专利名称：接合结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及使用了玻璃和焊锡的接合结构。
背景技术：
作为以前的接合方式，已知在连接部中使用了焊锡(例如，参照专利文献1)。在专 利文献1中，用焊锡对基板间进行接合，以保护形成在基板上的导体层和延长基板寿命为 目的，用玻璃覆盖导体层和基板表面。专利文献1 日本特开2009-182238号公报当前，在例如汽车发动机室内等200°C以上的高温环境的区域的基板和功能元件 的导体层进行电接合中所使用的接合材料使用了含有1 的焊锡。作为能在高温环境下使 用的接合材料，由于至今还没有代替含85%以上1 的Sn-Pb焊锡的技术，因此，根据在对 Pb等的存在有害性的物质加以限制的RoHS指令(Restriction of Hazardous Substances) 许可使用Sri+b焊锡。但是，预计今后也会禁止使用Sri+b焊锡。该情况下的问题在于，除 了 Sn-Pb焊锡以外，还不存在能够在200°C以上的高温环境下长时间维持高可靠性接合的 接合材料。因此要求一种代替Sn-Pb焊锡而能够在高温环境下维持高可靠性接合的接合技 术。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，并提供一种接合部耐高温环境，能够维持高可 靠性接合的接合方式。为了达到上述目的，本发明中利用焊锡和玻璃来接合第一部件和第二部件。这时， 通过使玻璃封闭焊锡的方式来用玻璃抑制在高温下熔化的焊锡的流出。本发明的效果如下。根据本发明，由于是用玻璃覆盖焊锡接合部的接合方式，因此，即使在焊锡的熔点 以上的高温环境下焊锡熔化，焊锡也不会向接合部的周围流出，因而能够在高温环境下用 玻璃来保持接合部的强度，能够实现在高温环境下使用的部件的接合。此外，根据本发明，由于焊锡接合部被玻璃覆盖，因此耐气候性优良。
图1是表示将本发明的一个实施例的功能元件安装在基板上之前的状态的剖视 图。图2是表示将本发明的作为基本结构的功能元件安装在基板上的状态的剖视图。图3是表示将本发明的作为基本结构的功能元件安装在基板上之前的状态的剖 视图，是表示去掉了形成在焊锡上的玻璃的一部分的状态的剖视图。图4是表示将本发明的作为基本结构的功能元件安装在基板上之前的状态的剖 视图，是表示在功能元件的接合面侧所形成的导体层的一部分上形成有凹凸形状的导体层的状态的剖视图。图5是表示本发明的第二实施方式的图。图6是表示本发明的第二实施方式的图。图7是表示本发明的第二实施方式的图。图8是表示本发明的第二实施方式的图。图中1-功能元件，2-第一导体层(功能元件的接合面侧)，3-焊锡，4-玻璃，5-基板， 6-第二导体层(功能元件的接合面的相反侧)，7-第三导体层(基板1的接合面侧)，8-凸 起形状的焊锡或金属，9-凸起状的导体层。
具体实施例方式以下，参照图1至图8，对本发明的对基板与基板以及基板与功能元件进行接合， 用玻璃覆盖接合部的接合方式、以及用玻璃覆盖焊锡的方式制作的接合材料的制造方法进 行说明。实施例1用图1至图4，对本发明的第一实施方式的、在200°C以上的高温环境下使用的二 极管等的功能元件1的接合进行说明。图2是本实施例的接合结构的剖视图。功能元件1通过焊锡3和玻璃4接合在基 板5上。功能元件1是例如以SiC为主要成分的功率半导体，在其主面上形成有导电层2、 6。基板5是例如以SiC为主要成分的基板、金属芯基板等的散热性优良的基板，在该功能 元件1侧的主面上形成有导体层7。在本实施例中，通过用焊锡接合基板5和功能元件1， 而电连接基板5上的导体层7与功能元件1上的导体层2。另外，通过用玻璃4覆盖接合部 的焊锡3，使其散热性优良，即使在使用环境是200°C以上的高温中也能够维持长时间的接 合可靠性。玻璃4也对基板5和功能元件1进行接合，并且封闭焊锡3。已知玻璃是玻璃 料、玻璃浆等接合部件和封闭部件，能够实现牢固且耐热性高的接合。但是，玻璃由于导电 性低，因此不能够作为导体来使用。在本实施例中，以焊锡3确保导电性，用玻璃4封闭焊 锡进行接合，从而提高了耐热性。例如，通过使用比焊锡3熔点高的玻璃作为玻璃4，即使焊 锡3熔化了，由于被玻璃封闭住，因而焊锡3也不会立即流出，当温度降低时，焊锡3又凝固 成原样。