专利名称：半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及接合材料的技术，特别是涉及在该接合材料的构造及制造方法以及在使用了该接合材料的半导体装置、高功率半导体装置、高功率模块等上使用有效的技术。
背景技术：
作为本发明者研究的技术，用图1及图2对使用了接合材料的半导体装置进行说明，图1是显示现有半导体装置的构造的图。图2是说明再熔融的焊料形成的溢出(flush) 的图。如图1所示，半导体装置7是如下制造的将半导体元件1通过焊料3接合在框架 2上，通过金属线4将引线5的内引线与半导体元件1的电极进行引线接合后，由封装用树脂6或惰性气体进行封装。该半导体装置7是通过Sn-Ag-Cu系的中温的无铅焊料由回流焊焊接在印制基板上。Sn-Ag-Cu系无铅焊料的熔点约220°C，较高，在进行回流接合时要设想接合部能加热到最高^KTC。因此，为了构成温度梯度，在进行半导体装置内部的半导体元件的管芯焊接时， 需要使用有^KTC以上的熔点的高铅焊料。高铅焊料作为构成成分含有85wt. %以上的铅， 与2006年7月开始施行的RoHS指令中禁止的Sn-Pb共晶焊料相比，对环境造成的负担大。 因此，急切期待着取代高铅焊料的替代接合材料的开发。现在，由于已经开发出的Sn-Ag-Cu系等的焊料的熔点为260°C以下，所以，使用在半导体元件的管芯焊接上时，在二次实装时(最高温度^KTC)，焊料会熔融。当使用树脂将接合部周围铸型时，如果内部的焊料熔融，如图2所示，由于熔融时的体积膨胀，焊料3会从封装用树脂6与框架2的界面漏出，称为“溢出(flush)”。或者既便还没有漏出也是要漏出状动作，其结果，凝固后，成为在焊料中形成大的空隙8的不良品。作为替代材料的候补， 在熔点方面报导了 Au-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，正在全球推进着研究。但是，Au系的焊料作为构成成分含有80wt. %以上的Au，因成本方面问题而在通用性上有困难。Bi系焊料的热传导率约为9W/mK，比现行的高铅焊料低，能够推定难以在要求高散热性的高功率半导体装置及高功率模块等上使用。另外，Si及Si-Al系焊料具有约 100ff/mK高的热传导率，但难以浸润(特别是&1-A1系焊料)，焊料硬，有在接合后的冷却时半导体元件因热应力而易损坏的问题。在专利文献1 (特开2002-358539号公报)和专利文献2 (特开2004-358540号公报)中，是通过做成:1 7wt. %Al、0.5 6wt. %Mg,0. 1 20wt. %Ga,0. 001 0. 5wt. % P、余量为 Zn，2 9wt. %Ge、2 9wt. % ΑΙ,Ο. 001 0. 5wt. % P、余量为 Zn，或 2 9wt. % Ge,2 9wt. % Α1、0· 01 0. 5wt. % Mg、0. 001 0. 5wt. % P、余量为 Zn，使 Zn 系焊料合金相对于Cu和Ni的浸润性提高且熔点降低。但是，由于成分是Al和Mg，所以通过接合时的加热，Al氧化物及Mg氧化物会在熔融部表面生成膜。由于这些膜会阻碍浸润，所以如果不通过擦刷等机械性弄破膜，就有可能得不到充分的浸润。另外，关于焊料的硬度，由于还没有得到改善，所以不能期待能够改善接合后的冷却时或温度循环时的热应力对半导体元件的破坏。在专利文献3 (特开2002-26110号公报)中，是通过在&ι_Α1系合金的最表面设置^uAgju层，抑制Si-Al系合金表面的氧化，实现浸润性的提高。但是，为了设置h、Ag 及Au层，需要在Si-Al表面实施镀层及蒸镀等的处理，涉及到材料制造的工序增加。另外， 与上述同样，在添加了 ^的场合有可能使硬度降低，不能期待抑制接合后的冷却时的热应力造成的半导体元件的破坏的效果。
发明内容
