電子部件的安裝方法、半導體模塊及半導體器件的製作方法
2023-07-09 08:57:21 2
專利名稱：電子部件的安裝方法、半導體模塊及半導體器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子部件的安裝方法、半導體模塊及半導體器件。
背景技術：
通常，在PDC(個人數字蜂窩電話)方式的車載電話和攜帶電話、或PHS(個人手持電話系統)方式的攜帶電話所代表的攜帶通信設備中，裝入有高頻功率放大器。眾所周知，這種高頻功率放大器由半導體模塊構成，是將多個放大器多級連接的多級式放大器。
這種高頻功率放大器將一主表面上形成了放大器的半導體晶片搭載在布線基板的一主表面上，將形成於半導體晶片的一主表面上的電極和形成於布線基板的一主表面上的電極用導電性的焊線(wire)進行電連接。
這種高頻功率放大器例如為將多個場效應電晶體並聯連接的結構。作為高頻功率放大器的輸入部的柵極端子與形成於半導體晶片的一主表面上的晶片側輸入用電極電連接。
另一方面，作為高頻功率放大器的輸出部的漏極端子與形成於半導體晶片的一主表面上的晶片側輸出用電極電連接。晶片側輸入用電極被配置在半導體晶片的一邊一側，晶片側輸出用電極被配置在與半導體晶片的這一邊一側相對的另一邊一側。
高頻功率放大器的源極端子與形成於與半導體晶片的主表面相反的另一面(背面)上的背面電極電連接。背面電極被固定為基準電位。晶片側輸入用電極朝向半導體晶片的一邊，經由輸入用焊線與形成於布線基板的主表面上的基板側輸入用電極電連接。晶片側輸出用電極朝向半導體晶片的另一邊，經由輸出用焊線對形成於布線基板的所述主表面上的基板側輸出用電極進行電連接。
具體的半導體模塊記載在非專利文獻1(日立評論社發行『日立評論』1993年第4號、同年4月25日發行、P12～P26)中。該半導體模塊(高頻功率放大器用MOS功率模塊)將功率MOS裝入為三級，以提高輸出。
此外，在上述文獻中，介紹了各種封裝(密封)形態的半導體模塊。裝入於攜帶電話中的半導體模塊為了小型化而採用金屬蓋和表面封裝方式。
採用了這樣的金屬蓋(以下稱為帽)和表面封裝方式的現有的半導體模塊的構造示於圖15。玻璃陶瓷基板202通過焊料(未圖示)被固定在矩形板狀的散熱凸緣201的主表面(上表面)上。
在該基板202的主表面(上表面)上，搭載了功率MOSFET(未圖示)等有源部件和電阻、電容器(未圖示)等的無源部件。MOSFET等的有源部件和外部端子通過焊線鍵合法來連接。
此外，在散熱凸緣201上安裝帽203，以覆蓋玻璃陶瓷基板202的主表面。在帽203的一側面上設有開口部分，通過該開口部分來安裝其內端被固定在玻璃陶瓷基板202上的引線204。從散熱凸緣201的側緣起，將表面用散熱片205以臺階狀僅向外突出一段來配置。
表面用散熱片205具有將熱傳遞到封裝了高頻功率模塊206的未圖示的底架上作用，同時帶有接地管腳。散熱凸緣201通過在設置於玻璃陶瓷基板202中的通孔內填充的導體而與玻璃陶瓷基板202的主表面的接地布線電連接。
專利文獻1(特開平10-50926號公報)中，公開了以下散熱模塊在電路板的凹部容納具有散熱性的電路部件，通過在電路板的焊區電極上焊接電路部件的焊料突點、以及將這樣得到的電路板經由導熱部件搭載在主電路板上，而且將電路板的側面上設置的端子電極焊接在主電路板上的焊區電極上，從而將來自電路部件的發熱傳遞到主電路板來散熱。
另一方面，在作為被用於逆變器等中的功率半導體器件之一的非絕緣型半導體器件中，固定半導體元件的部件也是半導體器件的電極之一。例如，在將功率電晶體使用Sn-Pb類釺焊材料搭載在固定部件(例如銅-二氧化銅複合材料)上的裝置中，固定部件(基底材料)也是功率電晶體的集電極。
實際運轉時流過數安培以上的集電極電流，此時電晶體晶片發熱。為了避免該發熱引起的特性不穩定和壽命降低，基底材料必須在散熱上優良，並且必須可確保釺焊部的可靠性。就確保釺焊部的可靠性來說，需要半導體元件和固定部件的熱膨脹率的匹配。
即使在絕緣型半導體器件中，為了使半導體元件安全並且穩定地工作，也需要使半導體器件工作時產生的熱高效率地散熱到封裝的外部、以及確保釺焊部的可靠性。
為了使上述條件清楚，在專利文獻2(特開平8-11503號公報)中，公開了將在貼銅AIN基板上搭載了Si晶片的組件通過焊料而釺焊在Mo構成的支承部件上，並一體化的半導體電流控制器件。在該技術中，貼銅AIN基板被釺焊在熱膨脹率與其近似的Mo支承部件(5.1ppm/℃)上，所以這些部件間的焊料接合部具有優良的可靠性。
在專利文獻3(特公平7-26174號公報)中，公開了將在氧化鋁基板上搭載了晶閘管晶片的組件搭載在由Al或Al合金中分散了SiC陶瓷粉末的複合材料構成的支承部件上的半導體模塊器件。在該技術中，氧化鋁基板(7.5ppm/℃)被搭載在熱膨脹率與其近似的Al/SiC複合材料支承部件(2～13ppm/℃)上，所以這些部件間的接合部具有優良的可靠性。
(日立評論社發行『日立評論』1993年第4號、同年4月25日發行、P12～P26)[專利文獻1]特開平10-50926號公報[專利文獻2]特開平8-11503號公報[專利文獻3]特公平7-26174號公報現有的半導體模塊，如圖15所示，由散熱凸緣201和帽203構成的半導體模塊206本體部分的尺寸例如被小型化到長21mm、寬10mm、高度3.7mm。
