专利名称：半导体器件所用部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及构成半导体器件的热沉、散热基板、外壳等所用的部件，具体地说，涉及一种半导体器件，具有极好树脂结合特性，以及利用这种特性的半导体器件。
背景技术：
当构成作为半导体器件之一个部件的基板材料与另一个器件所用部件结合时，由于在结合的部件之间的界面中不发生热应力，所以要有变形。为此，所述基板材料的热胀系数必须与半导体器的其它部件，如各种半导体的部件或封装的热胀系数没有较大的差异。特别是随着当前半导体器件都被做得小而轻，就需要用高导热系数，并且热胀系数与各种半导体的部件或封装的热胀系数没有较大差异且重量轻的材料制得散热基板。
作为能够满足这些要求的适宜基板材料，公知的有主要由Cu和W和/或Mo组成的合金或复合物，也就是Cu-W或Cu-Mo合金或者复合物。另外，公知的还有主要由Al-SiC组成并具有分散于Al或Al合金中的SiC颗粒的合金或者复合物，以及主要由Si-SiC组成并具有分散于Si或SiC合金中的SiC颗粒的合金或复合物，。
另外，要求包括散热基板之半导体器件所用的部件具有较高的耐腐蚀性。然而，构成所述部件的合金或复合物本身并不具有耐腐蚀性。因此，过去都是在所述合金或复合物表面上提供一层Ni或Au等的镀层。在通常使基板材料与封装材料等焊接的过程中，也需要这种镀层保持可沾性或结合强度。
然而，当前代替焊接的方法，将树脂结合的方法广泛用作将散热基板结合到封装等上的方法，因为这种树脂结合方法廉价并可在低温下实现。在普通的封装等过程中，在镀层之前，通过比如传递模塑成型法，用树脂将半导体器件的散热基板与其它部件，如导引框结合在一起，然后再使之经历镀层。然而，按照当前的方法，预先使散热基板经历镀层，然后再用液态环氧树脂或聚酰亚胺，或者用成片状的树脂或其它，使它结合到封装基板上。
采用这种树脂结合方法的问题在于，因通常被用作镀层的Ni或Au的树脂结合特性差，不可能得到所需要的结合强度。特别是，在各种可靠性测试，比如为了实现交替地暴露于150℃和-65℃温度的热循环测试，在121℃、100％RH(相对湿度)和2atm条件下进行的PCT(pressure cookertest压力锅测试)，以及在131℃、85％RH和2atm条件下进行的HAST(高加速加压试验)之后，使树脂结合强度急剧变差。
另一方面，具有极好树脂结合特性的金属材料包括Al和Cu，它们的表面上可以容易地形成自然氧化膜。不过，在Al和Cu中，所述自然氧化膜与树脂之间的结合强度不够，特别是在上述各种可靠性测试之后。另外，主要由Cu和W和/或Mo构成的合金或复合物本身，如Cu-W和Cu-Mo不能实现令人满意的树脂结合强度。这是因为主要由Cu和W和/或Mo构成的合金或复合物的部分区域上形成Cu的自然氧化膜，但这些区域的树脂结合强度较低。
为此，曾经尝试过许多用来提高金属材料，比如Al和Cu的树脂结合强度的途径，也曾建议过各种方法。譬如，日本未审专利申请公开No.S61-295692和S61-295693，都曾讨论过提高基本部件与树脂绝缘层之间结合强度的方法，通过在因瓦板(inver plate)或镀铜因瓦板的基本部件的一个表面上淀积或镀敷厚度约为500μm的铝层，并用环氧树脂等绝缘层形成布线电路。
另外，日本未审专利申请公开No.H10-284643中讨论过一种提高结合强度的方法，通过在Cu-W或Cu-Mo合金上形成一层由直径为0.1-10μm的结晶颗粒制得的Al涂层，并在该Al涂层表面上形成厚度为10-800的氧化层。
