接合結(jié)構(gòu)體的制作方法
【專利摘要】在以Bi為主要成分的焊接材料的接合結(jié)構(gòu)體中，改善應(yīng)力緩和性，防止接合部中產(chǎn)生裂紋或剝離。在經(jīng)由以Bi為主要成分的接合材料（104）將半導(dǎo)體元件（102）與Cu電極（103）相接合而構(gòu)成的接合結(jié)構(gòu)體（106）中，經(jīng)由楊氏模量從接合材料（104）向被接合材料（半導(dǎo)體元件（102）、Cu電極（103））傾斜增大的層疊體（209a），將半導(dǎo)體元件（102）與Cu電極（103）相接合，從而確保與使用功率半導(dǎo)體模塊時的溫度周期中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力相對的應(yīng)力緩和性。
【專利說明】接合結(jié)構(gòu)體
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元器件的內(nèi)部接合，特別涉及通過Bi類焊料將要求優(yōu)異的機械特性和耐熱性的功率半導(dǎo)體模塊的半導(dǎo)體元件與電極相接合而形成的接合結(jié)構(gòu)體。
【背景技術(shù)】
[0002]在電子安裝領(lǐng)域中，一直以來多使用Sn-Pb共晶軟焊料，但自從對鉛的有害性的擔(dān)憂及對環(huán)境的關(guān)注度變高以來，對不使用鉛的接合的需求與日俱增。
[0003]因此，對于作為一般焊接材料的Sn-Pb共晶軟焊料，正在開發(fā)替代材料并將其實用化。
[0004]另ー方面，對于半導(dǎo)體元器件的內(nèi)部接合，正在對高溫鉛焊料的替代材料進行各種研究。
[0005]對于該替代焊接材料的候選材料，可以舉出Au類、Zn類、Sn類、Bi類的材料。其中，關(guān)于Au類的焊接材料，例如熔點為280°C的Au-20重量％Sn等正部分實用化，但由于主要成分為Au，因此，材料物性較硬，且材料成本較高而僅限用于小型元器件，由于上述等理由而缺乏通用性。
[0006]由于Zn類焊接材料的腐蝕性較強，且弾性率過高，因此，當(dāng)應(yīng)用于半導(dǎo)體元器件的內(nèi)部接合時，機械特性的提高會成為問題。
[0007]Sn類焊接材料具有優(yōu)異的機械特性，但因熔點低至小于250°C而缺乏耐熱性。因此，為了提高Sn類的耐熱性，正在對例如通過形成SnCu化合物來進行金屬間化合物化、從而提高了熔點的接合材料進行研究，但由于會因在進行金屬間化合物化時發(fā)生凝固收縮而在接合時產(chǎn)生空隙，因此，機械特性、散熱特性的改善會成為問題。
[0008]基于上述理由，作為高溫鉛焊料替代材料的最有希望的候選材料，正在對熔點在270°C附近的Bi類材料進行研究。
[0009]例如，專利文獻I是將該Bi類焊接材料用于接合材料的例子。
[0010]圖8是專利文獻I所記載的現(xiàn)有的接合結(jié)構(gòu)體的剖視圖，功率半導(dǎo)體模塊401在功率半導(dǎo)體元件402與電極403之間具有接合部404，將B1-Ag類焊接材料用于該接合部404，使所述接合部404中包含15?60重量％的Ag。
[0011]然而，若功率半導(dǎo)體元件402的工作溫度為Si的情況下的150°C，則專利文獻I所記載的B1-Ag類焊接材料具有接合可靠性，但在功率半導(dǎo)體元件402的工作溫度是如GaN、SiC那樣的比Si工作溫度要高的175°C或200°C的環(huán)境下，專利文獻I所記載的B1-Ag類焊接材料有可能會在接合部404中產(chǎn)生裂紋、剝離等。
[0012]可以認為這是因為相對于基于功率半導(dǎo)體元件402的熱膨脹系數(shù)(a N 3ppm/K)與Cu電極403的線膨脹系數(shù)(a = 18ppm/K)之差的熱應(yīng)力，B1-Ag類焊接材料應(yīng)カ無法緩和，因此,會導(dǎo)致接合部404中產(chǎn)生裂紋、剝離等。
[0013]因此，在上述專利文獻I所記載的B1-Ag類焊接材料的接合結(jié)構(gòu)體中，當(dāng)功率半導(dǎo)體元件402的工作溫度高于150°C時，提高與該高溫區(qū)域相対的應(yīng)カ緩和性將成為問題。[0014]另一方面，專利文獻2以防止接合結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生裂紋或剝離為課題。