但是，在半導體模塊206的周圍，例如具有長度2mm左右的表面用散熱片205。該表面用散熱片205被分別設置在高頻功率模塊206的三邊，所以成為進一步縮小安裝面積的阻礙。
此外，將上述有源部件和外部布線進行連接的鍵合焊線成為降低半導體模塊的高度、即進一步薄形化的阻礙。
此外，上述公報中展示的模塊，所述電路基板和電路部件及電路部件和主基板的接合都使用Sn類釺焊接合，難以在它們的接合溫度上設置層次。
另一方面，搭載了功率半導體元件的半導體器件，在釺焊材料上使用以Sn-Pb共晶材料為首的低熔點的Sn類材料，所以不能在高溫環境下(例如大於等於180℃)使用半導體器件。
發明內容
本發明提供可以實現安裝面積的縮小、薄形化的電子部件的安裝方法、半導體模塊及半導體器件。
而且，本發明提供即使在高溫環境下，也不損失長期可靠性的電子部件的安裝方法、半導體模塊及半導體器件。
本發明的一個課題解決方式是一種電子部件的安裝方法，將形成於基板上的電極和形成於電子部件上的電極進行接合，所述接合通過凝聚了至少一種金屬粒子的金屬層來進行接合。而且，最好是所述金屬粒子以平均粒徑為1～50nm來構成。而且，最好是構成為其厚度為5～100μm的金屬層。
最好是所述金屬粒子由Au或Au合金、或者Ag或Ag合金構成。
此外，最好是所述金屬粒子由核和在該核的表面上實施鍍敷而構成。而且，所述核為Ni粒子，在該核的表面上鍍敷Au或Au合金、或者Ag或Ag合金。或者，作為所述核，取代Ni粒子，形成為具有在該核的表面上塗敷粒子混合物後、在乾燥和接合工序的溫度下不產生變形及分解特性的核。或者，所述核為Cu粒子，在該核的表面上實施Ni鍍敷，並在其表面層上鍍敷Au或Au合金、或者Ag或Ag合金。或者，作為所述核，取代Cu粒子，形成為具有在該核的表面上塗敷粒子混合物後、在乾燥和接合工序的溫度下不產生變形及分解特性的核。
此外，本發明的一個課題解決方式包括向具有在表面上形成了Au或Au合金金屬層的電極的基板上塗敷包含了由Au或Ag中至少一種金屬構成的、平均粒徑為1～50nm的金屬粒子的液體的工序；在塗敷後進行加熱，在所述Au或Au合金的電極上形成所述金屬粒子的凝聚區域的工序；以及加熱後進行冷卻，從而在所述金屬粒子的凝聚區域上搭載電子部件，然後以50～300℃的溫度再次進行加熱而使所述金屬粒子和所述電子部件接合，將所述基板上的布線和所述電子部件進行電連接的工序。
此外，本發明的一個課題解決方式包括在表面上具有電極的基板上形成疏水層的工序；在所述電極的預定區域中設置除去了所述疏水層的區域的工序；在除去了所述疏水層的區域中塗敷包含了由Au或Ag中至少一種金屬構成的、平均粒徑為1～50nm的金屬粒子的液體的工序；在塗敷後進行加熱，從而將所述Au或Au合金在電極上形成所述金屬粒子的凝聚區域的工序；以及加熱後進行冷卻，從而在所述金屬粒子的凝聚區域上搭載電子部件，然後以50～300℃的溫度再次進行加熱而使所述金屬粒子和所述電子部件接合，將所述基板上的電極和所述電子部件進行電連接的工序。
而且，最好所述疏水層包括非晶含氟聚合體，並且非晶含氟聚合體在分子內具有全氟聚醚鏈和烷氧基矽烷殘基，或具有氟代烷基鏈和烷氧基矽烷殘基，所述疏水層包括非晶含氟聚合體，並且非晶含氟聚合體在分子內具有全氟聚醚鏈和烷氧基矽烷殘基，或具有氟代烷基鏈和烷氧基矽烷殘基。
此外，本發明的一個課題解決方式為在基板的一表面側設置凹部，同時在所述凹部的底面上形成平均粒徑為1～50nm且從Au、Au合金、Ag、Ag合金中選擇的至少一種微粒構成的金屬層，並通過所述金屬層與設置在電子部件的一個表面側上的端子連接。
此外，本發明的一個課題解決方式為形成於基板上的電極和形成了電極的電子部件通過凝聚了至少一種金屬粒子的金屬層而接合。而且，最好是形成於基板上的電極和形成了電極的電子部件通過由Au或Ag中至少一種金屬構成的、平均粒徑為1～50nm的粒子所形成的金屬層而接合。
而且，本發明的一個課題解決方式是一種半導體模塊，具有多個半導體元件通過第一連接材料連接到形成了電極的基板上且該基板通過第二連接材料連接到外部安裝基板上的結構，所述第二連接材料是凝聚了Au或Ag中至少一種金屬粒子的金屬層。而且，最好是所述第二連接材料是以Sn作為主體的焊料和無鉛焊料的二者之一。
而且，本發明的一個課題解決方式是形成一種半導體器件，形成於基板表面上的電極和表面上形成了電極的電子部件通過由Au或Ag中至少一種金屬構成的、平均粒徑為1～50nm的金屬粒子和1～100μm的金屬粒子所構成的層而接合。而且，最好是形成一種半導體器件，平均粒徑為1～100μm的金屬粒子通過在鎳粒子表面上形成Au或Au合金層而構成，或者平均粒徑為1～100μm的粒子表面上結合有平均粒徑為1～50nm的微粒。
根據本發明，可以提供能夠實現安裝面積的縮小、薄形化的電子部件的安裝方法、半導體模塊及半導體器件。
此外，根據本發明，可以提供即使在高溫環境下，也不損失長期可靠性的電子部件的安裝方法、半導體模塊及半導體器件。
圖1是表示實施例1的半導體模塊結構的概略圖。
圖2是表示實施例1的半導體模塊的局部詳細構造的詳細圖。
圖3是圖2的MOSFET元件和基板1的接合部的放大圖。
圖4是從對玻璃陶瓷基板的MOSFET搭載至對玻璃陶瓷基板的電路板的搭載的製造流程。
圖5是MOSFET元件和基板1的接合部的放大圖。
圖6是表示一例將凝聚層用作接合層的半導體元件的縱剖面圖。
圖7是對玻璃陶瓷基板的MOSFET搭載流程。