然而，随着近来进一步提高了各种半导体部件的运行速度，会由这些半导体部件产生大量热量。因此，与普通方法相比，就需要进一步提高基板与封装之间的树脂结合强度。特别是即使可靠性测试，如HAST之后，也要求树脂结合强度很少变差。
日本未审专利申请公开No.S61-295692[专利文献2]日本未审专利申请公开No.S61-295693[专利文献3]日本未审专利申请公开No.H10-28464
发明内容考虑到上述各项问题，本发明的目的在于提供一种由Cu-W、Cu-Mo、Al-SiC、Si-SiC等合金或复合物制成的半导体器件所用部件，其中，所述部件具有极好的树脂结合特性，能够在用树脂使半导体器件所用部件结合到另外一部件的同时提高树脂结合强度，而且，即使在实行各种可靠性测试，如热循环测试之后也能保持很高的树脂结合强度；并提供一种采用这种部件的半导体器件。
为实现上述目的，按照一种方案，本发明提供一种具有极好树脂结合特性的半导体器件所用部件，它包括由主要包含Cu、W和/或Mo的合金或复合物制成的基本部件，其中，在所述基本部件的至少一个表面上设置一层由固体碳粒薄膜制成的涂层，用树脂将另一半导体器件所用部件结合到所述部件上。所述主要包含Cu和W和/或Mo的合金或复合物最好含有5-40重量％的Cu。
另外，按照另一种方案，本发明提供一种具有极好树脂结合特性的半导体器件所用部件，它包括由主要包含Al-SiC的合金或复合物制成的基本部件，其中，在所述基本部件的至少一个表面上设置一层由固体碳粒薄膜制成的涂层，用树脂将另一半导体器件所用部件结合到所述部件上。所述主要包含Al-SiC的合金或复合物最好含有10-70重量％的SiC。
此外，按照再一种方案，本发明提供一种具有极好树脂结合特性的半导体器件所用部件，它包括由主要包含Si-SiC的合金或复合物制成的基本部件，其中，在所述基本部件的至少一个表面上设置一层由固体碳粒薄膜制成的涂层，用树脂将另一半导体器件所用部件结合到所述部件上。所述主要包含Si-SiC的合金或复合物最好含有10-35重量％的Si。
上述各方案的半导体器件所用部件中的任何一种，其中所述涂层的厚度最好为0.1-10μm。其上形成有所述涂层的所述基本部件表面的表面不平整度Rmax最好为0.1-20μm。而且，其上形成有所述涂层的所述基本部件表面的孔隙深度最好为100μm或更小。另外，在所述涂层与其上形成有所述涂层的所述基本部件表面之间最好设置Ni镀层。
此外，按照又一种方案，本发明提供一种采用上述各方案半导体器件所用部件的半导体器件。
图1是表示本发明半导体器件所用部件一种实例的示意截面图；图2是表示一个具有图1半导体器件所用部件的半导体器件用树脂与封装结合的示意截面图；图3是表示设在基本部件表面上的涂层的树脂结合强度曲线图。
具体实施例方式
按照本发明，半导体器件所用部件的基本部件由主要包含Cu和W和/或Mo的合金或复合物、主要包含Al-SiC的合金或复合物，以及主要包含Si-SiC的合金或复合物制成。这些合金或复合物的热胀系数接近各半导体部件及封装材料的热胀系数，而且，具有极好的导热率。按照本发明，当用树脂把包含由这些合金或复合物制成之基本部件的半导体器件所用部件与其它部件，如封装结合时，至少在要由树脂结合的所述基本部件的一个表面上提供由固体碳粒薄膜制成的涂层，以便可以提高树脂的结合强度。
所述固体碳粒薄膜是被称为类金刚石碳的无定形碳、无定形碳、i-C或DLC(金刚石碳)。固体碳粒薄膜既不是结晶碳，如石墨，也不是金刚石本身。具体地说，固体碳粒薄膜是一种非常坚硬的材料，它的努氏强度在2000到10000kg/mm2。
