专利名称：半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置，特别涉及利用焊料来将半导体元件和支承板进行接合的技术。
背景技术：
由于世界各国对环境保护的意识增强，因此作为用于将电子元器件装载于基板的焊料，主要普及有Sn-Ag-Cu系列的无1 焊料。但是，对于例如功率用IGBTansulated Gate Bipolar ^Transistor 绝缘栅双极型晶体管)模块的内部接合材料，仍然在使用1 焊料。这是因为对于在用以将半导体元件固定于支承板的装载部的内部接合中使用的焊料，要求在将模块和母板进行接合时的回流安装温度下不会熔融。若用于内部接合的焊料因回流安装温度而再熔融，则产生模块短路的问题。回流安装温度一般为240°C ^KTC。回流安装也被称为二次安装。因此，寻求在回流安装温度下不会熔融的无1 焊料，例如在专利文献1中，作为以满足该要求为目的的焊料，记载有以Bi为主成分的高温无1 焊料。该高温无1 焊料含有约2wt % 约18wt %的量的Ag、约98wt % 约82wt %的量的Bi、以及到约1 OOOppm的量的锌、镍、锗或它们的组合中的至少一种。此外，该高温无1 焊料具有约沈2. 5°C以上的固相线和约400°C以下的液相线。另一方面，作为用于内部接合的其他接合材料，例如在专利文献2中，记载有导电性粘接剂。该导电性粘接剂是使^Vg填料和粒子状树脂成分混合分散、并利用挥发性溶剂来形成糊状。Ag填料含有率最大为90%，热导率最大为60W/(m · K)。专利文献1 日本国专利特表2005-503926号公报专利文献2 日本国专利特开2001-351929号公报
发明内容
然而，上述专利文献1所记载的焊料以Bi为主成分。因此，热导率为9W/(m · K) 左右，比仍在市场上使用的1 焊料的热导率(35W/(m · K)左右)要低。例如，在半导体元件的发热源的下部放置有热导率为9W/(m · K)左右的焊料，该半导体元件装载于嵌入到电源电路中的功率用IGBT模块，在此情况下，散热性变差。由此，上述专利文献1所记载的焊料具有不得不提高散热性的问题。另一方面，上述专利文献2所记载的导电性粘接剂是通过使Ag填料的调配比最大增加到90 %、以使热导率最大上升到60W/ (Hi-K)0另外，一般的含有Ag填料的导电性粘接剂的热导率为1. 0ff/(m · K) 1. 3ff/(m · K)。但是，随着电子设备的高性能化，例如对于装载于功率用IGBT模块的半导体元件，要求控制目前以上的大电流。随着该大电流化，半导体元件的发热量增加2 3倍左右。因此，对于用于内部接合的接合材料，要求热导率为 70ff/(m.K) 100W/(m*K)。由此，上述专利文献2所记载的导电性粘接剂具有不得不提高散热性的问题。
本发明的目的在于解决上述问题。即，本发明的目的在于提供一种半导体装置，能既确保半导体元件与引线框等支承板之间有足够的接合强度，又提高来自半导体元件的发热向支承板的散热性，并能提高产品合格率。为了达到上述目的，本发明的半导体装置的特征在于，包括支承板；形成于所述支承板上的电极表面处理层；半导体元件；以及焊料，该焊料在以Bi为主成分的第一金属的内部含有熔点高于所述第一金属的第二金属的粒子，并将所述电极表面处理层和所述半导体元件进行接合，在所述焊料的与所述半导体元件的中央部相对应的区域，所述第二金属的组分比率高于所述第一金属，在与所述中央部相对应的区域的外侧的区域，所述第一金属的组分比率高于所述第二金属，在与所述中央部相对应的区域内，所述第二金属的组分比率为83. 8原子％以上。根据本发明，在半导体元件的中央部的下部配置有高热导率的金属，能使来自半导体元件的发热有效地从接合材料即焊料散热。因此，能既确保半导体元件与支承板之间有足够的接合强度，又提高来自半导体元件的发热向支承板的散热性，并能提高产品合格率。