[0015]在專利文獻2中，示出了以下情況:使半導(dǎo)體元件的中間接合層與焊接接合層之間的外周面區(qū)域也覆蓋形成有覆蓋形成于半導(dǎo)體元件上的保護樹脂，從而提高半導(dǎo)體元件內(nèi)部的抗裂性，減輕施加于半導(dǎo)體元件與焊接材料的界面、焊接材料與電極的界面的熱應(yīng)力。
[0016]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0017]專利文獻
[0018]專利文獻1:日本專利特開2006-310507號公報
[0019]專利文獻2:日本專利特開2011-023631號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0021]在專利文獻2所記載的發(fā)明中，通過將保護樹脂覆蓋填充于規(guī)定區(qū)域，來提高經(jīng)由焊接材料構(gòu)成的半導(dǎo)體元件和電極的接合結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力緩和性，但本發(fā)明的技術(shù)問題在于，利用與以保護樹脂的填充為特征的專利文獻2所記載的發(fā)明不同的方法，在功率半導(dǎo)體模塊的接合結(jié)構(gòu)體中，改善應(yīng)力緩和性，防止接合部產(chǎn)生裂紋或剝離。
[0022]解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案
[0023]本發(fā)明人想到了通過形成使相對于外部應(yīng)力的變形從接合材料向被接合材料(半導(dǎo)體元件、Cu電極)傾斜變化的層疊結(jié)構(gòu)體，來有效緩和/吸收基于被接合材料(半導(dǎo)體元件、Cu電極)的熱膨脹系數(shù)差的熱應(yīng)力，從而完成了本發(fā)明。
[0024]本發(fā)明I是一種接合結(jié)構(gòu)體，所述接合結(jié)構(gòu)體利用以Bi為主要成分的接合材料來將半導(dǎo)體元件與Cu電極相接合,其特征在于,在所述接合結(jié)構(gòu)體中，由所述接合材料和形成于該接合材料表面的中間層構(gòu)成層疊體，隔著該層疊體將所述半導(dǎo)體元件表面的Cu與所述Cu電極相接合，在將所述半導(dǎo)體元件表面的Cu的楊氏模量設(shè)為El、將所述中間層的楊氏模量設(shè)為E2、將所述接合材料的楊氏模量設(shè)為E3、將所述Cu電極的楊氏模量設(shè)為E4的情況下，以使得各楊氏模量El~E4同時滿足以下條件(pi)、(ql)
[0025]E3 < E2 < El...(pi)
[0026]E3 < E2 < Et..(ql)
[0027]或其中的一個條件的方式，對所述半導(dǎo)體元件及所述Cu電極構(gòu)成所述層疊體。
[0028]本發(fā)明2是如上述發(fā)明I所述的接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述層疊體是包括所述接合材料、以及形成于該接合材料的上下兩面的兩個中間層的三層的層疊體，若將所述半導(dǎo)體元件一側(cè)的第一中間層的楊氏模量設(shè)為E21，并將所述Cu電極一側(cè)的第二中間層的楊氏模量設(shè)為E24，則以使得各楊氏模量El、E21、E24、E3、E4滿足以下條件(p2)和(q2)
[0029]E3 < E21 < EL...(p2)
[0030]E3 < E24 < E4…(q2)
[0031]的方式，對所述半導(dǎo)體元件及所述Cu電極構(gòu)成三層的層疊體。
[0032]本發(fā)明3是如上述發(fā)明I所述的接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述層疊體是包括所述接合材料、以及形成于該接合材料的所述半導(dǎo)體元件一側(cè)的中間層的兩層的層疊體，在將所述半導(dǎo)體兀件一側(cè)的中間層的楊氏模量設(shè)為E21的情況下，以使得各楊氏模量El、E21、E3滿足以下條件(p2)
[0033]E3 < E21 < El…(p2)
[0034]的方式，對所述半導(dǎo)體元件及所述Cu電極構(gòu)成兩層的層疊體。