如果把固体碳粒薄膜作为涂层提供于所述合金或复合物之基本部件的表面上，就能够提高树脂和半导体器件所用部件之间的树脂结合强度，其中所述半导体器件具有主要包含W-Cu、Mo-Cu、Al-SiC和Si-SiC的合金或复合物制成的基本部件。另外，由于在比如热循环测试等各种可靠性测试之后测得的树脂结合强度并无太大的变差，所以能够保持较高的树脂结合强度。这种极高的树脂结合特性可被理解为起源于固体碳粒薄膜和树脂的反应速度极慢。
包含固体碳粒薄膜的涂层厚度最好为0.1-10μm，而以0.5-1.5μm尤好。如果固体碳粒薄膜的厚度小于0.1μm，就不能得到较高的树脂结合强度。特别是当该厚度为0.5μm或更大的时候，将得到最佳的树脂结合强度。另外，不希望所述固体碳粒薄膜的厚度超过10μm，因为那会使生产率降低。由于固体碳粒薄膜具有较大的压应力，所以，膜越厚，应力越大，从而使它很容易被剥离。因此，所述固体碳粒薄膜的厚度最好小于1.5μm。
可用比如等离子体CVD方法或粒子束沉积法形成所述固体碳粒薄膜。等离子体CVD方法是一种由高频放电、直流放电或微波放电使含碳的源材料产生等离子体并将碳沉积在基本部件表面上的方法。由于基本部件的表面受到等离子体的照射并被激活，等离子体CVD方法有利于能够在比热CVD方法等低的温度下形成薄膜。另一方面，粒子束沉积法是从碳氢化合物，如甲烷离子源产生等离子体，并在放电电极系统处加速该等离子体，使之形成离子束，再将该离子束照射并沉积在基本部件表面上的方法。在粒子束沉积法中，如果加速粒子的能量高，则碳就能比一般的沉积方法更进一步地渗透基本部件。因此，粒子束沉积法能够优越地具有极好的对基本部件的结合特性。
比较等离子体CVD方法和粒子束沉积法，这两种方法在从源材料产生等离子体方面具有共同点。然而，在等离子体CVD方法中，由于等离子体并不作为离子束而被发出，而是在同一空间内直接沉积在基本部件上，于是，就快速地形成薄膜，而且生产率明显地增高。也就是说，按照等离子体CVD方法，薄膜形成的速度是粒子束沉积法的三倍或者更快，而且，等离子体CVD方法中的批量生产能力是粒子束沉积法的几倍到十倍那样高。另外，由于等离子体CVD方法和粒子束沉积法都能够200℃的低温或更低温度下形成固体碳粒薄膜，所以不会使基本部件的质量变差。
其上形成有包含固体碳粒薄膜涂层的基本部件是一种主要含有Cu和W和/或Mo的合金或复合物、主要含有Al-SiC的合金或复合物，以及主要含有Si-SiC的合金或复合物，它们通常被用作基板材料。例如，日本未审专利申请公开No.S59-21032、No.S59-46050等公开了主要含有Cu和W和/或Mo的合金或复合物。另外，日本未审专利申请公开No.H10-335538等公开了主要含有Al-SiC的合金或复合物。日本未审专利申请公开No.H11-166214等公开了主要含有Si-SiC的合金或复合物。
关于制作固体碳粒薄膜的方法，利用烧结法或粉末冶金法可以制作主要含有Cu和W和/或Mo的合金或复合物。按照烧结法，使其中加有Cu粉末的W和/或Mo粉末受到烧结，使Cu被烧结成所得到的骨架。按照烧结法，使W和/或Mo粉末和Cu粉末的坯块受到烧结。另外，利用比如铸造法、浸入法或烧结法等方法可以制作主要含有Al-SiC的合金或复合物。按照浸入法，将Al浸入到SiC的成型坯件中。按照烧结法，是将Al粉和SiC粉的成型坯件，或者Al-SiC合金或复合物的成型坯件受到烧结。另外，利用比如铸造法、浸入法或烧结法等方法可以制作主要含有Si-SiC的合金或复合物。按照浸入法，将Si浸入到SiC的成型坯件中。按照烧结法，是将Si粉和SiC粉的成型坯件，或者Si-SiC合金或复合物的成型坯件受到烧结。