圖8是採用本實施例的半導體模塊的攜帶電話的電路方框圖。
圖9是表示本發明實施例之一的絕緣型半導體器件構造的圖。
圖10表示圖9所示的本發明絕緣型半導體器件的局部裝配部。
圖11是說明陶瓷絕緣基板的細節的平面圖和剖面圖。
圖12是本實施例絕緣型半導體器件的電路的說明圖。
圖13是表示本發明另一實施例的絕緣布線基板的概略圖。
圖14是表示本發明又一實施例的絕緣布線基板的概略圖。
圖15是表示以往例的圖。
圖16是本發明另一實施例的絕緣型半導體器件的局部裝配部概略圖。
圖17是圖16的半導體元件和端子及布線接合部的放大圖。
圖18是元件和基板的接合部放大圖。
圖19是元件和基板的接合部的另一實施例的放大圖。
圖20是表示本發明另一實施例的立體圖和剖面概略圖。
圖21是對有機多層基板的元件搭載流程圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖來說明本發明的實施方式。
(實施例1)圖1是表示本發明一實施例的半導體模塊100的結構的概略圖，圖2是沿圖1的A-A』線的縱剖面圖。本實施例的半導體模塊的厚度約0.45mm。
在圖1及圖2中，玻璃陶瓷製的基板1為多層構造，在層間形成傳輸布線107並形成有電容器、電阻、電感器等的無源元件。此外，在基板1中，形成用於安裝用半導體材料構成的MOSFET元件101的凹部102。
基板1被安裝在電路板103上。Au突點104用於將MOSFET元件101和基板1電連接，由平均粒徑5nm的粒子構成。電極108形成於電路板103上，通過Sn類焊料106與基板1電連接。在基板1上，電容器、螺線管、電阻等無源部件111通過金屬焊料(未圖示)來搭載。環氧樹脂110覆蓋被搭載在基板1上的電容器、螺線管、電阻等無源部件111及MOSFET元件101。
圖3是圖2的MOSFET元件和基板1的接合部的放大圖，即，是表示Au突點104的接合部細節的圖。Au突點104由平均粒徑5nm的粒子構成，覆蓋電極501。由Au覆蓋了形成於基板1上的表面的Ni制電極501在基板1內部與布線107、106連接。MOSFET上形成的電極502的表面被Au覆蓋。
再有，本實施例的半導體模塊指MOSFET元件101、安裝了MOSFET元件101的基板1、基板1上搭載的電容器、螺線管、電阻等的無源部件111、以及為覆蓋基板1上搭載的無源部件111及MOSFET元件101而形成的環氧樹脂110所構成的集合體。
下面，參照圖1和圖2來說明有關本實施例的半導體模塊的製造方法。
首先，製備通過燒結法而形成了傳輸布線及所述無源部件的多層構造的玻璃陶瓷基板1(厚度0.30mm)。在玻璃陶瓷基板1中，在玻璃陶瓷基板1的形成加工時同時形成其尺寸為可安裝MOSFET程度的凹部102(圖2)。
在凹部102的MOSFET搭載面上形成電極，其表面被鍍敷Au。在搭載了電容器、螺線管、電阻等無源部件111一側的表面上形成電極，以應對電容器、螺線管、電阻等的部件搭載。
下面，參照圖4，說明從對玻璃陶瓷基板1的MOSFET搭載至對玻璃陶瓷基板1的電路板的搭載的製造流程。
首先，在玻璃陶瓷基板1的形成了凹部102的表面上，在形成了Au薄膜的Ni電極上使用噴墨法來塗敷包含了平均粒徑5nm的Au粒子的溶液(圖4(a)、圖4(b))。然後進行乾燥，使Au粒子形成的凸狀電極(突點)形成在Ni電極上(c)。在乾燥時，也可以施加30℃～80℃左右的熱。
使MOSFET配置在該Au突點上，在上述玻璃陶瓷基板的凹部中連接MOSFET(c)、(e)。此時將80℃左右的熱施加60分鐘。接著，在玻璃陶瓷基板上的預定位置上通過包含90wt％的Pb、10wt％的Sn的膏狀焊料來配置電容器、螺線管、電阻等的無源部件。與將MOSFET搭載後的氧化鋁基板搭載在電路板上時使用的Sn為主體的膏狀焊料相比，以Pb為主體的膏狀焊料的熔點高。
接著，在330℃左右的溫度下焊接安裝電容器、螺線管、電阻等的無源部件111(g)。接著，在玻璃陶瓷基板1上搭載的電容器、螺線管、電阻等的無源部件111上，使用預定的模具來流入環氧樹脂110，保持該狀態在120℃左右的高溫下使環氧樹脂110固化。
接著，在與玻璃陶瓷基板1的電路板搭載部對應的電極上，絲網印刷Sn類焊料膏。此時的Sn類焊料膏的厚度約為500μm。接著，在印刷了Sn類焊料膏的電路板103上，進行定位配置，以使搭載了MOSFET的玻璃陶瓷基板1位於預定的位置，然後，使其通過峰值溫度為250℃的回流爐(h)。由此，結束對搭載了MOSFET的玻璃陶瓷基板1的電路板103的搭載，完成本實施例的高頻功率模塊(i)。
在本實施例中，電容器、螺線管、電阻等的無源部件111的搭載中使用的膏狀焊料是主成分為Pb的焊料，其熔點比Sn類焊料高，所以在玻璃陶瓷基板1的搭載時沒有再熔融。
不使用Pb主體的焊料，與MOSFET搭載同樣，使用Au納米粒子層進行連接也可以。這種情況下，MOSFET和無源部件111同時進行搭載。再有，高頻功率模塊與同一電路板103上搭載的其他任何部件相比，最好是其高度低。
再有，在搭載了MOSFET的玻璃陶瓷基板1的凹部102中，為了避免機械撞擊和溼氣等為原因的化學變化而保護MOSFET，最好是填充樹脂。
此外，圖1和圖4是本發明的一實施例，各元件的配置不限於此。
此外，MOSFET這樣的有源部件也可以搭載多個。