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造工序的流程图，详细而言，图1(a) 图1(e)是分别表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造工序中的一道工序的剖视示意图，图1(f)是与本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造工序相对应的流程图。图2是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造工序中的焊料的状态变化的剖视示意图，详细而言，图2(a) 图2(c)是分别表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造工序中的焊料的状态变化中的一个状态的剖视示意图。图3是本发明的实施方式所涉及的半导体装置的示意图，详细而言，图3(a)是本发明的实施方式所涉及的半导体装置的俯视示意图，图3(b)是沿图3(a)所示的X-X’线的剖视示意图。图4是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造工序中、氧浓度与焊接不良发生率的关系的图。图5是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造工序中、焊料的放置载荷与第一金属的熔出量的关系的图。图6是表示本发明的实施方式所涉及的半导体装置的制造工序中、从电极表面处理层到轧制工具的距离与轧制率的关系的图。图7是本发明的实施方式所涉及的半导体装置中的焊料的组分说明图，详细而言，图7(a)是从横向观察本发明的实施方式所涉及的半导体装置的横向剖视示意图，图 7(b)是沿图7(a)所示的S-S’线的纵向剖视示意图。
具体实施例方式下面，参照附图，具体说明本发明的实施方式。在本实施方式中，对利用以Bi为主成分的焊料来将半导体元件和支承板进行了接合的半导体装置进行说明。
首先，对本实施方式所涉及的半导体装置的制造工序进行说明。图1(a) 图1(f) 是表示本实施方式所涉及的半导体装置的制造工序的流程图。具体而言，图1 (a) 图1 (e) 表示各制造工序中的剖视示意图，图1(f)表示与各制造工序相对应而由步骤001 步骤 005示出的流程图。该制造工序是用于制造具有热传导性优良的裸芯片焊接(die bond)接合部的半导体装置的工序。首先，利用图1(a)来说明步骤001。在步骤001中，准备引线框101，作为支承板。 引线框101是Cu合金制的。由于Cu合金与熔融状态的Bi的浸润性较差，因此，在引线框 101上，需要由与熔融状态的Bi的浸润性较好的材料形成的电极表面处理层。因而，在步骤 001中，准备在电极部分形成有与Bi的浸润性较好的电极表面处理层102的引线框101。接下来，利用图1(b)来说明步骤002。在步骤002中，在引线框101的形成于电极部分的电极表面处理层102的上表面的重心部，放置有以Bi为主成分的焊料103。此处，对放置焊料103的方法进行说明。首先，为了使Bi稳定并熔融，将引线框 101在比Bi的熔点271°C要高30°C以上的温度下进行保温。接下来，通过使吸附有一个焊料103的焊料吸附工具106移动，来将其所吸附的焊料103放置于电极表面处理层102的上表面的重心部。之后，解除焊料吸附工具106的吸附，撤除焊料吸附工具106。焊料103 在以Bi为主成分的第一金属104的外周部，分散有熔点高于该第一金属104且高热导率的第二金属105的粒子，从而形成双层结构。此处，利用图2，对在将焊料103放置在电极表面处理层102上时的焊料103的状态变化进行说明。图2是表示本实施方式所涉及的半导体装置的制造工序中的焊料的状态变化的剖视示意图。若如图2(a)所示，将焊料103放置在加热后的引线框101的电极表面处理层102 上，则如图2(b)所示，焊料103的第一金属104开始熔融。熔融后的第一金属104从存在于焊料103的外周部的第二金属105的粒子的粒子边界间隙处熔出，并在电极表面处理层 102上浸润。若再经过一段时间，则如图2(c)所示，焊料103的第一金属104在电极表面处理层102上浸润扩散，比重比第一金属104要小的第二金属105悬浮在焊料103的表面。 