使用银浆料进行结合的方法
【专利说明】使用银浆料进行结合的方法
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年11月14日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2014-0158778号的优先权权益，其全部内容通过弓I用的方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及一种使用银浆料进行结合的方法。更具体而言，本发明涉及一种使用银浆料结合半导体器件的结合方法。
【背景技术】
[0004]随着近来家电变得越来越大并具有越来越大的容量的趋势，对于具有高击穿电压、高电流和高速开关特性的功率半导体器件的需求日益增加。其中，碳化硅(SiC)半导体器件比现有的硅(Si)半导体器件具有更宽的带隙，因此即使在高温也具有稳定的半导体特性。
[0005]然而，必须应用即使在高温也稳定的包装材料，以获得高温操作的效果。具体而言，目前用于结合半导体器件的焊料具有低于230°C的熔点，因而无法在最终运行碳化硅半导体器件的250°C的结合温度下使用。
[0006]为替换目前的焊料，近来已经建议将含有金(Au)的高温焊料等作为替代物。然而，高温焊料等较为昂贵并具有较差的特性例如接合强度。
[0007]此外，已经建议将烧结并接合银(Ag)纳米颗粒的方法作为高温结合的方法，但是需要较长的高温工序，引起器件特性的劣化。已经形成含有介质材料例如玻璃粉的浆料来活化大尺寸银颗粒之间的烧结，但是残余玻璃可能引起电阻增加。
[0008]以上在背景部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因而其可能包含不构成该国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0009]本公开内容致力于提供使用银浆料进行结合的方法，该方法具有无需使用玻璃粉而结合半导体器件的优势。
[0010]本发明的示例性实施方式提供一种使用银浆料进行结合的方法，该方法包括以下步骤:用银浆料涂覆半导体器件或基板，该银浆料包含多个银颗粒和多个铋颗粒；将半导体布置在基板上；以及通过加热银浆料来形成结合层，其中，半导体和基板通过结合层而相互结合。
[0011]在某些实施方式中，在形成结合层的步骤中，加热可以在272°C或更高温度进行。
[0012]在某些实施方式中，在形成结合层的步骤中，加热可以在300°C或更高温度进行。
[0013]在某些实施方式中，形成结合层的步骤可以包括:加热银浆料以将铋颗粒转化为铋液体；用铋液体覆盖银颗粒的表面；使覆盖银颗粒的表面的铋液体接触邻近的铋液体；使铋液体扩散至银颗粒中；以及使银颗粒扩散至铋液体中以形成银颗粒相互接合的结合层。
[0014]在某些实施方式中，在形成结合层的步骤中，基本上所有的铋液体可以扩散到银粉末中。
[0015]在某些实施方式中，铋颗粒可以以1wt %或更少量包含在银浆料中。
[0016]在某些实施方式中，铋颗粒可以以5wt%或更少量包含在银浆料中。
[0017]在某些实施方式中，银颗粒可以具有I?10 μ m范围内的直径。
[0018]在某些实施方式中，铋颗粒可以具有I?10 μ m范围内的直径。
[0019]根据本发明的实施方式，包含银颗粒和铋颗粒的银浆料可以通过仅在铋的熔点加热而接合，由此缩短烧结时间并使得能够使用相对大尺寸的银颗粒。因此，半导体器件暴露于高温的时间得以缩短，由此使得对于半导体器件的损伤最小化。
[0020]此外，因为没有使用非金属烧结介质(mediator)材料例如玻璃粉，因此可以减小电阻。
【附图说明】
[0021]图1和图2是示意性地示出使用银浆料将半导体器件结合于基板的方法的图。
[0022]图3是示意性地示出根据本发明示例性实施方式的银浆料的图。
[0023]图4至图8是按序示出根据本发明示例性实施方式的使用银浆料进行结合的方法的图。
【具体实施方式】
[0024]本发明的示例性实施方式将参照附图进行详细描述。然而，本发明不限于本文所记载的实施方式，因而可以以很多不同形式实施。
[0025]在附图中，为清楚起见，将层、膜、板、区域等的厚度放大。此外，将理解的是，当提到层在另一个层或基板“上”时，其可以直接形成在另一个层或基板上或者第三层可以插在中间。贯穿说明书，相似的附图标记基本指代相似的部件。
[0026]现在，将参照图1至图8说明根据本发明示例性实施方式的使用银浆料进行结合的方法。
[0027]图1和图2是示意性地示出使用银浆料将半导体器件结合于基板的图。
[0028]参照图1和图2，在将银浆料30涂覆在基板10上之后，将碳化硅(SiC)半导体器件20布置在涂覆有银浆料30的基板10上，之后将银浆料30加热并烧结以形成结合层35。因此，半导体器件20和基板10经由结合层35而相互结合。在本示例性实施方式中，将银浆料30涂覆在基板10上，但是本发明并不限于此。例如，在某些实施方式中，银浆料30可以在加热并烧结银浆料30之前涂覆在半导体器件20上。
[0029]在下文中，将详细说明根据本发明示例性实施方式的银浆料和用银浆料进行结合的方法。
[0030]图3是示意性地示出根据本发明示例性实施方式的银浆料的图。
[0031]参照图3，根据本示例性实施方式的银浆料30包含多个银颗粒100和多个铋(Bi)颗粒200。在某些实施方式中，银颗粒100和铋颗粒200可以各自具有I μπι?10 μm的直径。
[0032]在某些实施方式中，铋颗粒200可以以1wt%或更少的量包含在银浆料30中。在某些实施方式中，铋颗粒200可以以5wt%或更少的量包含在银浆料30中。当将铋颗粒200以多于1wt%的量包含在银浆料30中时，在烧结银浆料30时，加热温度可能增加或者铋成分可能留存在结合层35上，造成结合困难。
[0033]图4至图8是示意性地示出根据本发明示例性实施方式的使用银浆料进行结合的方法。