在本實施例中，也可以使用氧化鋁製、氮化鋁製、玻璃制、以及有機材料制的多層布線基板來取代玻璃陶瓷基板1。此外，在本實施例中，也可以在基板的集成電路元件搭載部中設置凹部102。而且，也可以是覆蓋金屬和樹脂制的蓋來取代環氧樹脂的構造。
由Au納米粒子構成的突點也可以形成在MOSFET那樣的集成電路元件上的電極上。這種情況下，Au納米粒子凝聚層為圖5所示的形狀。圖5是表示MOSFET元件和基板1的接合部的放大圖，即是表示Au突點104的接合部細節的圖。
Au突點104由平均粒徑5nm的粒子構成。Ni制電極501形成在基板1上，其表面被Au覆蓋，在基板1內部與布線107、106連接。MOSFET上形成的電極502的表面被Au覆蓋。Au突點104形成為覆蓋電極502。
如以上說明，本發明是應用了將Au納米粒子凝聚在Au電極上的新的自然現象的安裝技術。將該凝聚層作為接合層來應用。此時，由於在將MOSFET這樣的半導體元件搭載在基板上時可不附加載荷進行接合，所以還可以對形成了用於構成半導體元件的電子電路的布線的區域(有源區域)上的電極進行接合。
圖6是表示其一例的圖，在半導體元件602的有源區域整體面上形成表面為Au的電極焊盤604，通過Au納米粒子形成的突點606，將基板608上形成的表面與Au的電極焊盤610連接。Au納米粒子的突點形成、以及半導體元件和基板的連接按與上述同樣的方法進行。
因此，可將以往設置在有源區域之外的接合用電極設置在有源區域上，可以提供半導體元件的小型化、安裝面積縮小、薄形的半導體器件和電子裝置。而且，不產生接合損傷。因而可大幅度地提高生產合格率。此外，在本發明的納米粒子接合法中，構成了接合層的納米粒子層呈現固體金屬或固體金屬合金的性質，與Au和Ag同樣具有高熔點。因而接合層在上述接合溫度下沒有再熔融。因此，如本實施例那樣，即使在將玻璃陶瓷基板1搭載在電路板103上時使用高熔點的焊料，也沒有再熔融。在通過鍍敷突點、柱狀突點法形成的Au突點的固相接合中，在接合時需要施加機械的外力(加壓、超聲波振動)。對元件的有源區域上的接合因產生鍵合損傷而不能進行。
而在本實施例中，在將玻璃陶瓷基板1搭載在電路板103上時使用了高熔點的焊料，但這裡也可以使用納米粒子凝聚層。如果將玻璃陶瓷基板1搭載在電路板103上的二次安裝時的部件為本發明的納米粒子凝聚層，則可在80℃左右的低溫下進行連接，因而不必擔心將MOSFET等元件搭載在基板上的焊料的再熔融，作為一次安裝用的焊料，也可使用低熔點的焊料，所以材料的選擇範圍廣。
以往，在使用無鉛焊料的情況下，難以使二次安裝的安裝溫度達到無鉛焊料的熔點以下，存在二次安裝時的再熔融的課題，而通過將本發明的納米粒子凝聚層用作二次安裝用的連接材料，沒有二次安裝時的再熔融，可以採用無鉛焊料作為一次安裝用的焊料。
再有，元件的對基板的安裝方式不限於本實施例中說明的倒裝片構造，也可以為用焊線鍵合等來連接元件和基板的構造。此外，在一次安裝時的連接材料和二次安裝時的連接材料兩者中都可以採用本發明的納米粒子凝聚層。這種情況下，由於可在低溫下進行連接，所以可以抑制對基板和元件等部件的熱變形。此外，納米粒子凝聚層在抗腐蝕性上也優良，可以獲得連接可靠性高的半導體器件。
這樣，本發明的納米粒子凝聚層可應用於電子電路裝置中使用的連接部件。此外，可採用本發明的半導體器件涉及高頻模塊、多晶片模塊(封裝上的系統)、網格焊球陣列、片上安裝等多個領域。
(實施例2)參照圖1和圖2來說明本實施例的半導體模塊的製造方法。
首先，製備通過燒結法而形成了傳輸布線及所述無源部件的多層構造的玻璃陶瓷基板1(厚度0.30mm)。在玻璃陶瓷基板1中，在玻璃陶瓷基板1的形成加工時同時形成其尺寸為可安裝MOSFET程度的凹部102。
凹部102的深度為MOSFET搭載後MOSFET的背面與玻璃陶瓷基板1的MOSFET搭載側的表面相同的高度的尺寸。在凹部102的MOSFET搭載面上形成金屬布線，表面被鍍敷Au。在搭載了電容器、螺線管、電阻等的無源部件111一側的表面上形成有電極布線，以應對電容器、螺線管、電阻等的無源部件111的搭載。
下面，參照圖7的玻璃陶瓷基板凹部102的放大概略圖，說明對玻璃陶瓷基板1的MOSFET搭載流程。
首先，在玻璃陶瓷基板1的凹部102的MOSFET搭載面上形成疏水膜。疏水膜例如由非晶含氟聚合體構成，非晶含氟聚合體使用在分子內具有全氟聚醚鏈和烷氧基矽烷殘基或具有氟代烷基鏈和烷氧基矽烷殘基的非晶含氟聚合體。
接著，通過雷射曝光法來剝離在形成了玻璃陶瓷基板1的凹部102的MOSFET搭載面的表面上表層覆蓋了Au的Ni電極501上的疏水膜，僅使表層覆蓋了Au的Ni電極上形成親水區(a)。
接著，使用噴墨法塗敷包含了平均粒徑5nm的Au粒子的溶液(b)。然後進行乾燥，使Au粒子形成的凸狀電極104(突點)形成在Ni電極501上。在乾燥時，也可以施加30℃～80℃左右的熱(c)。在該Au突點上配置MOSFET，在上述玻璃陶瓷基板1的凹部102中連接MOSFET。此時將80℃左右的熱施加60分鐘，搭載MOSFET元件101(d)。
直至無源部件111、及玻璃陶瓷基板1的對電路板103的搭載的製造流程與實施例1同樣地進行，從而完成本實施例的高頻功率模塊。再有，在本實施例中，也可以使用氧化鋁製、氮化鋁製、玻璃制、以及有機材料制的多層布線基板來取代玻璃陶瓷基板1。此外，在本實施例中，也可以在基板的集成電路元件搭載部中設置凹部102。而且，也可以是覆蓋金屬和樹脂制的蓋來取代環氧樹脂的構造。