[0035]本發(fā)明4是如上述發(fā)明I所述的接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述層疊體是包括所述接合材料、以及形成于該接合材料的所述Cu電極ー側(cè)的中間層的兩層的層疊體，在將所述中間層的楊氏模量設(shè)為E24的情況下，以使得各楊氏模量E24、E3、E4滿足以下條件(q2)
[0036]E3 < E24 < E4…(q2)
[0037]的方式，對所述半導(dǎo)體元件及所述Cu電極構(gòu)成兩層的層疊體。
[0038]本發(fā)明5是如上述發(fā)明I至4的任一項所述的接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述中間層是從包括AuSn化合物、AgSn化合物、CuSn化合物、Au、Ag的組中選出的至少ー種金屬。
[0039]本發(fā)明6是如上述發(fā)明I至5的任一項所述的接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述中間層是CuSn化合物。
[0040]發(fā)明效果
[0041]本發(fā)明經(jīng)由使楊氏模量從接合材料向被接合材料傾斜增大的層疊結(jié)構(gòu)，將半導(dǎo)體元件與Cu電極相接合，從而對于使用功率半導(dǎo)體模塊時的溫度周期中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，使所謂的彈簧效果發(fā)揮作用，以實現(xiàn)優(yōu)異的應(yīng)カ緩和功能，因此，能高質(zhì)量地將半導(dǎo)體元件與電極相接合，以此來提高接合可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是以接合結(jié)構(gòu)體為構(gòu)成要素`的安裝結(jié)構(gòu)體的剖視圖。
[0043]圖2A是本發(fā)明的實施方式2中的接合結(jié)構(gòu)體的制造エ序圖。
[0044]圖2B是本發(fā)明的實施方式2中的接合結(jié)構(gòu)體的制造エ序圖。
[0045]圖2C是本發(fā)明的實施方式2中的接合結(jié)構(gòu)體的制造エ序圖。
[0046]圖3是本發(fā)明的實施方式3中的接合結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)圖。
[0047]圖4是本發(fā)明的實施方式4中的接合結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)圖。
[0048]圖5是安裝結(jié)構(gòu)體的放大剖視圖。
[0049]圖6是關(guān)于本發(fā)明的實施方式中的實施例1~15、對接合前的電極表面處理層和Bi基底層的結(jié)構(gòu)及厚度、接合后的第二中間層、第一中間層的組成及厚度進行總結(jié)而得的圖表。
[0050]圖7是表示接合結(jié)構(gòu)體的生產(chǎn)率試驗結(jié)果的圖表。
[0051]圖8是表示現(xiàn)有技術(shù)的安裝結(jié)構(gòu)體的放大剖視圖。
【具體實施方式】
[0052]實施方式I所記載的發(fā)明是ー種接合結(jié)構(gòu)體，該接合結(jié)構(gòu)體通過以Bi為主要成分的接合材料將半導(dǎo)體元件與Cu電極相接合，在所述接合結(jié)構(gòu)體中，由接合材料及形成于該接合材料表面的中間層構(gòu)成層疊體，并隔著該層疊體將半導(dǎo)體元件表面的Cu與所述Cu電極相接合，使各楊氏模量向所述接合材料、所述中間層、所述半導(dǎo)體元件的ー個方向、或向所述接合材料、所述中間層、所述Cu電極的ー個方向依次増大，或者進ー步使各楊氏模量從所述接合材料經(jīng)由中間層向所述半導(dǎo)體元件和所述Cu電極這兩個方向依次増大。[0053]為了易于理解地對此進行說明，在接合結(jié)構(gòu)體中，在將半導(dǎo)體元件表面的Cu的楊氏模量設(shè)為E1、將所述中間層的楊氏模量設(shè)為E2、將所述接合材料的楊氏模量設(shè)為E3、將所述Cu電極的楊氏模量設(shè)為E4的情況下，以使各楊氏模量El?E4同時滿足以下條件(pi)、(ql)