[0034]参照图4，将包含多个银颗粒100和多个铋颗粒200的银浆料30加热。在某些实施方式中，加热在272°C或更高的温度进行。在某些实施方式中，加热在300°C进行。在加热温度高于铋的熔点(约272°C)的情况下，铋颗粒200熔化成铋液体210。由于银的熔点为约962°C，银颗粒100即使在被加热至300°C时仍保持颗粒状态。此外，化学反应不在铋液体210和银颗粒100之间发生。
[0035]参照图5和图6，铋液体210在各个银颗粒100的表面上处于润湿状态，因而铋液体210覆盖各个银颗粒100的表面。术语“润湿状态”是指固-气界面向固-液界面的变化，因为接触固体表面的气体被液体推出。
[0036]之后，覆盖银颗粒100表面的铋液体210与邻近铋液体210接触，由此覆盖各个银颗粒100的铋液体210相互接触。
[0037]参照图7，覆盖银颗粒100的铋液体210经由铋液体210与铋液体210之间的接触而逐渐扩散到银颗粒100中。因而，覆盖银颗粒100的铋液体210的量减少。此外，银颗粒100扩散到相接触的铋液体210中以形成各个银颗粒相互接合的结合区110。
[0038]参照图8，基本上所有覆盖银颗粒100的铋液体210扩散到银颗粒100中，因而铋液体210基本上消失。因此，各个银颗粒100经由结合区110而相互接合以形成结合层35。因此，根据图1的银浆料30形成结合层35，且半导体器件20经由结合层35而结合于基板10。
[0039]该结合方法称为瞬时液相扩散结合法。
[0040]根据瞬时液相扩散结合法，为使相同金属A相互结合，熔点低于金属A的金属B位于金属A之间，之后在高于金属B熔点的温度进行加热，使得金属B液化以在固相金属A中扩散。在某些实施方式中，金属B消失，固相金属A相互接合。
[0041]在本示例性实施方式中，银材料通过使用铋而相互接合，其中铋是熔点低于银的金属材料。换言之，由于银的熔点充分高于铋的熔点，将银颗粒100用于接合，而铋颗粒200是用于接合银颗粒100的活化材料。然而，本发明不限于银和铋；其他金属可以替代用于接合材料和活化材料，只要活化材料的熔点低于接合材料的熔点即可。
[0042]如此，在使用银浆料30进行结合时，同时进行铋液体210向银颗粒100的扩散以及银颗粒向铋液体210的扩散，由此缩短结合时间。
[0043]同时，在现有技术中，现有的使用银浆料进行的结合通过烧结来实现，且烧结温度和烧结时间取决于银颗粒的尺寸。然而，在本示例性实施方式中，可以仅仅通过仅在铋的熔点或更高温度加热银浆料而不熔化银颗粒来使银颗粒相互结合，由此使得可以使用相对大尺寸的银颗粒。此外，在加热以烧结时，加热可以仅在铋的熔点或更高温度进行，由此缩短烧结时间并因而减少半导体器件暴露于高温的时间，使得可以在结合时使对于半导体器件的损伤最小化。
[0044]此外，现有技术中的现有银浆料包含烧结介质材料例如玻璃粉，但是该烧结介质材料不是金属材料，引起电阻的增加。然而，在本示例性实施方式中，将铋颗粒用作用于接合银颗粒的活化材料而无需使用烧结介质材料，由此降低电阻。
[0045]尽管本发明已经结合当前被认为是实用的示例性实施方式进行了描述，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施方式，而是相反地，意在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的多种修改和等同布置。
【主权项】
1.一种使用银浆料进行结合的方法，所述方法包括以下步骤: 使用银浆料涂覆半导体器件或基板，所述银浆料包括多个银颗粒和多个铋颗粒； 将所述半导体器件布置在所述基板上；以及 通过加热所述银浆料来形成结合层， 其中所述半导体器件和所述基板通过所述结合层而相互结合。2.根据权利要求1所述的方法，其中在形成所述结合层的步骤中，所述加热在272°C或更高温度进行。3.根据权利要求2所述的方法，其中在形成所述结合层的步骤中，所述加热在300°C或更高温度进行。4.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述结合层的步骤包括: 加热所述银浆料以将所述铋颗粒转化为铋液体； 用所述铋液体覆盖所述银颗粒的表面； 使覆盖所述银颗粒的表面的铋液体接触邻近的铋液体； 使所述铋液体扩散到所述银颗粒中；以及 使所述银颗粒扩散到所述铋液体中以形成所述银颗粒相互接合的结合层。5.根据权利要求4所述的方法，其中在形成所述结合层的步骤中，基本上所有的所述铋液体扩散到所述银颗粒中。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述铋颗粒以1wt%或更少的量包含在所述银浆料中。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述铋颗粒以5wt%或更少的量包含在所述银浆料中。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述银颗粒具有I?10μ m范围内的直径。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述铋颗粒具有I?10μ m范围内的直径。
【专利摘要】本申请公开一种使用银浆料进行结合的方法，该方法包括使用银浆料涂覆半导体器件或基板。该银浆料包含多个银颗粒和多个铋颗粒。该方法还包括将半导体器件布置在基板上以及通过加热银浆料来形成结合层，其中半导体器件和基板通过结合层相互结合。
【IPC分类】H01L21/60
【公开号】CN105609432
【申请号】CN201510530833
【发明人】洪坰国, 卢炫祐, 郑永均, 千大焕, 李钟锡, 姜修槟
【申请人】现代自动车株式会社
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年8月26日
【公告号】DE102015213586A1, US20160141266