本发明者考虑了是否能由&1-A1系合金实现高铅焊料的替代。在上述的现有技术中，没有考虑到以下问题由于在ai-ΑΙ系合金中含有Al，所以不能确保充分的浸润性。由于要在ai-Α 系合金上进行表面处理，会增加材料制造时的工序。不能抑制接合后的冷却时或温度循环时的热应力造成的半导体元件的破坏。本发明考虑到了这些问题，提供的接合材料能够适用于接合具有^KTC以上熔点的ai-Α 系合金，改善接合时的浸润性，减少材料制造时的工序，提高对热应力的接合可靠性。从本说明书的记载以及附图中可以明确本发明的新颖性特征。如下简单地说明本申请中公开的发明中的代表性的内容的概要。本发明提供一种在Al系合金层的最表面设置了 Si系合金层的接合材料。特别提供一种上述Al系合金层的Al含有率为99 IOOwt. %的接合材料或上述Si系合金层的 Zn含有率为90 IOOwt. %的接合材料。另外，本发明提供一种接合材料的制造方法，是将由在系合金层上的Al系合金层以及在其上的ai系合金层构成的接合材料，通过包层压延或加压成形来制造。另外，本发明还提供使用上述接合材料将半导体元件接合在框架上的半导体装置 (管芯焊接构造)、将金属罩接合在基板上的半导体装置(气封构造)、通过凸起接合的半导体装置(翻装晶片构造)。
图1是显示现有的半导体装置的构造的图。图2是说明在图1的半导体装置上再熔融了的焊料而形成的溢出的图。图3是说明本发明的实施方式的包层压延的图。图4是说明本发明的实施方式的加压成形的图。图5是显示本发明的实施方式中的接合材料的截面的图。图6是显示在本发明的实施方式中使用了表1的接合材料(实施例1 12)的半导体装置的截面的图。图7是显示在图6的半导体装置中接合材料形成的接合部的截面照片的图。
图8是显示本发明的实施方式中使用了表1的接合材料(实施例13 24)的另外的半导体装置的截面的图。图9是显示图6的半导体装置中的接合材料一体型的金属罩的图。图10是显示本发明的实施方式中的使用了表1的接合材料的另一个半导体装置的截面及安装构造的图。
具体实施例方式以下基于附图详细说明奔放的实施方式。另外，在用于说明实施方式的全图中，作为原则对同一的部件付与同一符号，并省略重复说明。本发明的实施方式的概要第1发明提供一种在Al系合金层的最表面设置了 Si系合金层的接合材料。由于 Si-Al系合金有Al成分，所以在熔融的瞬间，在表面形成Al氧化物膜，因此如果不机械性破坏氧化物膜就不能得到充分的浸润性。由于本发明的接合材料的表面是仅作为杂物含有Al 的Si系合金，所以在接合时，能够在Si系合金与Al系合金反应形成Al氧化物膜之前确保充分的浸润性。另外，由于在接合时熔融部为Si-Al系合金，所以，熔点降至380°C左右。由此，由于比Si的熔点420°c低，所以与纯Si相比，能够减少接合后的冷却时发生的热应力， 能够抑制半导体元件的破坏。通过在接合时使Al合金层留存，较软的Al可作为应力缓冲材料发挥功能，因此能够提高接合可靠性。既便在接合时温度不上升到Si的熔点的420°c， 只要是380°c以上的温度，在相接触的Si层与Al层之间产生扩散，形成熔点380°C的Si-Al 共晶，由此能够接合。第2发明是提供一种上述Al系合金层的Al含有率为99 IOOwt. %的接合材料。 Al的纯度越接近100%越变得柔软，很容易得到应力缓冲功能。而在Al的纯度不到99wt. % 的场合，由于0. 2%屈服强度及硬度变硬，所以难以得到应力缓冲功能。0. 2%屈服强度优选为30N/mm2以下。Al层的厚度优选做成30 200 μ m。在厚度为30 μ m以下的场合，由于不能充分缓冲热应力，所以有时会发生芯片开裂。厚度为200μπι以上的场合，由于Al、Mg、 Ag、&i的热膨胀率比Cu框架大，所以，热膨胀率的效果变大，有时会造成芯片开裂发生等可靠性的降低。第3发明提供一种上述Si系合金层的Si含有率为90 IOOwt. % (从主要成分以外看，Al含有率不到0. Olwt. % )的接合材料。如果Si系合金含有的Al为0. Olwt. % 以上，则接合时由于在接合材料的表面Al氧化物膜的量增加，有可能不能得到良好的浸润性。Si系合金层的厚度优选做成5 100 μ m。在不到5 μ m的场合，难以确保接合部全区域的浸润性。第4发明提供一种制造方法，在Si系合金层上的Al系合金层之上再施加一层Si 系合金层，通过将这样构成的接合材料通过包层压延来制造。如图3所示，使用轧辊103进行包层压延后，Si系合金层IOla与Al系合金层10 在接触的同时因压力而发生很大的变形，由此，在Si系合金层IOla及Al系合金层10 的表面形成的氧化物膜破坏，通过新生面而金属接合。