由Au納米粒子構成的突點也可以形成在MOSFET那樣的集成電路元件上的電極上。
如以上說明，本實施例是使用疏水膜而使Au納米粒子局部地凝聚，短時間內形成接合層的例子。因而在電子裝置中，除了小型化、接合部的無損傷導致的生產合格率提高以外，還具有生產時間縮短帶來的生產率提高的效果。
(實施例3)在本實施例中，將實施例1和實施例2的Au制突點置換為Ag制突點。以上說明的各實施例可應用於蜂窩電話機等的發送部中使用的高頻功率放大裝置的製造。
圖8是應用了本實施例的半導體模塊的攜帶電話的電路方框圖。從麥克風輸入的聲音信號在混合器12中被變換為來自發送器14的高頻信號，通過作為功率放大器的絕緣型半導體器件16(MOSFET)、天線共用器18而從天線20被作為電波發射。
發送功率通過耦合器22來監視，通過將監視輸出反饋到作為功率放大器的絕緣型半導體器件16而保持恆定。在該攜帶電話中使用800～1000MHz頻帶的電波。以上，將本發明的實施例與高頻功率放大器相關聯進行了說明，但本發明的半導體模塊100不限於實施例記載的範圍。天線20接收的信號通過高頻接收部22、聲音處理裝置24被提供到揚聲器26。
(實施例4)圖9是表示本發明的實施例之一的絕緣型半導體器件的構造圖。圖9(a)是上表面圖，圖9(b)是圖9(a)的A-A』部的剖面圖。在將半導體元件(MOSFET)301焊接搭載在陶瓷絕緣基板302上，將陶瓷絕緣基板302焊接搭載在基材303上後，設置環氧類樹脂外殼304、鍵合焊線305、環氧類樹脂蓋306，在同一外殼內填充矽酮凝膠樹脂307。
這裡，基材303上的陶瓷絕緣基板302被平均粒徑5nm的Au粒子構成的接合層308(厚度100μm)接合，在陶瓷絕緣板302的銅板202a上8個Si構成的MOSFET元件(尺寸為7mm×7mm×0.4mm)301被平均粒徑5nm的Au粒子構成的接合層309(厚度30μm)接合。
首先，Au納米粒子構成的接合層308和309產生的接合，首先，是在陶瓷絕緣板302的銅板302a(實施了Ni鍍敷)上、以及基材303上塗敷包含了平均粒徑5nm的Au粒子的溶液。
然後進行乾燥，使形成了Au粒子的接合層分別形成在銅板302a(實施了Ni鍍敷)上和基材303上。在進行乾燥時，也可以施加30℃至80℃左右的熱。
在該Au接合層上配置並連接半導體元件301、以及陶瓷絕緣板302。此時將80℃左右的熱施加60分鐘。
在各元件301上形成的柵極電極、發射極電極等和絕緣基板上形成的電極302、環氧類樹脂外殼304上預先安裝的端子310間，使用直徑300μm的Al線305通過超聲波接合法進行焊線鍵合。311是溫度檢測用熱敏電阻元件，用Sn-3wt％、Ag-0.5wt％的Cu焊料309焊接安裝，將電極302和端子310之間用直徑300μm的Al線305進行焊線鍵合，連接到外部。
再有，環氧類樹脂外殼304和基材303之間使用矽酮粘結樹脂(未圖示)來固定。在環氧類樹脂蓋306的內壁部中設有凹部306』，在端子210中設有孔210』，以安裝用於將絕緣型半導體器件1000與外部電路連接的螺釘(未圖示)。端子210是預先衝切為預定形狀，在成形的銅板中實施了Ni鍍敷的端子，被安裝在環氧類樹脂外殼220上。
圖10表示圖9所示的本發明絕緣型半導體器件的局部裝配部，將陶瓷基板和半導體元件搭載在作為基材的複合材303上，基材303的尺寸為74mm×43mm×3mm，在周邊部設有安裝孔(直徑5.6mm)303A。基材由Cu構成，在其表面上實施厚度為203μm的Ni鍍敷。
在基材303上通過Au納米粒子層來搭載陶瓷絕緣基板302，然後在陶瓷基板302上通過Au納米粒子層來搭載MOSFET元件301。此外，在基材303上以對應於陶瓷絕緣基板302搭載區域來施加疏水膜322，防止Au納米粒子含有液塗敷時的溶液流動。
而且，在陶瓷絕緣基板302上，以對應於MOSFET元件301的搭載區域來施加疏水膜321，防止Au納米粒子含有液塗敷時的溶液流動。再有，該絕緣型半導體器件1000為100V、400A級的半導體器件。
圖11是說明陶瓷絕緣基板的細節的平面及剖面圖。陶瓷絕緣基板302是在具有尺寸為50mm×30mm×0.6mm的AlN燒結體(熱膨脹係數4.3ppm/℃，熱導率160W/m·K)220的兩面上，通過Ag-Cu類焊接材料(未圖示，厚度20μm)分別接合厚度300μm的Cu-Cu2O複合材料板302a(兼用漏極電極)、302b(兼用源極電極)、302c(用於搭載熱敏電阻)、以及厚度250μm的Cu-Cu2O複合材料板302d。
在布線材料中使用Cu-Cu2O複合材料的原因是，實現與AlN燒結體的熱膨脹係數的匹配，確保長期可靠性。再有，在Cu-Cu2O複合材料板302a、302b、302c、及302d的表面上實施厚度2μm的Ni鍍敷(未圖示)。此外，作為AlN燒結體302的代替物，可以使用氮化矽燒結體(熱膨脹係數3.1ppm/℃，熱導率120W/m·K)。
圖12是說明本實施例的絕緣型半導體器件的電路圖。四個並聯配置的MOSFET元件301的塊1001被串聯連接，從預定的位置引出輸入端子Ain、輸出端子Aout等。此外，用於檢測該電路工作時的溫度的熱敏電阻211被獨立配置在絕緣型半導體器件1000內。
如以上說明，本發明的實施例通過Au納米粒子構成的接合層，可在低溫下將半導體元件、電路基板搭載在目標基板上。因而可以降低高溫下接合情況那樣的電路基板變形、以及接合後的接合層中產生的殘留應力，可以提高作為半導體器件的可靠性。