此时，第一金属104以电极表面处理层102的上表面的重心部为中心而浸润扩散。因而，浸润扩散后的第一金属104的表面的中心与电极表面处理层102的上表面的重心部相对应。 这样，最终，浸润扩散后的第一金属104的表面的中央部的第二金属105的粒子数、比该中央部周围的第二金属105的粒子数要多。另外，也可以在第一金属中添加不对熔点带来影响的程度的、Bi以外的金属。例如，也可以对Bi添加0. 06重量％的量的Ge。接下来，利用图1(c)来说明步骤003。在步骤003中，在引线框101的电极表面处理层102上对焊料103进行轧制。此时，以电极表面处理层102的上表面的重心部为中心， 对焊料103进行轧制。因而，轧制后的焊料103的中心与电极表面处理层102的上表面的重心部相对应。在该实施方式中，通过使轧制工具107下降，从而在电极表面处理层102上对焊料103进行轧制。接下来，利用图1(d)来说明步骤004。在步骤004中，在轧制后的焊料103上放置半导体元件109。此时，放置半导体元件109，使得半导体元件109的下表面(与电极表面处理层102相对的面)的中心位于电极表面处理层102的上表面的重心部。在本实施方式中，通过使吸附有半导体元件109的半导体元件吸附工具108移动，来将其所吸附的半导体元件109放置于在电极表面处理层102上进行了轧制的焊料103上。在放置了半导体元件 109之后，解除半导体元件吸附工具108的吸附，撤除半导体元件吸附工具108。接下来，利用图1 (e)来说明步骤005。在步骤005中，通过使焊料103冷却凝固， 将引线框101上的表面电极处理层102和半导体元件109进行接合。接下来，说明本实施方式的半导体装置。图3 (a)及图3(b)是本实施方式所涉及的半导体装置的示意图。具体而言，图3(a)是半导体装置的俯视示意图，图3(b)是沿图3(a) 所示的X-X’线的剖视示意图。如图3(b)所示，在将半导体元件109和引线框101进行接合的裸芯片焊接接合部(焊料接合部)的中央部，第二金属105的比例大于第一金属104， 相反，在该中央部的外侧，第一金属104的比例大于第二金属105。裸芯片焊接接合部的中央部是与半导体元件109的中央部相对应的区域。接下来，按照上述步骤的顺序来说明本实施方式的一个实施例。另外，在本实施例中，制造了装载有Si制半导体元件的功率用IGBT模块。首先，利用图1(a)来说明步骤001。在本实施例中，在引线框101上的顶面尺寸为4. 5mmX 5. 5mm的电极部分(未图示)，通过电镀法将Ag以3 μ m的厚度成膜，作为电极表面处理层102。另外，在本实施例中，虽然是将Ag以3μπι的厚度成膜作为电极表面处理层 102，但也可以利用作为与熔融状态的Bi的浸润性较好的金属的Au、Ni、Co、Si，对于厚度， 考虑到1 μ m的成膜厚度偏差，在1 μ m以上即可。接下来，利用图1 (b)来说明步骤002。此处利用的焊料103是直径为Imm的球状， 在球状的第一金属104的外周部分散有作为第二金属105的平均粒子直径为3 μ m的Cu粒子。第一金属104的主成分是Bi。将该焊料103放置于电极表面处理层102的上表面的重心部。另外，根据由光学系统粒子直径测定机所测定的粒子直径和正圆度，来计算出Cu粒子的平均粒子直径。作为球状焊料的制造方法，一般已知有油中造粒法。油中造粒法例如记载于日本专利特开2000-3^112号公报中。在本实施例中，也利用了油中造粒法。具体而言，首先， 将组分均勻分散的铸块(ingot)状态的Bi-8重量％ Cu的合金Ikg放入到坩埚(pot)中， 利用加热单元将整个坩埚加热到500°C。由于Cu、Bi的熔点分别是1083°C、271°C，因此，在坩埚内仅有Bi熔融。接下来，利用坩埚前端的浸渍于油内的、具有直径为0. 5mm的开口部的喷嘴来喷射仅有Bi熔融后的合金，在油内使合金以250°C /min的冷却速度凝固。在该油内的凝固过程中，Cu分散、偏析于熔融状态的Bi的外周部，同时，Bi发生凝固。