在包层压延中，在到和Al的扩散变得显著的温度之前，不施加热负荷。 因此，Al不会在表面的Si层上扩散到达最表层，在接合时能够得到良好的浸润性。第5发明提供一种制造方法，在在Si系合金层上的Al系合金层上再施加一层Si系合金层，通过将这样构成的接合材料进行加压成形来制造。如图4所示，使用加压成形机 104进行加压成形后，Si系合金层IOlb与Al系合金层102b在接触的同时因压力而发生很大的变形，由此，在Si系合金层IOlb及Al系合金层102b的表面形成的氧化物膜破坏，通过新生面而金属接合。在加压成形中，只要到Si和Al的扩散变得显著的温度之前不施加热负荷，Al就不会在表面的Si层上扩散到达最表层，在接合时能够得到良好的浸润性。以下具体说明基于上述的第1 第5发明的实施方式及实施例。在此，主要是以通过半导体装置、高功率半导体装置、高功率模块等的管芯焊接上使用的包层压延制造的接合材料为例进行说明。实施方式图5显示本发明的实施方式中的接合材料的截面。本实施方式中的接合材料下面是Si系合金层(也仅记载为Si层或ao 101、中间是Al系合金层(也仅记载为Al层、 Al) 102、最上面上是Si系合金层(也仅记载为Si层或Zn) 101。该接合材料如上述的图3 所示，是通过将Si系合金层101a、Al系合金层102a、ai系合金层IOla重叠压延加工，即通过进行包层压延来制造的。表1中显示这样制造的所有的接合材料(在此称为包层材料)。包层材料1分别是10 μ m厚度Si层、50 μ m厚度Al层、10 μ m厚度Si层。包层材料2是20 μ m厚度Si层、 50 μ m厚度Al层、20 μ m厚度Si层，包层材料3是20 μ m厚度Si层、100 μ m厚度Al层、 20 μ m厚度Si层。表 1
接合材料厚度(mm)Zn层AI层Zn层包层材料1105010包层材料2205020包层材料32010020实施例1 12实施例1 12如图6所示，在半导体装置11的管芯焊接上使用了接合材料10。 该半导体装置11具备半导体元件1 ；连接该半导体元件1的框架2 ；—端为外部端子的引线5 ；将该引线5的另一端与半导体元件1的电极接合的金属线4 ；以及树脂封装半导体元件1及金属线4的封装用树脂6 ；半导体元件1和框架2是由接合材料10接合的构成。在该半导体装置11的制造中，在施加了纯Cu或施加了 Ni、Ni/Ag、Ni/Au镀层的框架2上供给接合材料10，在叠层半导体元件1后，一面加压一面在队氛围气中按400°C、 lmin.加热，进行管芯焊接，届时的接合部的截面如图7所示。框架2与接合材料10的Al 层之间成为在接合时通过Si与Al反应形成的Si-Al合金层。半导体元件1与接合材料 10的Al层之间也同样。其后，用金属线4将半导体元件1与引线5之间进行引线接合，在 180°C下用封装树脂6进行封装。关于实施例1 12 (使用表1的包层材料1、2、3)，对在管芯焊接时的浸润性及将半导体装置在最高温度260°C以上进行了 3次回流试验后的接合维持性进行了评价，将其结果显示在表2中。关于浸润性，将相对于半导体元件的面积得到了 90%以上的浸润性的场合作为〇，将不到90%、75%以上的场合作为Δ，将不到75%的场合作为X。关于 2600C (最高温度)的回流试验，将回流试验后的接合面积相对于回流试验前的接合面积减少了 5%以上的作为X，不到5%的场合作为〇。表权利要求
1.一种半导体装置，具有第一部件、第二部件以及将所述第一部件和所述第二部件接合的连接材料，其特征在于，所述连接材料具有Al系层，在所述Al系层和所述第一部件之间设置的第一 Si-Al系层，在所述Al系层和所述第二部件之间设置的第二 &1-A1系层。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述Al系层的Al含有率为99 IOOwt. %。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于所述Al系层的0.2%屈服强度为 30N/mm2 以下。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述Si系合金层的Al含有率为不到 0. Olwt. %。