焊料、接点结构及接点结构的制作方法

焊料、接点结构及接点结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种焊料、接点结构及接点结构的制作方法。焊料包括锌基金属层、铜金属膜与贵金属膜。铜金属膜完全覆盖锌基金属层的表面，而贵金属膜完全包覆铜金属膜。接点结构包括锌基金属层以及介金属层。介金属层由锌与贵金属所组成，且介金属层完全覆盖锌基金属层的表面。
【专利说明】焊料、接点结构及接点结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体装置及其制作方法，且特别是涉及一种接点结构、用于形成接点结构的焊料及接点结构的制作方法。
【背景技术】
[0002]为了提升功率模块的能量转换效率，以碳化硅(silicon carbide，SiC)或氮化镓(gallium nitride, GaN)取代娃基底来制作元件,被视为新一代的功率半导体开关技术。以碳化硅元件为例，其提供更低的导通阻抗，更快的切换速度，更低的功率损失(powerloss)，且可承受更高温的操作环境，符合高功率元件技术的发展趋势。然而，芯片的接面温度(junction temperature, Tj )在娃基功率模块运作时仅约为150° C,尚在无铅焊锡(例如Sn3.0Ag0.5Cu)可忍受的温度范围内。导入碳化硅功率模块后，以中小瓦数的电源管理模块而言，Tj高于175° C。而Sn3.0Ag0.5Cu的起始熔化温度仅217° C，在此温度环境下，将会发生剧烈的潜变(creep)效应，不利于接点机械强度的维持，无法满足对长期可靠度的要求，更遑论应用于Tj高达250° C的车用电力模块等产品。因此，对碳化硅功率模块封装而目，耐闻温无铅焊料将是决定广品品质与寿命的关键因素之一。
[0003]有鉴于此，许多研究机构已积极投入高温无铅焊料或耐高温固晶工艺开发。目前广泛使用的高温无铅焊料例如金基合金焊料(AuSn-based solder)、秘基合金焊料(BiAg-based solder)、纳米银金属粉末烧结(Ag paste sintering)、及锌基焊料(Zn-based solder)等。
[0004]锌基焊料相较于其他高温焊料而言,具有成本低、接合范围适当(proper meltingrange)及良好的热电传导特性，极为适合取代其他高温焊料，运用于功率模块组装。然而，锌基焊料容易氧化，且在高温接合工艺中，容易与其他金属(例如铜)反应生成介金属化合物(如CuZn5与Cu5Zn8),不利于功率模块的长期可靠性。

【发明内容】

[0005]本发明提供一种焊料，具有良好的储存安定性，可用以制作具有良好可靠度的接点结构。
[0006]本发明提供一种接点结构，具有良好的可靠度。
[0007]本发明提供一种接点结构的制作方法，可以制作出具有良好可靠度的封装结构。
[0008]本发明提出一种焊料，其包括锌基金属层、铜金属膜以及贵金属膜。铜金属膜完全覆盖锌基金属层的表面，而贵金属膜完全包覆铜金属膜。
[0009]本发明提出一种接点结构，其包括锌基金属层与介金属层。介金属层由锌与贵金属所组成，且完全覆盖锌基金属层的表面。
[0010]在本发明的一实施例中，接点结构还包括高熔点金属层，且高熔点金属层配置于介金属层的四周围。
[0011]本发明提供一种接点结构的制作方法。所述制作方法包括下述步骤。首先，提供焊料。所述焊料包括锌基金属层、铜金属膜与贵金属膜。铜金属膜完全覆盖锌基金属层的表面。贵金属膜完全包覆铜金属膜。而后，加热焊料，使铜金属膜所含的铜扩散进入锌基金属层；且使贵金属膜所含的贵金属与锌基金属层所含的锌反应，由贵金属与锌形成包覆锌基金属层的介金属层。
[0012]在本发明的多个实施例中，锌基金属层的材料包括锌、锌锡合金、锌铝合金或锌铝铜合金，且在锌基金属层中，锌占的比例大于90wt%。
[0013]在本发明的多个实施例中，贵金属例如是金、银或钯。
[0014]在本发明的多个实施例中，介金属层的材料例如是AuZn、AuZn3> AuZn8> Au5Zn3、Au3Zn7λ AuZn2λ AuZn7λ AuZn4λ AgZnλ AgZn3λ Ag5Zn8、PdZnΛ Pd2Zn、PdZn2Λ Pd2Zn80
[0015]基于上述，本发明的各实施例中，在锌基金属层的表面形成铜金属膜与贵金属膜来作为焊料，而具有良好的储存安定性。接合时，焊料中的锌与贵金属反应，形成介金属层。介金属层可保护锌基金属层，使其不易与外界元素反应，还可抑制界面缺陷产生，及防止锌须成长。由此，可形成可靠的耐高温接点结构。
