例13~24如圖8所示，作為需要氣封的半導體裝置21的封裝材料使用了本接合材料10a。該半導體裝置21包括半導體元件1;連接該半導體元件1的模塊基板23;—端為外部端子的引線5;將該引線5的另一端與半導體元件l的電極接合的金屬線4;以及將半導體元件1及金屬線4氣封，並接合在模塊基板23上的金屬罩22;模塊基板23和金屬罩22是由接合材料10a接合構成。另外，在該半導體裝置21的模塊基板23上還接合有晶片零件等。在製造該半導體裝置21時，是通過Sn系無鉛焊料3或導電性粘結劑、Cu粉/Sn粉複合材料等將半導體元件1及晶片零件等接合在模塊基板23上，之後，在模塊基板23與金屬罩22之間放置接合材料10a，一面在40(TC下加壓一面進行接合。另外，關於金屬罩，為了進行氣封，也可以如圖9所示，將科瓦鐵鎳鈷合金(kovar)、因瓦合金(invar)等的金屬合金24和Al系合金層102以及Zn系合金層101—起進行包層壓延加工，做成接合材料一體型的金屬罩22a。關於實施例13-24(使用表1的包層材料1、2、3)，表3顯示對管芯焊接時的浸潤性進行了評價的結果。關於浸潤性，將相對於封裝面積得到了可維持氣密的浸潤性的場合作為o，將因空隙、裂縫等而不能維持氣密的場合作為x。tableseeoriginaldocumentpage11該評價的結果是在用包層材料1、2、3(Zn/Al/Zn)的接合材料接合的場合，在Ni、Ni/Ag、Ni/Au鍍層的框架上得到了能夠充分維持氣密的浸潤性。但是，在純Cu的框架上由於未浸潤及空隙而成為x。另一方面，使用了現有的接合材料(Zn-6A1(wt.%))的比較例9~12的場合，由於在熔融了的Zn-Al合金的表面形成牢固的Al氧化物膜，所以未浸潤，並由於空隙而沒能氣封。如上，根據實施例13~24，通過使用本實施方式中的接合材料10a作為半導體裝置21的封裝材料，在接合時能夠抑制接合材料的表面的Al氧化膜的形成，能夠得到可充分維持氣密的浸潤性。在圖8所示的半導體裝置21上，也可以使用本接合材料10來取代無鉛焊料3對半導體元件1和模塊基板23進行接合，這種情況下，能夠得到與上述實施例1~12同樣的效果。其他的實施例其他的實施例如圖10所示，作為需要實裝翻裝晶片的半導體裝置31的凸起(bump)使用了本接合材料10b。該半導體裝置31具備半導體元件1,是由接合材料10b將該半導體元件1和實裝其的基板34接合而構成。在該半導體裝置31的製造時，將接合材料10b放置在將基板34的Cu配線35上施加了Ni或Ni/Au的鍍層36的凸起與在半導體元件1的Al配線32上施加了Zn鍍層33的電極之間，在380。C下一面加壓一面進行了接合。在另外的實施例中也是通過使用本實施方式中的接合材料10b作為半導體裝置31的凸起，能夠在接合時能夠抑制接合材料的表面的Al氧化膜的形成，得到良好的浸潤性。以上，基於實施方式具體說明了本發明者進行的發明，但本發明並不限於上述實施方式，當然也可以在不脫離其宗旨的範圍內進行各種變更。即在上述說明中，關於本發明的適用，以半導體裝置的管芯焊接為例進行了說明，但還能夠適用於各種要進行管芯焊接的半導體裝置。可例舉如交流發電機用二極體、IGBT模塊、RF模塊等的前端模塊、汽車用高功率模塊等。另外，在上述說明中，是以將半導體裝置回流焊實裝在模塊基板上的情況為例進行了說明，但當然也能夠適用於例如MCM(MultiChipModule)構成上使用的場合。如上，本發明的接合材料能夠在半導體裝置、高功率半導體裝置、高功率模塊等的半導體裝置的管芯焊接或氣封的封裝材料、翻裝晶片接合等上有效地使用。簡單地如下說明本申請中公開的發明中的代表性的發明取得的效果。根據本發明，由於使用在Al系合金層的最表面設置了Zn系合金層的接合材料，所以在接合時能夠抑制接合材料的表面的Al氧化膜的形成，能夠得到良好的浸潤性。另外，由於在接合後Al系合金層作為應力緩衝材料發揮功能，所以能夠得到很高的接合可靠性。其結果是能夠在接合中使用具有260。C以上熔點的Zn-Al系合金，能夠改善接合時的浸潤性，能夠減少材料製造時的工序，能夠提高相對熱應力的接合可靠性。權利要求1.一種接合材料，其特徵在於由Al系合金層和設置於上述Al系合金層的最表面的Zn系合金層構成。2.根據權利要求1所述的接合材料，其特徵在於上述Al系合金層的Al含有率為99100wt.%。3.根據權利要求1所述的接合材料，其特徵在於上述Zn系合金層的Zn含有率為90~100wt.%。4.一種接合材料的製造方法，其特徵在於通過在第一Zn系合金層上層疊A1系合金層，在上述A1系合金層上層疊第二Zn系合金層，然後進行包層壓延或加壓成形來製造。5.—種半導體裝置，其特徵在於，包括半導體元件；連接上述半導體元件的框架；一端成為外部端子的引線；連接上述引線的另一端和上述半導體元件的電極的金屬線；以及將上述半導體元件及上述金屬線進行樹脂封裝的樹脂；接合上述半導體元件和上述框架的接合材料是由Al系合金層和設置於上述Al系合金層的最表面的Zn系合金層構成的。6.—種半導體裝置，其特徵在於，包括:半導體元件；接合上述半導體元件的基板；一端成為外部端子的引線；接合上述引線的另一端與上述半導體元件的電極的金屬線；以及將上述半導體元件及上述金屬線進行氣封並連接在上述基板上的金屬罩；接合上述基板和上述金屬罩的接合材料是由Al系合金層和設置於上述Al系合金層的最表面的Zn系合金層構成。7.根據權利要求6所述的半導體裝置，其特徵在於接合上述半導體元件和上述基板的接合材料是由Al系合金層和設於上述A1系合金層的最表面的Zn系合金層構成。8.—種半導體裝置，其特徵在於具備半導體元件，將上述半導體元件和裝該半導體元件的基板進行接合的接合材料是由Al系合金層和設置於上述Al系合金層的最表面的Zn系合金層構成。全文摘要本發明提供一種接合材料及其的製造方法以及半導體裝置，在Al系合金層(102)的最表面設置了Zn系合金層(101)。該接合材料的上述Al系合金層(102)的Al含有率為99～100wt.％或上述Zn系合金層101的Zn含有率為90～100wt.％。通過使用該接合材料，在連接時能夠抑制接合材料的表面的Al氧化膜的形成，能夠得到用Zn-Al合金不能得到的良好的浸潤性。另外，在接合後存留有Al系合金層的場合，由於柔軟的Al作為應力緩衝材料發揮功能，所以能夠得到很高的接合可靠性。文檔編號B23K35/22GK101185991SQ20071018877公開日2008年5月28日申請日期2007年11月20日優先權日2006年11月21日發明者岡本正英,池田靖申請人:株式會社日立製作所