半导体装置及其制造方法_4

文档序号:9493820阅读:来源:国知局
向(X方向、Y方向)上使Ag的导线5伸展的样品。首先,按照与上述相同的工艺,与实施例7相同地,将导线径X设为30 μ m、将间距y设为75 μ m、将Ag层4、10的厚度ζ设为16.5 μ m,在X方向上使导线5伸展之后,使电路基板12旋转90°C,并且在此基础上,以使导线彼此不接触的方式任意地调整,在Y方向上结合导线5。接下来,在导线5的最大环路高度dl的80%以下的部位,依次放置Sn层8和形成有Ag层10的半导体元件9 (半导体元件搭载工序)。针对该制造中间体,执行与实施例1?14相同的工艺,制造比较例5、6。比较例5和比较例6的差异是Sn层8的厚度,在比较例5的情况下是50 μm,在比较例6的情况下是40 μπι。
[0085]关于比较例5、6,通过SEM观察合金形成状态,根据透射X线图像,计算出空隙率。其结果,在Sn层8的厚度是50 μπι的比较例5中,存在Sn单相,合金形成状态不良,并且空隙率也是15 %,无法解除目标的10 %以下这样的条件。在Sn层8的厚度是40 μ m的比较例6中,合金形成状态良好,但Sn的量不足,并且无法完全去除空隙,所以空隙率恶化为20 %。
[0086]在实施方式1的半导体装置30中,在电路基板12和半导体元件9等的接合部、SP接合对象物间被接合了的接合部处,形成即使在300°C下也不熔融的、Ag和Sn的金属间化合物Ag3Sn (熔点470°C左右),所以能够形成高熔点的合金层13。在实施方式1的半导体装置30中,在电路基板12、半导体元件9等接合对象物处形成Ag层4、10,在作为一方的接合对象物的电路基板12的Ag层4处,多个Ag的导线5在面内仅在一个方向上伸展,形成了以在接合时使Ag的导线5不流过的方式结合了的导线构造体20。实施方式1的半导体装置30的特征在于,在电路基板12上的Ag层4上形成了导线构造体20的带导线的电路基板21上,使Sn熔融,具备由金属间化合物Ag3Sn (熔点470°C左右)和Ag构成的合金层13。在实施方式1的半导体装置30中,能够在电路基板12和半导体元件9等的接合部、即接合对象物间被接合了的接合部处,形成空隙少的高恪点的金属间化合物Ag3Sn。
[0087]在实施方式1的半导体装置30中,通过在一个方向上使Ag的导线5伸展,在Sn熔融而形成金属间化合物Ag3Sn时,确保能够去除不少产生的空隙的路线,所以与在X方向以及Y方向上使Ag的导线伸展的导线网相比,能够降低空隙。另外,通过使用Ag的导线5,在电路基板12和半导体元件9等的接合部处,从导线5、Ag层供给充分的量的Ag,所以能够以充分的厚度形成金属间化合物Ag3Sn,能够使接合厚度、即合金层13的厚度变得均匀。在实施方式1的半导体装置30中,在电路基板12和半导体元件9等的接合部处不形成接合厚度极端地薄的部位,所以具有抑制在接合部处发生裂纹的效果。
[0088]另外,接合时的气氛不限于蚁酸,而也可以是醋酸、柠檬酸、甲苯酸、氢。Ag导线径(导线直径X)在本次的试验中设为12?50 μπι。但是,关于一般的导线结合器,将50μπι左右设为界限,但只要能够定制成能够对大于50 μπι的导线进行结合,则Ag导线径不限于12?50 μπι。但是,如果使导线径大于50 μπι,则间距y必然地变大,用Ag3Sn覆盖的体积增加,所以需要比Ag层4、10更厚,成本增大,所以不优选。另外,为了形成Ag3Sn,必须提高温度且延长时间,制造成本增大、生产节拍变长,所以不优选。相反地,在Ag导线径小于
12μπι的情况下,难以稳定地进行拉线,在拉线时或者导线结合时有断裂的可能性,所以不优选。因此,Ag导线径优选为12?50 μ m0
[0089]关于接合时的加压力,能够紧密地按压浮起的导线5即可,在0.1MPa以上时,得到同样的效果。如果加压力小于0.1MPa,则无法紧密地施加载荷,接合厚度不稳定。另外,如果在Ag导线结合之后、且在还原气氛中接合之前已经施加了一次IMPa左右的加压力,则在接合时Ag导线的形状更稳定,所以优选。
[0090]接合时的温度以及时间在Ag和Sn扩散完成之前是任意的条件。图12示出在实验中也求出了 Ag3Sn的成长速度的结果。图12是示出本发明的金属间化合物Ag3Sn的每个温度以及每个时间下的厚度的图。在1mm厚且lOmmX 10mm的Ag板上,放置300 μπι厚的Sn颗粒,在蚁酸还原气氛下,在温度以及时间的任意的条件下进行热处理而制作样品。之后,如果通过SEM观察剖面来调制Ag3Sn的厚度,则如图12那样,在250°C、1分钟的热处理条件的样品中还有平均3.8 μπι。