从而，利用焊锡3和玻璃4的接合，能够提高耐久性和耐热性。再有，作为进行连接的对象，本实施例中设为基板5和功能元件1，但不限定于此， 只要是连接两个以上的部件，任何部件都能适用。作为功能元件1，不限定于功率半导体，各 种种类的功能元件都能适用，但在功率半导体等容易变成高温的功能元件的情况下，尤其 能够发挥高耐热性的效果。此外，作为功率半导体，不限定于SiC，也能适用于GaN等。此 外，通过在使用焊锡中不含有1 的焊锡，使用在玻璃中不含有1 的玻璃，即使根据RoHS指 令限制Sn-H3焊锡之后，也不会被限制使用。为了从外部向作为功能元件1的功率半导体 送电以及对从功率半导体发生的热进行散热，第一导体层2、第二导体层6和第三导体层7， 使用Cu或Cu合金、Al或Al合金、Ni或Ni合金的金属、或者由Au或Au合金构成的金属来 形成。下面，对本实施例的接合结构的大致的形成工艺进行说明。
图1是在基板5上安装功能元件1之前的剖视图。图3是在基板5上安装功能元 件1之前去掉了形成在焊锡3的接合面侧的玻璃4的状态的剖视图。图2是在基板5上安 装了功能元件1之后的完成的接合结构的剖视图。图4是在基板5上安装已在功能元件1 的接合面侧的一部分上形成了具有凹凸形状的导体层2的上述功能元件1之前的剖视图。首先，在基板5的接合面侧，通过采用光刻技术的半导体工艺形成作为电极的第 三导体层7。接着，利用蒸镀、飞溅、电镀或者网板印刷技术，在导体层7上形成焊锡3。利 用网板印刷技术印刷玻璃4，使完全覆盖所形成的焊锡。然后，将印刷有上述玻璃4的基板 放置在100°C至150°C程度的温度环境中，干燥玻璃4。之后，在接合作为功能元件1的功率 半导体之前，如图3所示，通过研磨等去掉接合功能元件1的一侧的主面的玻璃4，使焊锡 3露出。由此，在将功率半导体接合在基板5上时，形成在功率半导体侧的第一导体层2与 焊锡3的露出部分接触。之后，通过以加热状态保持在能够用玻璃4接合功率半导体和基 板7的温度下，对基板5和功能元件1进行接合，然后进行冷却，能够同时实现使用了玻璃 4的接合和使用了焊锡3的金属性接合。这时，由于加热而焊锡3熔化，玻璃4软化但并不 完全熔化，因此，焊锡3和玻璃4只有很少量混杂，能够以独立的状态接合。由于玻璃相对 于可连接温度耐久温度更高，因此所完成的连接结构成为耐热性高的结构。此外，在接合作为功能元件的功率半导体之前，如图4所示，也可以通过使第一导 体层2成为凹凸形状来省略去掉玻璃的工序。凹凸形状可以通过使用复制术、纳米刻印技 术以及使用溶液的湿蚀刻来形成凹凸形状。优选凹凸大于焊锡3上的玻璃4的厚度。由此， 为了在基板5上接合功率半导体进行加热时，由第一导体层2的凸部刺破软化状态的玻璃 4，使第一导体层2与焊锡3相接触，从而能够用玻璃4接合功率半导体和基板7。根据本发明，由于是用玻璃4覆盖焊锡接合部的接合方式，因此，即使在焊锡熔点 以上的高温环境下焊锡被熔化，焊锡也不会向接合部的周围流出，因而能够实现在高温环 境下使用的部件的接合。此外，根据本发明，由于用玻璃覆盖焊锡接合部，焊锡接合部周边用该玻璃接合， 因此，即使在高温环境下焊锡被熔化，也能够用玻璃来确保接合部的强度。因此，不需要以 使用用于加强接合部的强度的底部填充胶(underfill)，能够减少底部填充胶的材料费用 和向接合部注入底部填充胶的工序。此外，根据本发明，由于采用了用玻璃4覆盖焊锡接合部的接合方式，因此，即使 在焊锡熔点以上的高温环境下焊锡被熔化，焊锡也不会向接合部的周围流出，因而能够在 高温环境下维持焊锡熔化的状态，从而能够降低因被接合材料的热膨胀系数之差所产生的 热应力。实施例2下面，使用图5至图8，对本发明的第二实施方式进行说明。在第二实施方式中，与 第一实施方式的不同点在于，取代使用焊锡3进行的接合，而使用凸起(bump)形状的接合 金属(焊锡或金属)8进行接合。图5是在基板5上安装功能元件1之前的剖视图。图6是在基板5上安装了功能 元件1之后的剖视图。图7是在基板5上安装功能元件1之前去掉了形成在凸起形状的焊 锡或金属8的接合面侧的玻璃4的状态的剖视图。图8是在基板5上安装已在功能元件1 的接合面侧的一部分上形成了具有凹凸形状的导体层2的上述功能元件1之前的剖视图。