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述连接材料具有第一面和相反的第二面，所述连接材料的第一面的第一 ai-Ai系层与所述第一部件连接，同时，与所述第一部件连接的区域的相反的区域的所述第二 ai-Ai系层与所述第二部件连接。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述第一部件为半导体元件。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于所述第二部件为基板、框架、金属罩、引线中的任一种。
8.一种半导体装置的制造方法，所述半导体装置通过连接材料将第一部件和第二部件相接合，其特征在于具有在所述第一部件和所述第二部件之间设置连接材料的设置工序，以及在所述设置工序后通过加热处理将所述第一部件和所述第二部件相连接的连接工序；在所述连接工序后，所述连接材料具有Al系层、在所述Al系层的两面上设置的第一和第二 Zn-Al系层。
9.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于在所述连接工序前，所述连接材料具有Al系层、在所述Al系层的两面上设置的第一和第二 Si系层。
10.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于在所述连接工序中， Al系层与第一或者第二 Si系层熔融形成第一或者第二 ai-ΑΙ系层，同时，所述Al系层的一部分不进行所述熔融，而作为Al系层残留。
11.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述Al系层的Al含有率为99 IOOwt. V0o
12.根据权利要求11所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述Al系层的 0. 2%屈服强度为30N/mm2以下。
13.根据权利要求9所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述第一和第二Si 系层的Si含有率为90 IOOwt. %。
14.根据权利要求13所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述第一和第二Si系合金层的Al含有率为不到0. Olwt. %。
15.根据权利要求9所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述连接材料是通过将所述第一或者第二 Si系层在所述Al系层的两面上进行包层压延或加压成形来形成的。
16.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于 所述连接材料具有第一面和相反的第二面，所述连接材料的第一面与所述第一部件连接，同时，与所述第一部件连接的区域的相反的面的区域与所述第二部件连接。
17.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述第一部件为半导体元件。
18.根据权利要求17所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述第二部件为基板、框架、金属罩、引线中的任一种。
全文摘要
本发明提供一种半导体装置及其制造方法，该半导体装置具有第一部件、第二部件以及将所述第一部件和所述第二部件接合的连接材料。所述连接材料具有Al系层、在所述Al系层和所述第一部件之间设置的第一Zn-Al系层以及在所述Al系层和所述第二部件之间设置的第二Zn-Al系层。通过使用该连接材料，在连接时能够抑制连接材料的表面的Al氧化膜的形成，能够得到用Zn-Al合金不能得到的良好的浸润性。另外，在接合后存留有Al系合金层的场合，由于柔软的Al作为应力缓冲材料发挥功能，所以能够得到很高的接合可靠性。
文档编号H01L21/60GK102437130SQ201110375028
公开日2012年5月2日 申请日期2007年11月20日 优先权日2006年11月21日
发明者冈本正英, 池田靖 申请人:株式会社日立制作所