这些合金或复合物具有极好的导热率，并且热胀系数接近各种半导体部件和封装材料的热胀系数。例如，在所含的Cu在5-40重量％范围的情况下，主要含有Cu和W和/或Mo的合金或复合物的热胀系数为5×10-6到12×10-6/℃。在所含的SiC在10-70重量％范围的情况下，主要含有Al-SiC的合金或复合物的热胀系数为8×10-6到20×10-6/℃。在一个很宽的含量范围内，主要含有Si-SiC的合金或复合物的热胀系数为5×10-6/℃或稍小，特别是在Si含量在10-35重量％范围的情况下，主要含有Si-SiC的合金或复合物具有200W/m·K或更大的高导热率。
另一方面，一般所用Si、Ge、GaAs等制成的半导体器件的热胀系数接近3×10-6-4×10-6/℃。在通常使用陶瓷封装的情况下，与基板结合的封装材料的热胀系数接近4×10-6-10×10-6/℃，而在使用塑料封装的情况下，所述封装材料的热胀系数接近7×10-6-13×10-6/℃。因此，主要含有Cu和W和/或Mo的合金或复合物最好含有5-40重量％的Cu。主要含有Al-SiC的合金或复合物最好含有10-70重量％的SiC。主要含有Si-SiC的合金或复合物最好含有10-35重量％的SiC。
按照JIS规定，最好使其上形成有包含固体碳粒薄膜涂层的基本部件的表面被控制成具有0.1-20μm的表面不平整度Rmax(最大高度)。如果表面不平整度Rmax小于0.1μm，则即使在表面上形成有包含固体碳粒薄膜涂层，也不能得到充分的粘连效果。另外，如果表面不平整度Rmax大于20μm，则在涂层形成过程中，会使吸附气体，如氧气最多，以致会释放大量的气体。因此，难以得到形成薄膜所需的真空度。另外，可使基本部件与涂层之间的粘合下降。不过，一般地说来，如果表面不平整度Rmax大于8μm，则在树脂结合过程中，容易形成树脂与基本部件表面之间的空间，以致可以加大树脂结合强度的各种变化。因此，使表面不平整度Rmax保持在0.1-8μm尤好。
另外，为了满足基本部件表面不平整度的条件，在基本部件表面中形成的孔隙深度最好为100μm或更小。如果孔隙深度大于100μm，则基本部件表面上吸附气体的量最多，难于在基本部件上形成厚度均匀的涂层。因此，可在涂层的表面上形成凹坑。另外，由于没有足够的树脂渗透，所以，难于维持足够的树脂结合强度。
此外，为了通过对基本部件提供耐蚀性确保基本部件与固体碳粒薄膜之间的结合强度，在基本部件的表面上形成一层Ni或类似物的镀层，所述基本部件由要含有Cu和W和/或Mo的合金或复合物、主要含有Al-SiC的合金或复合物，或主要含有Si-SiC的合金或复合物制成。具体地说，最好实现膜厚为1-2μm的电解Ni镀或者非电解Ni-P或Ni-B镀。
另外，为了提高固体碳粒薄膜的粘性，可在固体碳粒薄膜与基本部件或基本部件的表面上的Ni等的镀层之间形成一个中间层。例如，由非晶形硅、多晶硅、Ge、SiC等制成所述中间层。所述中间层的厚度最好在接近5-500nm的范围内。如果该厚度小于5nm，就难于完全涂敷基本部件的表面，以致所述中间层不能具有显著的效果。即使所述厚度的上限可为几微米，考虑到生产率，所述厚度最好为500nm或更小。
可以使用任何常用的薄膜成型法，比如包括PVD法和CVD方，形成所述中间层。在这种情况下，在同一真空室内或者在不使设备的真空被放松成大气压力的多层真空设备中连续形成所述中间层和固体碳粒薄膜是有效的。由于这不允许将基本部件暴露于大气中，可以预期所述中间层与固体碳粒薄膜之间的粘性得到提高。
本发明用于将半导体器件所用部件结合到另一部件(如封装)的树脂比如包括其中加有银填充剂或陶瓷填充剂，如二氧化硅的环氧树脂，其中加有硅树脂以降低杨氏模量的环氧树脂，无上述添加的环氧树脂，有上述添加的聚酰亚胺树脂，无添加的聚酰亚胺树脂，有上述添加的苯酚树脂，无添加的苯酚树脂，有上述添加的聚酯树脂，无添加的聚酯树脂，有上述添加的硅树脂，以及无添加的硅树脂；其中所述基本部件的表面上提供有固体碳粒薄膜。