这是因为 由于Cu的熔点高于Bi，因此，Cu从所喷射的合金的内部被推出到合金的外周部，Bi在合金的内部凝固。如图1(b)所示，通过上述方法所制造的焊料103成为在球状的第一金属104的外周部分散有作为第二金属105的平均粒子直径为3 μ m的Cu粒子的状态。此外，焊料103 的直径为Imm(允许误差在士50 μ m以内、工序能力指数Cpk = 3. 77)。在表1中示出通过油中造粒法所制造的焊料的实施例1 6和比较例1 6的各自的焊料组分、第一金属的种类、第二金属的种类、能否利用喷嘴来喷射焊料、焊料直径、以及第二金属的平均粒子直径。另外，本实施例是表1的实施例1。通过观察焊料的剖面来测量焊料直径的数值。但是，对于实施例1 6及比较例5 6，利用具有直径为0. 5mm的开口部的喷嘴，对于比较例1 4，利用具有直径为0. 7mm 的开口部的喷嘴。[表 1]
权利要求
1.一种半导体装置，其特征在于，包括 支承板；形成于所述支承板上的电极表面处理层； 半导体元件；以及焊料，该焊料在以Bi为主成分的第一金属的内部含有熔点高于所述第一金属的第二金属的粒子，并将所述电极表面处理层和所述半导体元件进行接合，在所述焊料的与所述半导体元件的中央部相对应的区域，所述第二金属的组分比率高于所述第一金属，在与所述中央部相对应的区域的外侧的区域，所述第一金属的组分比率高于所述第二金属，在与所述中央部相对应的区域内，所述第二金属的组分比率为83. 8原子％以上。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体元件的与所述电极表面处理层相对的面的外形是四边形， 设其外形中的一方相对的两边的长度为2A、另一方相对的两边的长度为2B， 设连接长度为2B的两边的中点彼此之间的直线为X轴、连接长度为2A的两边的中点彼此之间的直线为Y轴，将X轴与Y轴的交点作为原点，以设定X-Y坐标面，在这种情况下， 在所述X-Y坐标面中，由-7A/10彡X彡7A/10、-7B/10彡Y彡7B/10来规定所述半导体元件的中央部。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述第二金属是热导率处于35W/(m*K)以上且为427W/(m· 以下的范围内、熔点处于420°C以上且为1083°C以下的范围内的金属。
4.如权利要求1至3的任一项所述的半导体装置，其特征在于， 所述第二金属是从Ag、Cu、Au、Al、Zn中选择的至少一种金属。
5.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，选择Cu作为所述第二金属，在与所述中央部相对应的区域内，所述第二金属的组分比率为84. 1原子％以上。
6.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，选择Cu和Ag作为所述第二金属，在与所述中央部相对应的区域内，所述第二金属的组分比率为84. 7原子％以上。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种既确保半导体元件与支承板之间有足够的接合强度、又提高来自半导体元件的发热向支承板的散热性的半导体装置。本发明所涉及的半导体装置包括支承板；形成于所述支承板上的电极表面处理层；半导体元件；以及焊料，该焊料在以Bi为主成分的第一金属的内部含有熔点高于所述第一金属的第二金属的粒子，并将所述电极表面处理层和所述半导体元件进行接合，在所述焊料的与所述半导体元件的中央部相对应的区域，所述第二金属的组分比率高于所述第一金属，在与所述中央部相对应的区域的外侧的区域，所述第一金属的组分比率高于所述第二金属，在与所述中央部相对应的区域内，所述第二金属的组分比率为83.8原子％以上。
文档编号H01L21/52GK102292803SQ20108000556
公开日2011年12月21日 申请日期2010年4月22日 优先权日2009年4月22日
发明者中村太一, 北浦秀敏, 古泽彰男, 松尾隆广, 酒谷茂昭 申请人:松下电器产业株式会社