此外，在本發明的實施例的納米粒子接合法中，構成接合層的納米粒子層作為主體材料起作用。因而接合層在上述接合溫度下沒有再熔融。因此，可以應用於搭載了在碳化矽和氮化鎵等的高溫環境下可動作的半導體元件的半導體器件。
而且，本發明的實施例使用了將納米等級的金屬粒子凝聚在電極上的新的自然現象的安裝方法。在通過該凝聚層將半導體元件和布線基板進行接合時，可在低溫下、並且不附加載荷地進行接合，所以不產生接合損傷，可以大幅度地提高製品可靠性和生產合格率。
此外，由於可實現低負載接合，所以可對形成了半導體元件的布線的區域進行接合。因而可以縮小半導體元件面積，所以可以提供小型電子裝置。
接合後的金屬粒子凝聚層(接合層)作為構成接合層的金屬粒子材料的主體材料起作用。因此，在本發明的實施例中將搭載了半導體元件的電子部件搭載在電路板上時，即使使用Sn、或Pb為主體的焊料，上述接合層也不產生再熔融。由此，可以提高生產合格率。
(實施例5)圖13是在構成IGBT的半導體元件的發射極電極上安裝了由具有應力緩衝效應的金屬構成的板的絕緣布線基板的概略圖。IGBT在IGBT晶片132的發射極電極上通過Au納米粒子而設有應力緩衝板134。應力緩衝板134的材質由Cu、Cu-Cu2O複合材料、Cu-Mo複合材料、Cu-W複合材料、Cu-殷鋼-Cu疊層材料、Cu-C複合材料等構成。最好是在應力緩衝材料134的表面上實施Ni鍍敷。此外，其厚度最好在0.05mm～0.1mm左右的範圍。應力緩衝板134按與上述同樣的方法來接合。
鍵合焊線136的材質可以採用純Al、Al-Si、摻入Ni的Al-Si等。在該構造中，應力緩衝材料134因在低溫下被接合而與Si構成的IGBT晶片132之間的變形小。此外，在將接合了應力緩衝板134的IGBT晶片132經由Sn類焊料裝載在布線基板138上時，作為晶片132和應力緩衝板134之間的接合層的Au納米粒子層沒有再熔融。而且，通過在應力緩衝板134上進行焊線鍵合，使Al引線材料和Si晶片間產生的熱變形緩和，所以鍵合焊線的連接壽命提高。
圖14是安裝了由SiC構成的半導體元件的絕緣布線基板的概略圖。半導體元件142經由Au納米粒子層而被安裝在絕緣布線基板144上。鍵合焊線146將半導體晶片142和布線148之間進行連接。在該構造中，由於半導體晶片142在低溫下進行接合，所以與SiC構成的半導體元件晶片142之間產生的殘留變形小。此外，即使在溫度為200℃左右的高溫環境下，作為晶片和布線板間的接合層的Au納米粒子層也沒有再熔融。
(實施例6)圖16是表示採用了本發明的非絕緣型半導體器件的另一個實施例的圖。
在本實施例中，半導體元件401和陶瓷絕緣基板403通過平均粒徑5nm的Au粒子構成的接合層來接合。半導體元件的發射極電極也經由接合端子431，通過Au粒子層來連接在陶瓷絕緣基板上形成的實施了表面鍍敷Au和Ni的銅布線402b。
圖17是表示圖16的半導體元件裝載部分的剖面放大概略圖的圖。連接用端子431採用對銅板實施Ni鍍敷，並對其表面進行金鍍敷的端子，在絕緣基板的布線402a上裝載半導體元件401後，將平均粒徑5nm的Au粒子含有液塗敷在半導體元件的發射極電極(上側)上。而且，用絕緣基板402上形成的銅布線圖形對表面進行Ni鍍敷處理，進而在通過端子431而與半導體元件的發射極電極連接的部分，在進行了Au鍍敷處理的布線402b的Au鍍敷部分上塗敷Au粒子含有液。在對這些半導體元件和絕緣基板上的布線上塗敷的Au含有液進行乾燥，並形成金粒子構成的電極部分後，通過將連接用端子431裝載在這種金粒子構成的電極上部上進行60分鐘的80℃左右的加熱，從而完成半導體元件301和布線402b的連接。在絕緣型半導體器件中，由於不僅在集電極中而且還在發射極電極部分中流過大電流，所以通過採用布線寬度寬的連接端子431，可以進一步提高發射極側的連接可靠性。
(實施例7)本實施例說明採用在實施例1中使用的接合層的另一形態的例子。再有，作為MOSFET元件和基板1的接合層的Au突點104以外的結構、模塊的製造方法與實施例1相同。
圖18是圖2的MOSFET元件和基板1的接合部的放大圖，表示Au突點104的接合部細節。Au突點104由體積比為5∶1的平均粒徑5nm和平均粒徑20μm組成的粒子的混合物構成，覆蓋電極501。被Au覆蓋了形成於基板1上的表面的Ni制電極501在基板1內部與布線107、106連接。MOSFET上形成的電極502的表面被Au覆蓋。在本實施例中，將由具有不同的平均粒徑的粒子構成的層用作接合層。這裡，作為接合層，最好是由1至50nm的微粒和1至100μm的金屬微粒構成的層。
此外，本實施例的由Au粒子構成的突點也可以形成在MOSFET這樣的集成電路元件上的電極上。這種情況下，Au納米粒子凝聚層為圖18那樣的形狀。圖19是表示將MOSFET元件和基板1的接合部放大，即Au突點104的接合部細節的圖。Au突點104是由各體積比為5∶1的平均粒徑5nm和平均粒徑20μm組成的混合物粒子構成的Au突點，Ni制電極501形成在基板1上，其表面被Au覆蓋，在基板1內部與布線106、107連接。MOSFET上形成的電極502的表面被Au覆蓋。Au突點104以覆蓋電極502而形成。