[0016]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1A是第一实施例的焊料的立体图；
[0018]图1B与图1C分别是沿着图1A中的ΑΑ’线与ΒΒ’线绘示的剖视图；
[0019]图2Α至图2C是第二实施例的一种封装结构制作方法的流程剖视图；
[0020]图3Α、图3Β与图3F是第三实施例的一种封装结构制作方法的流程剖视图；
[0021]图3C是第三实施例的接点结构的立体示意图；
[0022]图3D与图3Ε分别是沿着图3C中的CC’线与DD’线绘示的剖视图。
[0023]主要元件符号说明
[0024]101、103、105、201、203、205:金属层
[0025]102,202:芯片
[0026]104、204:载板
[0027]110、120、210、220:焊料
[0028]111,211:接点结构
[0029]112、212:锌基金属层
[0030]112a、112b:表面
[0031]114、214:铜金属膜
[0032]116、216:贵金属膜
[0033]118、218:介金属层
[0034]130、230:散热板
[0035]209:高熔点金属层
【具体实施方式】
[0036]图1A是根据第一实施例的焊料110绘示的立体示意图，图1B与图1C分别是沿着图1A中的AA’线与BB’线绘示的剖视图。
[0037]参照图1A至图1C，焊料110包括锌基金属层112、铜金属膜114与贵金属膜116。根据图1B与图1C可以看出，铜金属膜114完全覆盖锌基金属层112的表面112a，而贵金属膜116完全包覆铜金属膜114。
[0038]在本说明书中，「锌基金属层」意指主要由锌组成的金属层。在各种实施例中，锌基金属层可以是现有的锌基焊料，其材料可为纯锌、锌锡合金、锌铝合金或锌铝铜合金。在一实施例中，锌基金属层的锌含量例如大于90wt%。
[0039]在本说明书中，「贵金属」意指金、钯、钼、铑、银、钌、锇或铱。常用的贵金属例如是金、银或钯。在以下各实施例中，贵金属是以金为例进行说明。
[0040]图2A至图2C是根据第二实施例而绘示的一种封装结构制作方法的流程剖视图。
[0041]参照图2A，首先，提供芯片102与载板104。芯片102可以是任意一种半导体芯片。如果以基底的材料分类，可例举娃基(S1-based)元件、碳化娃基(SiObased)元件或氮化镓基(GaN-based)元件。如果以元件的类型分类，可例举金氧半导体晶体管(MOSFET)或绝缘闸双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)芯片。载板104可以是适于与芯片102接合的任意基板,例如铜基板、覆铜陶瓷基板(Direct bonded copper, DBC)、娃中介层、导线架(lead frame)、电镀铜陶瓷基板、印刷电路板或另一芯片。
[0042]接着，在芯片102与载板104之间配置焊料110。焊料110可以预先形成，并储存备用。
[0043]如第一实施例所述，焊料110包括锌基金属层112、铜金属膜114以及贵金属膜116。锌基金属层112具有表面112a。在本实施例中，表面112a意指锌基金属层112的整个外表面。在图2A所不的状况中，表面112a包括锌基金属层112的上表面、下表面以及侧表面。铜金属膜114完全覆盖锌基金属层112的表面112a。贵金属膜116则再完全包覆铜金属膜114。介于锌基金属层112与贵金属膜116之间的铜金属膜114可以避免锌基金属层112与贵金属膜116在焊料110的储存期间发生反应。铜金属膜114与贵金属膜116例如是以溅镀的方式形成，但本发明不限于此，凡是沉积工艺领域中适于形成金属薄膜的制作工艺，均可用来形成铜金属膜114与贵金属膜116。
[0044]此外，芯片102上还可以形成一层金属层101。金属层101配置于芯片102待与焊料110相接的表面，其材料例如为镍或铜。在第二实施例中，金属层101的材料为铜。再者，载板104的上下表面处也可配置有金属层103与金属层105，其材料的选择可与金属层101相同。在第二实施例中，金属层103与金属层105的材料也可为铜。金属层101、金属层103与金属层105的形成方法可与铜金属膜114与贵金属膜116的形成方法相同。