利用本发明的部件可以制作半导体器件，其中在基本部件的表面上提供固体碳粒薄膜。例如，有如图1所示，在基本部件1的整个表面上形成厚度为1-2μm的Ni镀层3。接着，采用等离子体CVD法，在包含部件安装部分的基本部件的一个表面上形成由固体碳粒(DLC)薄膜2制成的涂层。通常，固体碳粒薄膜包含30-40原子百分数的H(氢)。如图2所示，将半导体部件4安装在基本部件一个表面的中心区域，所示基本部件的表面提供有固体碳粒薄膜2。继而，以环氧树脂7把其上设有固体碳粒薄膜2的基本部件表面的外缘结合在陶瓷封装5的前表面上。另外，图2中的参考标号6a表示在陶瓷封装5的后表面上形成的焊料突起，参考标号6b表示使半导体部件4与陶瓷封装5电连接的焊料突起。
例准备具有下面给出的表中所示各组分的复合物，用作半导体器件的部件的各种基本部件。具体地说，采用溶浸法制备实际上具有100％浓度的Cu-W或Cu-Mo复合物。采用烧结法制备Al-SiC复合物。另外，采用溶浸法制备Si-SiC复合物。
将这些复合物机械加工成线度为100mm(长)×25mm(宽)×2mm(高)的平板形状。使板的表面经过研磨或喷砂，使这些复合物具有表中所示的0.5-100μm表面不平整度Rmax值。通过利用等离子体CVD方法在每个基本部件的表面上形成由具有表中所示厚度之固体碳粒(DLC)薄膜制成的涂层，得到本发明的例1-17。另外，作为比较例，代替形成上述DLC膜，通过利用电解镍镀敷，在基本部件的表面上形成一层Ni层，得到例18，以及通过利用蒸汽沉积法，在基本部件的表面上形成一层Al层，得到例19。
按照JIS K 6850对所得各取样做树脂结合强度评估。所用树脂为含70重量％银填充剂的液态环氧树脂。如图3所示，将厚度为25μm的环氧树脂B加在两个取样基板A中每一个的一端。由所示环氧树脂B使两个取样A互相结合并在180℃下固化1小时。环氧树脂被固化以后，在150℃下实行干燥24小时，得到测试片。
检测按JIS K 6850所得到的测试片的初始结合强度和热循环测试、压力锅测试(PCT)以及高加速加压试验(HAST)之后的结合强度。结果被示于下面给出的表中。在150℃大气环境下实行30分钟以及在-65℃大气环境下实行30分钟的热循环测试1000个循环。在121℃、100％RH和2atm条件下，按部分渗透型PCT，实行300小时的PCT。另外，在131℃、85％RH和2atm下实行HAST300小时。
采用精密万能测试仪(自动绘图仪)进行所述结合强度的测定。具体地说，有如图3所示者，由测试仪的夹持机构保持各测试片两端处的保持区域C，使两个测试基板A在这里结合。沿测试片主轴方向以50mm/min的速率拉引测试片，同时务必保持测试片的主轴和所述夹持机构的中心线在同一直线上。记录测试片破碎时的最大负荷。将此最大负荷被测试片上结合树脂部分的面积除，从而将所得的商取为所述结合强度。
表
说明符号*表示比较例取样树脂结合时最重要的树脂结合强度是初始结合强度。一般地说，可允许的初始结合强度是1.5kgf/mm2或更大的剪切强度。另外，热循环测试、PCT和HAST之后的剪切强度也都是重要的。例如，1000次热循环测试、300小时PCT，以及300小时HAST之后可允许的剪切强度是1.0kgf/mm2，这足以是可供实用的。
有如从上表中的结果可以理解的，本发明的所有取样1-17中，得到初始结合强度和满足上述剪切强度条件的可靠性测试之后的结合强度，以及良好的树脂结合强度。