在本實施例中，平均粒徑為1至50nm的微粒具有在其熔點以下的溫度進行凝聚的性質。因此，通過與粒徑大到1至100μm的金屬粒子進行配合，與僅用微粒來形成的情況相比，可形成厚的凝聚層。在電子部件和裝載它的基板的熱膨脹係數極大不同的情況下，如果該接合層厚，則因熱膨脹係數的不同而產生的熱應力在接合部分被緩和，可提高接合部分的可靠性。
而且在塗敷時，通過與粒徑大到1至100μm的金屬粒子進行配合，可形成厚的塗敷層，所以難以造成接合層形成時的缺陷，可進一步提高接合部的壽命。此外，用於接合的基板電極表面和電子部件電極表面因形成於內層的布線的影響而有凹凸，在接合層薄時，在基板上的電極和電子部件的電極間有產生未接合部的危險。而且，形成於基板上的電極和電子部件的電極受到基板和電子部件製造中的布線形成或熱處理等工序的影響而變形，各自的電極從同一平面上稍稍產生偏移。因此，在基板上的電極和電子部件的電極的連接中高度低的電極有可能未進行連接。因此，通過將平均粒徑為1至50nm的微粒和平均粒徑為1至100μm的粒子混合使用，可通過配合平均粒徑大的金屬粒子來進行僅用微粒而難以形成厚的接合層的塗敷、形成，不易造成未連接和連接部的缺陷。
作為1至50nm的微粒，可以採用從金、銀、銅、鉑、鈀、銠、鋨、釕、銥、鐵、錫、鋅、鈷、鎳、鉻、鈦、鉭、鎢、銦、矽、鋁等中至少一種金屬或兩種以上金屬構成的合金，特別是Au或Au合金構成的微粒，或最好是將Ag或Ag合金構成的微粒分別單獨使用或混合兩種以上使用。而且，作為平均粒徑1至100μm的金屬粒子，可以採用Au或Au合金構成的粒子或者Ag或Ag合金構成的粒子、以鎳粒子作為核在表面上鍍敷了Au或Au合金或者Ag或Ag合金的粒子、或在銅的核粒子表面上實施鎳鍍敷再在其表層鍍敷了Au或Au合金或者Ag或Ag合金的粒子。此外，作為核的粒子不僅是金屬，如聚醯亞胺或聚醚醯亞胺等那樣，如果是在粒子混合物塗敷後的乾燥和接合工序的溫度中不產生變形和分解的核，則可作為核材料來使用，在該粒子的表面上形成了無電解法或鍍敷用導電膜後，用電解法進行鎳鍍敷，然後與金屬粒子的情況同樣，在其表面上可以實施Au或Au合金、或者Ag或Ag合金的鍍敷。
這些金屬微粒和金屬粒子的混合物產生與各個粒子表面相互作用並且在接合溫度下容易地分散在可分離的水或表面活性劑中來使用，以在保管或塗敷工序中凝聚並使各個粒子不熔融。
分散了這種微粒和粒子的膏，有以下塗敷方法通過噴墨法使膏從微細噴嘴噴射而塗敷在基板上的電極或電子部件的連接部上的方法；或採用對塗敷部分進行開口的金屬掩模或網狀掩模僅在必要部分上進行塗敷的方法；採用分配器而塗敷在必要部分上的方法；用僅在必要的部分開口的金屬掩模或網狀掩模來塗敷矽酮或包含氟等的疏水性樹脂，通過曝光和顯像而將塗敷了所述微粒等構成的膏的部分除去，然後將接合用膏塗敷在該開口部的方法；以及將疏水性樹脂塗敷在基板或電子部件上後，通過雷射而除去所述金屬粒子構成的膏塗敷部分，然後將接合用膏塗敷在該開口部的方法。這些塗敷方法可根據要接合的電極的面積、形狀來組合。
再有，作為實施例2～6的接合層，不言而喻，通過採用本實施例的接合層，可獲得與本實施例相同的效果。
(實施例8)參照圖20來說明本實施例的半導體模塊的製造方法。
首先，準備形成了傳輸布線的多層結構的有機基板600(厚度0.30mm)。在有機多層基板600中，將可安裝MOSFET尺寸程度的凹部602形成在有機多層基板600中。
在凹部602的MOSFET裝載面上形成金屬布線，其表面被鍍敷Au。在裝載了電容器、螺線管、電阻等的無源部件611一側的表面上形成電極布線，以應對電容器、螺線管、電阻等的無源部件611的裝載。
下面，參照圖21，說明對有機多層基板600的MOSFET裝載流程。
首先，在形成了有機多層基板600的凹部102的MOSFET裝載面的表面上，在被Au薄膜覆蓋的金屬布線(兼用電極)上塗敷包含了平均粒徑5nm的Au粒子和Ag粒子的溶液，將Au和Ag粒子形成的凸狀的層(突點)形成在電極上(a)。在該AuAg突點上配置MOSFET，在上述有機多層基板600的凹部602中裝載MOSFET(b)。此時進行60分鐘80℃左右的加熱，對MOSFET進行接合(c)。
通過無源部件611、以及有機多層基板600的對電路基板603的裝載前的製造流程與實施例1同樣地進行來完成本實施例的高頻功率模塊。再有，在本實施例中，取代有機多層基板，也可以採用氧化鋁製、氮化鋁製、玻璃制、以及玻璃陶瓷製的多層布線基板。此外，也可以在基板的集成電路元件裝載部中不設置凹部。而且，取代環氧樹脂，也可以是覆蓋了金屬或樹脂制的蓋的結構。焊接接合部也可以如網格焊球陣列(BGA)那樣採用焊球。在Ag和Au的分配上沒有限制。
如以上說明，本實施例是局部地設置了混合Au和Ag微粒的接合層，在短時間內完成接合的例子。Au和Ag不形成特定的化合物相，處於連續固溶體狀態。因而在Au和Ag的接觸部中沒有接合缺陷，具有良好的導電性及導熱性。而且，由於含有Au，所以對於來自密封的樹脂的成分或從外部進入的水分等具有抑制Ag溶出的電遷移(離子遷移)的效果。
權利要求
1.一種電子部件的安裝方法，將形成於基板上的電極和形成於電子部件上的電極進行接合，其特徵在於，所述接合通過凝聚了至少一種金屬粒子的金屬層來進行接合。
2.如權利要求1的電子部件的安裝方法，其特徵在於，所述金屬粒子以平均粒徑為1～50nm來構成。
3.如權利要求2的電子部件的安裝方法，其特徵在於，所述金屬粒子構成厚度為5～100μm的金屬層。