[0045]参照图2B，加热焊料110，加热的温度需视焊料110所含的金属而选择，在本实施例中，加热温度例如是250°C?300°C;且加热例如是以热压、汽相真空回焊等方式进行。在加热的同时，可对焊料110施予压力，避免界面孔隙的形成。此处所谓的界面，指焊料与芯片或载板的接合处，在第二实施例中，即为焊料110与金属层101和金属层103的接合处。
[0046]加热的过程中，焊料110中的各金属元素(在第二实施例中为锌、铜、金)交互扩散(inter-diffusion),铜金属膜114中的铜扩散进入锌基金属层112,且加热完成后可能大致停驻在锌基金属层112的表面112b附近。由此，可能提高锌基金属层112的机械性质(如强度或延展性)，使得接点结构111具有较佳的可靠度。加热过程使得铜扩散进入锌基金属层112中，因此，加热前后的锌基金属层112所含的成份略有不同，但是仍以锌为其主材料。
[0047]由于焊料110中的各金属元素在加热过程中会交互扩散，甚至反应而形成介金属(以下将有更详细的说明)，锌基金属层112的「表面」可能会移动，因此，在图2B中以不同的标号112b来标示锌基金属层112经历加热以后的表面，以与图2A (以及图1B、图1C)的表面112a区分。
[0048]在第二实施例中，铜金属膜114所含的铜实质上全部扩散进入锌基金属层112，因此，制作工艺完成以后，接点结构中实质上见不到铜金属膜114的存在。
[0049]在第二实施例中，贵金属膜116中的金与锌基金属层112中的锌交互扩散，从而形成完全包覆锌基金属层112的介金属层118。介金属层118的材料例如为AuZn、AuZn3、AuZn8、Au5Zn3、Au3Zn7、AuZn2、AuZn7、AuZn40
[0050]介金属层118是稳定性很高的材料，可以抑制锌基金属层112的氧化，减少接合处的界面缺陷与锌须的产生，有效提升封装结构的耐温性与长期可靠度。
[0051]参照图2C，在芯片102与载板104为功率模块的一部分的实施例中，将芯片102与载板104接合以后,可再将载板104通过另一焊料120接合至散热板(radiator plate)130，从而完成功率模块的封装工艺。焊料120可为现有的焊料，或者可与前述的焊料110相同。
[0052]图3A、图3B与图3F是根据第三实施例而绘示的一种封装结构制作方法的流程剖视图。
[0053]参照图3A，封装结构的制作方法包括以下步骤。首先，提供芯片202与载板204，接着在芯片202与载板204之间配置焊料210。焊料210包括锌基金属层212、铜金属膜214以及贵金属膜216。此外，芯片202上还可以形成一层金属层201 ;载板204的上下表面处也可配置有金属层203与金属层205。
[0054]芯片202、载板204、焊料210(锌基金属层212、铜金属膜214以及贵金属膜216)、金属层201、金属层203与金属层205可与第二实施例中对应者相同，于此不再重述。
[0055]第三实施例与第二实施例的差异在于，加热焊料210之前，还在载板204上形成配置于焊料210四周围的高熔点金属层209。
[0056]在本说明书中，「高熔点金属」意指熔点比锌高的金属，即为熔点大于300°C的金属。在各种实施例中，高熔点金属层209的材料可为金、银或铜。在第三实施例中，高熔点金属层209的材料为纯铜。
[0057]参照图3B，对焊料210及高熔点金属层209加热，加热的温度与方式，以及加热过程中焊料210与锌基金属层212所含的各种金属元素的相互反应可与第二实施例中所述者相同，于此不再重述。值得注意的是，由于高熔点金属层209的熔点大于加热温度，因此在加热过程中不会与焊料210中的任何金属层进行反应。
[0058]加热以后，焊料210转变为接点结构211。接点结构211包括锌基金属层212以及介金属层218。介金属层218完全包围锌基金属层212,且其材料可与第二实施例中所述的介金属层118相同。接合以后，高熔点金属层209作为止动构件，可以在封装结构承受剪力的时候防止芯片202歪斜或倾倒及作为锌基接点应力的释放层(Stress free layer)。
[0059]为了更清楚呈现发明概念，在图3C中呈现了接点结构211与高熔点金属层209的立体示意图，而图3D与图3E分别为沿着图3C中的CC’线与DD’线的剖视图。[0060]如图3C至图3E所示，将焊料210用于接合工艺时，焊料210因受热而转变为接点结构211。接点结构211包括锌基金属层212以及介金属层218。介金属层218由锌与贵金属所组成，且由图3D与图3E可以看出，介金属层218完全覆盖锌基金属层212的表面212b。在本实施例中，介金属层218的材料例如为AuZn、AuZn3> AuZn8> Au5Zn3、Au3Zn7、AuZn2、AuZn7、AuZn4。此外,在贵金属膜的材料为银或IE的其他实施例中，介金属层的材料可为 AgZn、AgZn3> Ag5Zn8^ PdZn> Pd2Zn> PdZn2> Pd2Zngo 高熔点金属层 209 配置在介金属层 218的四周围。