[0054]E3 < E2 < El...(pi)
[0055]E3 < E2 < Et..(ql)
[0056]或其中的一個條件的方式，對所述半導(dǎo)體元件及所述Cu電極構(gòu)成所述層疊體。
[0057]另外，以下所說明的實施方式2?4所記載的發(fā)明是實施方式I所記載的發(fā)明的下位概念的發(fā)明，在實施方式2所記載的發(fā)明中，在所述接合材料的上下兩面形成中間層，使該三層的層疊體(中間層、接合材料、中間層)夾在所述半導(dǎo)體元件與所述Cu電極之間，使各楊氏模量從所述接合材料經(jīng)由所述中間層向所述半導(dǎo)體元件和所述Cu電極這兩面依次增大，從而力圖實現(xiàn)應(yīng)力緩和。
[0058]接著，在實施方式3所記載的發(fā)明中，在所述接合材料的面向所述半導(dǎo)體元件的面上形成中間層以構(gòu)成兩層的層疊體(中間層、接合材料)，使各楊氏模量向所述接合材料、所述中間層、所述半導(dǎo)體元件依次增大，從而緩和應(yīng)力。
[0059]實施方式4所記載的發(fā)明是一種接合結(jié)構(gòu)體，在該接合結(jié)構(gòu)體中，在所述接合材料的所述Cu電極一側(cè)的面上形成中間層以構(gòu)成兩層的層疊體(中間層、接合材料)，使各楊氏模量以與實施方式3所記載的發(fā)明相同的方式依次增大，從而力圖實現(xiàn)應(yīng)力緩和。
[0060]此外，在實施方式所記載的發(fā)明中，作為電極或后述的勢壘金屬層的最下層的材質(zhì)的銅的概念包括銅以及銅合金。
[0061]下面，基于附圖對實施方式所記載的發(fā)明進行說明。
[0062]圖1是以實施方式所記載的發(fā)明的接合結(jié)構(gòu)體為結(jié)構(gòu)要素的安裝結(jié)構(gòu)體的剖視圖。
[0063]首先，利用接合材料104將半導(dǎo)體元件102與Cu電極103相接合以形成接合結(jié)構(gòu)體106，接著，用密封樹脂105將接合結(jié)構(gòu)體106進行密封以形成功率半導(dǎo)體模塊100，最后，用焊接材料109將功率半導(dǎo)體模塊100安裝于基板101上，以形成安裝結(jié)構(gòu)體110。
[0064]下面對接合結(jié)構(gòu)體106進行詳細描述。
[0065]圖2A、圖2B、圖2C是接合結(jié)構(gòu)體106的制造工序圖。這里，如圖2C所示，在接合材料104的下表面形成有第二中間層206，在接合材料104的上表面形成有第一中間層207，下面對該情況、即夾著三層的層疊體209a的情況進行說明。
[0066]首先，圖2A是提供Cu電極103的工序圖。
[0067]在提供Cu電極103時，向含有5%氫氣的氮氣氣氛中(室溫)提供Cu電極103。利用電解鍍敷法使Ag層201及電極表面處理層202預(yù)先成膜于由Cu合金所構(gòu)成的Cu電極103上，以作為表面處理層。
[0068]圖2B是將包括Bi層203的半導(dǎo)體元件102放置于Cu電極103的表面處理層即Ag層201之上的工序圖。
[0069]在放置半導(dǎo)體元件102時，在含有5%氫氣的氮氣氣氛中，將Cu電極103加熱至320。。。
[0070]利用蒸鍍法,從GaN側(cè)使由Cr0.1 μ m/Nil μ m/Cu3 μ m的多層所構(gòu)成的勢魚金屬層204、Bi基底層205預(yù)先成膜于由GaN構(gòu)成的、厚度為0.3mm、大小為4mmX5mm的半導(dǎo)體元件102上，另外，利用電鍍法使由厚度為10 ii m的Bi所構(gòu)成的Bi層203成膜于Bi基底層205 上。
[0071]對上述勢壘金屬層204進行描述，所述勢壘金屬層204為了確保半導(dǎo)體元件102側(cè)的Cr通過歐姆接合與Si導(dǎo)通而進行成膜。
[0072]另外，勢壘金屬層204的Ni用于防止由于Cu成分?jǐn)U散至半導(dǎo)體元件的器件中而導(dǎo)致器件功能下降，即為了防止Cu的擴散而進行成膜。
[0073]勢壘金屬層204的Cu是與所述Bi基底層205相接的層。關(guān)于設(shè)置該Cu層的理由在于，所述Bi層203的Bi和Ni在界面上形成有金屬間化合物Bi3Ni,該脆的金屬化合物層有可能會在例如使用功率半導(dǎo)體模塊時因熱應(yīng)カ而發(fā)生變形時成為裂紋的起點，因此，使Cu成膜于Bi與勢壘金屬層的Ni之間以防止Bi向Ni擴散。