4.如權利要求1的電子部件的安裝方法，其特徵在於，所述金屬粒子由Au或Au合金、或者Ag或Ag合金構成。
5.如權利要求1的電子部件的安裝方法，其特徵在於，所述金屬粒子包含核和在該核的表面上實施鍍敷而構成的粒子。
6.如權利要求5的電子部件的安裝方法，其特徵在於，所述核為Ni粒子，在該核的表面上鍍敷Au或Au合金、或者Ag或Ag合金。
7.如權利要求5的電子部件的安裝方法，其特徵在於，所述核為Cu粒子，在該核的表面上實施Ni鍍敷，並在其表面層上鍍敷Au或Au合金、或者Ag或Ag合金。
8.如權利要求6的電子部件的安裝方法，其特徵在於，作為所述核，取代Ni粒子，形成為具有在該核的表面上塗敷粒子混合物後、在乾燥和接合工序的溫度下不產生變形及分解特性的核。
9.如權利要求7的電子部件的安裝方法，其特徵在於，作為所述核，取代Cu粒子，形成為具有在該核的表面上塗敷粒子混合物後、在乾燥和接合工序的溫度下不產生變形及分解特性的核。
10.一種電子部件的安裝方法，其特徵在於，包括向具有在表面上形成了Au或Au合金金屬層的電極的基板上塗敷包含了由Au或Ag中至少一種金屬構成的、平均粒徑為1～50nm的金屬粒子的液體的工序；在塗敷後進行加熱，在所述Au或Au合金的電極上形成所述金屬粒子的凝聚區域的工序；以及加熱後進行冷卻，從而在所述金屬粒子的凝聚區域上搭載電子部件，然後以50～300℃的溫度再次進行加熱而使所述金屬粒子和所述電子部件接合，將所述基板上的布線和所述電子部件進行電連接的工序。
11.一種電子部件的安裝方法，其特徵在於，包括在表面上具有電極的基板上形成疏水層的工序；在所述電極的預定區域中設置除去了所述疏水層的區域的工序；在除去了所述疏水層的區域中塗敷包含了由Au或Ag中至少一種金屬構成的、平均粒徑為1～50nm的金屬粒子的液體的工序；在塗敷後進行加熱，從而將所述Au或Au合金在電極上形成所述金屬粒子的凝聚區域的工序；以及加熱後進行冷卻，從而在所述金屬粒子的凝聚區域上搭載電子部件，然後以50～300℃的溫度再次進行加熱而使所述金屬粒子和所述電子部件接合，將所述基板上的電極和所述電子部件進行電連接的工序。
12.如權利要求11的電子部件的安裝方法，其中，所述疏水層包括非晶含氟聚合體，並且非晶含氟聚合體在分子內具有全氟聚醚鏈和烷氧基矽烷殘基或者具有氟代烷基鏈和烷氧基矽烷殘基。
13.如權利要求11的電子部件的安裝方法，其中，所述疏水層包括非晶含氟聚合體，並且非晶含氟聚合體在分子內具有全氟聚醚鏈和烷氧基矽烷殘基或者具有氟代烷基鏈和烷氧基矽烷殘基。
14.一種電子部件的安裝方法，其特徵在於，在基板的一表面側設置凹部，並且在所述凹部的底面上形成由平均粒徑為1～50nm且從Au、Au合金、Ag、Ag合金中選擇的至少一種微粒構成的金屬層，並通過所述金屬層與設置在電子部件的一個表面側上的端子連接。
15.一種半導體模塊，其特徵在於，形成於基板上的電極和形成了電極的電子部件通過凝聚了至少一種金屬粒子的金屬層而接合。
16.一種半導體模塊，其特徵在於，形成於基板上的電極和形成了電極的電子部件通過由Au或Ag中至少一種金屬構成的、平均粒徑為1～50nm的粒子所形成的金屬層而接合。
17.一種半導體模塊，其特徵在於，具有形成於基板上的第一電極和設置於形成了半導體元件的電極的區域上的第二電極，所述第一電極和所述第二電極通過凝聚了Au或Ag中至少一種金屬粒子的金屬層而接合。
18.一種半導體模塊，具有多個半導體元件通過第一連接材料連接到形成了電極的基板上且該基板通過第二連接材料連接到外部安裝基板上的結構，其特徵在於，所述第一連接材料是凝聚了Au或Ag中至少一種金屬粒子的金屬層。
19.如權利要求18的半導體模塊，其特徵在於，所述第二連接材料是以Sn作為主體的焊料、無鉛焊料和凝聚了Au或Ag中至少一種金屬粒子的金屬層中的一種。
20.一種半導體模塊，具有多個半導體元件通過第一連接材料連接到形成了電極的基板上且該基板通過第二連接材料連接到外部安裝基板上的結構，其特徵在於，所述第二連接材料是凝聚了Au或Ag中至少一種金屬粒子的金屬層。
21.如權利要求20的半導體模塊，其特徵在於，所述第一連接材料是以Sn作為主體的焊料和無鉛焊料中的一種。
22.一種半導體器件，其特徵在於，形成於基板表面上的電極和表面上形成了電極的電子部件通過由Au或Ag中至少一種金屬構成的、平均粒徑為1～50nm的金屬粒子和1～100μm的金屬粒子所構成的層而接合。
23.如權利要求22的半導體器件，其特徵在於，所述平均粒徑為1～100μm的金屬粒子通過在鎳粒子表面上形成Au或Au合金層而構成。
24.如權利要求22的半導體器件，其特徵在於，在所述平均粒徑為1～100μm的粒子表面上結合有平均粒徑為1～50nm的微粒。
全文摘要
提供可實現縮小安裝面積及薄形化的電子部件的安裝方法、半導體模塊及半導體器件。本發明的一個課題解決手段是將形成於基板上的電極和形成於電子部件上的電極進行接合的電子部件的安裝方法，所述接合通過凝聚了至少一種金屬粒子的金屬層來進行接合。而且，所述金屬粒子以平均粒徑為1～50nm構成。另外，最好是構成其厚度為5～100μm的金屬層。
文檔編號H05K3/00GK1717156SQ20041009788
公開日2006年1月4日 申請日期2004年11月30日 優先權日2004年6月29日
發明者寶蔵寺裕之, 守田俊章, 佐佐木洋 申請人:株式會社日立製作所