另一方面，其中形成有Ni层的比较例18具有1.5kgf/mm2或更小的初始树脂结合强度，并且在热循环测试、PCT和HAST之后的具有1.0kgf/mm2或更小的树脂结合强度。另外，其中形成有Al层的比较例19，从初始阶段到热循环测试具有1.0kgf/mm2或更大的树脂结合强度，而在PCT和HAST之后，具有1.0kgf/mm2或更小的树脂结合强度，从而树脂结合强度分别都变差。
工业实用性按照本发明，那个提供由Cu-W和CuMo合金或复合物、Al-SiC合金或复合物，或者Si-SiC合金或复合物制成的半导体器件所用的部件，它有极好的导热率和热扩散性质，其中所述部件能够提高由树脂将该半导体器件所用部件与另一部件结合时的树脂结合强度，并且即使在各种可靠性测试，比如热循环测试之后也能保持较高的树脂结合强度；其中可以给出采用这种部件的半导体器件。
权利要求
1.一种半导体器件所用部件，包括由主要包含Cu、W和/或Mo的合金或复合物制成的基本部件，其中，在所述基本部件的至少一个表面上设置一层由固体碳粒薄膜制成的涂层，用树脂将另一半导体器件所用部件结合到所述部件上。
2.如权利要求1所述的半导体器件所用部件，其中，所述主要包含Cu、W和/或Mo的合金或复合物含有5-40重量％的Cu。
3.一种半导体器件所用部件，包括由主要包含Al-SiC的合金或复合物制成的基本部件，其中，在所述基本部件的至少一个表面上设置一层由固体碳粒薄膜制成的涂层，用树脂将另一半导体器件所用部件结合到所述部件上。
4.如权利要求3所述的半导体器件所用部件，其中，所述主要包含Al-SiC的合金或复合物含有10-70重量％的SiC。
5.一种半导体器件所用部件，包括由主要包含Si-SiC的合金或复合物制成的基本部件，其中，在所述基本部件的至少一个表面上设置一层由固体碳粒薄膜制成的涂层，用树脂将另一半导体器件所用部件结合到所述部件上。
6.如权利要求5所述的半导体器件所用部件，其中，所述主要包含Si-SiC的合金或复合物含有10-35重量％的Si。
7.如权利要求1-6任一项所述的半导体器件所用部件，其中，所述涂层厚度为0.1-10μm。
8.如权利要求1-7任一项所述的半导体器件所用部件，其中，基本部件的形成有所述涂层的表面具有0.1-20μm的表面不平整度Rmax。
9.如权利要求1-8任一项所述的半导体器件用的部件，其中，基本部件的形成所述涂层的表面中的孔隙深度为100μm或更小。
10.如权利要求1-9任一项所述的半导体器件所用部件，其中，在所述涂层与基本部件的形成有所述涂层的表面之间设置Ni镀层。
11.一种半导体器件，其特征在于，它采用权利要求1-10任一项所述半导体器件所用部件。
全文摘要
一种半导体器件所用部件，具有含有Cu、W和/或Mo为主要成分的合金或复合物材料、Al－SiC为主要成分的合金或复合物材料，以及Si－SiC为主要成分的合金或复合物作为基本部件(1)，还具有形成于基本部件(1)表面上的包含固体碳粒薄膜(2)的涂层，用以利用至少另一个部件，如封装的树脂结合所述基本部件(1)。基本部件(1)最好具有0.1－20μm的表面不平整度Rmax，所述固体碳粒薄膜(2)的厚度最好为0.1－10μm。上述半导体器件所用基本部件，如基板提高了由树脂结合的结合强度，并且在诸如温度循环测试等可靠性测试之后能够保持高的结合强度，即表现出极好的由树脂结合的特性。
文档编号H01L23/06GK1663042SQ0381406
公开日2005年8月31日 申请日期2003年7月7日 优先权日2002年7月17日
发明者上武和弥, 安部诱岳, 桧垣贤次郎 申请人:住友电气工业株式会社