[0061]参照图3F，在芯片202与载板204为功率模块的一部分的实施例中，将芯片202与载板204接合以后，可以再将载板204通过另一焊料220接合至散热板230，从而完成功率模块的封装工艺。焊料220可为现有的焊料，或者可与前述的焊料210相同。
[0062]以上，已根据本发明的概念说明了多种实施例。应指出，本发明不特别限制接点结构的形状或尺寸。然而，锌基金属本身即为一种可耐受高温的焊料，因此，在一些特定的实施型态中，可能会将其应用在功率芯片的接合。此时，接点结构可为片状。片状的接点结构可形成大面积接点，适于将功率芯片贴附至DBC基板或将DBC基板贴附至散热板。
[0063]综上所述，在以上各实施例中，在锌基金属层的表面形成铜金属膜与贵金属膜来作为焊料，而具有良好的储存安定性。将此焊料运用于半导体元件组装时，可降低预期工艺的峰温(例如可降低至280° C以下)。焊料中的锌与贵金属反应，形成介金属层。介金属层作为扩散障碍层，可防止锌与载板或芯片上的铜反应生成CuZn5与Cu5Zn8介金属(这种铜锌系介金属很不安定，容易降低接点的可靠度)，还可抑制界面缺陷产生，形成可靠的耐高温接点，有效提升功率模块的长期可靠度。
[0064]虽然已结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属【技术领域】中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求`所界定的为准。
【权利要求】
1.一种焊料，包括: 锌基金属层，具有表面； 铜金属膜，完全覆盖该锌基金属层的该表面；以及 贵金属膜，完全包覆该铜金属膜。
2.如权利要求1所述的焊料，其中该锌基金属层的材料包括锌、锌锡合金、锌铝合金或锌铝铜合金，且在该锌基金属层中，锌占的比例大于90wt%。
3.如权利要求1所述的焊料，其中该贵金属膜的材料包括金、银或钯。
4.一种接点结构，包括: 锌基金属层，具有表面；以及 介金属层，由锌与贵金属所组成，该介金属层完全覆盖该锌基金属层的该表面。
5.如权利要求4所述的接点结构，其中该锌基金属层的材料包括锌、锌锡合金、锌铝合金或锌铝铜合金，且在该锌基金属层中，锌占的比例大于90wt%。
6.如权利要求4所述的接点结构，其中该贵金属包括金、银或钯。
7.如权利要求4所述的接点结构，其中该介金属层的材料包括AuZn、AuZn3>AuZn8>Au5Zn3λ Au3Zn7、AuZn2Λ AuZn7、AuZn4λ AgZnλ AgZn3、Ag5Zn8Λ PdZnΛ Pd2Zn、PdZn2Λ Pd2Zn80
8.如权利要求4所述的接点结构，还包括高熔点金属层，配置于该介金属层的四周围。
9.一种接点结构的制作方法，包括: 提供焊料，该焊料包括: 锌基金属层，具有表面； 铜金属膜，完全覆盖该锌基金属层的该表面；以及 贵金属膜，完全包覆该铜金属膜；以及 加热该焊料，使该铜金属膜所含的铜扩散进入该锌基金属层，且使该贵金属膜所含的贵金属与该锌基金属层所含的锌反应，而由该贵金属与锌形成完全包覆该锌基金属层的介金属层。
10.如权利要求9所述的接点结构的制作方法，其中该锌基金属层的材料包括锌、锌锡合金、锌铝合金或锌铝铜合金，且在该锌基金属层中，锌占的比例大于90wt%。
11.如权利要求9所述的接点结构的制作方法，其中该贵金属膜的材料包括金、银或钯。
12.如权利要求9所述的接点结构的制作方法，其中该介金属层的材料包括AuZn、AuZn3λ AuZn8 λ Au5Zn3、Au3Zn7、AuZn2 Λ AuZn7 Λ AuZn4λ AgZn λ AgZn3 λ Ag5Zn8 λ PdZn λ Pd2Zn、PdZn2 ΛPd2Zn80
【文档编号】H01L21/48GK103811447SQ201310008305
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年1月9日 优先权日:2012年11月15日
【发明者】高国书, 张道智, 陈文志 申请人:财团法人工业技术研究院