所完成的接合结构如图6所示，基板5和功能元件1通过玻璃4和被玻璃4封闭 的凸起状接合部件8来接合，与实施例1同样地具有高耐久性和耐热性。另外，由于利用多 个接合金属8进行接合，因此也能适用于微细配线图案。在本实施例中的接合结构的制造方法中，与实施例1同样地在基板5上形成接合 金属8，在接合金属8上面形成玻璃4，如图7所示地去掉玻璃4的一部分，通过加热使接合 金属8和玻璃4熔化而接合功能元件1。在此，如图8所示，通过使形成在功能元1侧的接 合金属8成为前端尖的凸起形状的金属，从而使凸起形状能够刺破玻璃后接合，能够省略 去掉玻璃4的一部分的工序。通过采用如上所述的第二实施方式，还能适用于微细配线图案的安装。实施例3下面，对本发明的第三实施方式进行说明。第三实施方式是在第一和第二实施方 式中说明的焊锡3的表面上进一步形成有Ag膜或Au膜，在形成Ag膜的情况下进一步在 Ag膜的表面上形成Au膜，防止焊锡表面的氧化。Ag膜是0. 1 μ m程度的厚度，发挥防氧化 功能，尤其是对非焊剂的连接工艺有效的技术。但是，Ag膜或Au膜的形成不是必须的。例 如，在能使用焊剂的情况下和即使不进行焊锡表面的防氧化处理也能够形成良好的连接的 情况下，有时也不需要形成Ag膜或Au膜。如以上说明的，根据第三实施方式，由于不需要在焊锡上涂覆用于提高焊锡粘着 性的焊剂、也不需要清洗焊剂，因此还能防止因焊剂残渣腐蚀配线部导致电子部件发生故障。
权利要求
1.一种接合结构，接合第一部件和第二部件而成，其特征在于， 由焊锡连接上述第一部件和上述第二部件，利用玻璃封闭上述焊锡。
2.根据权利要求1所述的接合结构，其特征在于，上述第一部件和上述第二部件是利用上述焊锡和上述玻璃接合的。
3.根据权利要求1所述的接合结构，其特征在于，上述焊锡的整体被上述第一基板和第二基板及上述玻璃覆盖。
4.根据权利要求1所述的接合结构，其特征在于，上述第一基板和上述第二基板在与上述焊锡接合的部分具有导体层。
5.根据权利要求4所述的接合结构，其特征在于，上述第一部件和第二部件的导体层的材料是Cu或Cu合金、Al或Al合金、Ni或Ni合 金的金属、或者Au或Au合金的任一种。
6.根据权利要求1所述的接合结构，其特征在于，在上述接合方式中使用的焊锡的表面形成有层叠Ag、Au或Ag和Au而构成的膜。
7.根据权利要求6所述的接合结构，其特征在于，在上述焊锡的表面通过蒸镀、飞溅或电镀形成上述层叠Ag、Au或Ag和Au而构成的膜。
8.根据权利要求1所述的接合结构，其特征在于，在上述第一部件与上述第二部件之间形成有多个上述焊锡和封闭上述焊锡的玻璃。
9.根据权利要求1所述的接合结构，其特征在于， 上述第一部件是基板，上述第二部件是功能元件。
10.一种接合结构的制造方法，该接合结构接合上述第一部件和第二部件而成，该方法 的特征在于，包括在第一基板的表面上形成焊锡图案的工序；在上述焊锡图案的上面，以覆盖焊锡图案的方式形成玻璃的工序；对上述焊锡图案和上述玻璃接合上述第二部件，使得上述玻璃封闭上述焊锡图案的工序。
11.根据权利要求10所述的接合结构的制造方法，其特征在于，包括以下工序在接合上述第二基板前，去掉上述玻璃的一部分，使上述焊锡图案露出O
12.根据权利要求10所述的接合结构的制造方法，其特征在于， 在上述第二部件上具有接合于上述焊锡图案的导体层， 上述导体层具有凹凸形状。
13.根据权利要求10所述的接合结构的制造方法，其特征在于， 在上述第二部件上具有接合于上述焊锡图案的导体层， 上述导体层具有凸起形状。
全文摘要
本发明代替含有Pb的焊锡的能够在高温环境下维持高可靠性接合的接合材料，提供一种接合部耐高温环境，且能够维持高可靠性接合的接合结构。本发明在第一部件(5)和第二部件(1)的接合结构中，利用焊锡(3)和玻璃(4)接合第一部件(5)和第二部件(1)，通过玻璃(4)封闭焊锡(3)来确保导电性，同时能够抑制在高温时因焊锡熔化而流出，从而提高耐久性。
文档编号H01L23/00GK102117781SQ20101058011
公开日2011年7月6日 申请日期2010年11月29日 优先权日2009年12月11日
发明者坂本英次, 秦昌平 申请人:株式会社日立制作所