[0091]为了参考,在1mm厚且lOmmX 10mm的Cu板上放置300 μ m厚的Sn颗粒,在蚁酸还原气氛下,在任意的条件下进行热处理,之后,如果通过SEM观察剖面而调查Cu和Sn的合金层的厚度,则是0.7 μ m左右,确认了在Ag的情况下扩散快5?6倍。
[0092]关于箔状的Sn层8,在本次使用了 Snl00%,但不限于此。例如,也可以在Sn内包含 Ag、Cu、Sb、B1、In、Zn、Mg、S1、P、Ga、N1、Co、Ge 中的至少 1 种以上。
[0093]导线5的材质优选为Ag,但除了 Ag以外,在N1、Cu、Fe、Au下,也得到同样的效果。在导线5的材质是Ag以外的情况下,Ag层4、Ag层10的材质采用相应的导线5的材质。另夕卜,也可以在导线5的Ag内,添加Pd、N1、Cu、Fe、Au、Pt、Al、Sn、Sb、T1、P中的至少1种以上。另外,接合部不限于半导体元件9与电路基板12之间的接合,也可以用于电路基板12和在其下部配置的散热板、半导体元件9和引线框架的接合部等。
[0094]半导体元件9也可以是以硅晶片为基体材料的一般的元件,但在本发明中,能够应用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)系材料、或者金刚石这样的带隙比硅宽的所谓宽带隙半导体材料。作为半导体元件9的器件种类,没有特别限定,能够搭载IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor,绝缘棚.双极型晶体管)、M0SFET (Metal Oxide SemiconductorField-Effect-Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)那样的开关元件、二极管那样的整流元件。例如,在作为开关元件、整流元件发挥功能的半导体元件9中使用了碳化娃(SiC)、氮化镓(GaN)系材料或者金刚石的情况下,相比于以往以来使用的由硅(Si)形成的元件,电力损失更低,所以能够使功率模块高效化。另外,耐电压性高,且容许电流密度也高,所以能够使功率模块小型化。进而,宽带隙半导体元件的耐热性高,所以能够进行高温动作,还能够实现散热片的小型化、水冷部的空冷化,所以能够使具备散热片的功率模块进一步小型化。
[0095]如以上那样,根据实施方式1的半导体装置30,其特征在于,具备在安装基板(电路基板12)处形成了的第一 Ag层4、与在半导体元件9处形成了的第二 Ag层10之间挟持了的合金层13,合金层13具有由第一 Ag层以及第二 Ag层的Ag成分和Sn形成了的Ag3Sn的金属间化合物,从该合金层13的外周侧延伸地配置了包含Ag的多根导线5,即具备对具有Ag3Sn的金属间化合物的合金层13连接了包含Ag的多根导线5的构造,所以在导线5之间确保能够去除在形成合金层13时不少产生的空隙的路线,能够在将接合对象物之间接合了的接合部处,形成空隙少的高熔点的金属间化合物。
[0096]另外,根据实施方式1的半导体装置30的制造方法,其特征在于,包括:导线构造体形成工序,在形成于安装基板(电路基板12)的第一 Ag层4处形成平行或者放射状地配置了包含Ag的多根导线5的导线构造体20 ;半导体元件搭载工序,在导线构造体20中,隔着Sn层8,搭载安装面的面积比导线构造体20的外形面积更小并且在安装面形成了第二Ag层10的半导体元件9 ;以及合金层形成工序,在半导体元件搭载工序之后,进行热处理,在接合了安装基板(电路基板12)和半导体元件9的接合部处,形成具有Ag3Sn的金属间化合物的合金层13,所以能够确保能够去除在合金层形成工序时不少产生的空隙的路线,所以能够在将接合对象物之间接合了的接合部处,形成空隙少的高熔点的金属间化合物。
[0097]实施方式2.
[0098]Ag的导线5的配置形状不限于在实施方式1中示出了的配置形状,也可以是例如如图13那样放射状地配置了的配置形状。图13是示出本发明的实施方式2的导线的配置的图。图13所示的导线构造体20是用4根导线5al、5a2、5a3、5a4划分了的
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