[0074]之所以選擇Cu是因為Cu是相對于Bi的熔解量較少(0.4at%左右)的金屬，因此，能發(fā)揮防止Bi擴散的效果。另外，關(guān)于Cu的厚度，若為I y m以上，則能防止Bi擴散，但考慮到在電鍍法中成膜厚度的偏差2 ii m，將Cu的厚度設(shè)為3 u m。
[0075]以將所述Bi層203與Cu電極103的表面處理層即Ag層201相接的方式，以50gf?150gf左右的負荷將半導(dǎo)體元件102放置于Cu電極103之上。
[0076]順便說一句，在后述的本發(fā)明的實施例中是以60gf的負荷將半導(dǎo)體元件102放置于Cu電極103之上。
[0077]圖2C是通過自然冷卻使Ag層201的一部分?jǐn)U散至熔融的Bi層203的狀態(tài)下的接合材料104凝固的エ序圖。在該圖2C的エ序中，在包含5%氫氣的氮氣氣氛中進行自然冷卻，通過使接合材料104凝固，從而使Cu電極103與半導(dǎo)體元件102相接合，以制造接合結(jié)構(gòu)體106。
[0078]下面對接合材料104進行說明。
[0079]如上所述，在圖2B?圖2C的Bi層203熔融至凝固的過程中，Cu電極103的表面處理層即Ag層201擴散至Bi中。
[0080]上述Bi層203的Bi形成Ag和(Bi_3.5重量％Ag)的ニ元共晶，因此，Ag對Bi進行擴散后的接合材料104的熔點為262°C。
[0081]形成Ag層201作為Cu電極103的表面處理層的目的是為了確保熔融Bi對半導(dǎo)體元件102下部的整個面的浸潤性。
[0082]下面對第二中間層206、第一中間層207進行說明。
[0083]首先，第二中間層206是在320°C的加熱狀態(tài)下通過電極表面處理層202中的擴散反應(yīng)、或電極表面處理層202與Cu電極103的Cu之間的擴散反應(yīng)而形成的層。
[0084]同樣，第一中間層207也是在320°C的加熱狀態(tài)下通過Bi基底層205中的擴散反應(yīng)、或勢壘金屬層204的最下層即Cu與Bi基底層205之間的擴散反應(yīng)而形成的層。
[0085]上述接合結(jié)構(gòu)體106通過將Cu電極103與半導(dǎo)體元件102表面的Cu經(jīng)由第二中間層206、接合材料104、以及第一中間層207這三層的層疊體209a進行接合而獲得。為了接合部208的應(yīng)カ緩和，必須使各楊氏模量向接合材料104、第二中間層206、Cu電極103依次増大，或者使各楊氏模量向接合材料104、第一中間層207、半導(dǎo)體元件102依次増大，即，必須使各楊氏模量傾斜増大。[0086]通過使上述第一中間層207的楊氏模量位于接合材料104的楊氏模量與半導(dǎo)體兀件102表面的楊氏模量之間，即取中間值，并且，使第二中間層206的楊氏模量位于接合材料104的楊氏模量與Cu電極103的楊氏模量之間，即取中間值，來實現(xiàn)上述應(yīng)力緩和。
[0087]下面進一步對三層的層疊體209a進行詳細說明。
[0088]若將面向半導(dǎo)體元件102 —側(cè)的第一中間層207的楊氏模量設(shè)為E21，并將面向Cu電極103 —側(cè)的第二中間層206的楊氏模量設(shè)為E24,則在將半導(dǎo)體兀件102表面的Cu的楊氏模量設(shè)為E1、將接合材料104的楊氏模量設(shè)為E3、將Cu電極103的楊氏模量設(shè)為E4的情況下，以滿足以下條件(P)及(q)
[0089]E3 < E21 < EL.., (p)
[0090]E3 < E24 < Et..(q)
[0091]的方式，對半導(dǎo)體元件102和Cu電極103構(gòu)成上述層疊體209a。
[0092]在這種情況下，所謂中間層的楊氏模量取中間值是指，例如若以半導(dǎo)體元件102一側(cè)附近的第一中間層207來進行說明，則并非僅指接合材料104的楊氏模量E3與半導(dǎo)體元件102的勢壘金屬層204的下層(Cu)的楊氏模量之間的大致靠近中央的數(shù)值，也可以是勢壘金屬層204的下層(Cu)的楊氏模量、或接合材料的楊氏模量附近的數(shù)值、即可以是從中央值向一個楊氏模量一側(cè)偏移的數(shù)值。后述的實施例1是前者的例子，實施例3是后者的例子。
[0093]另一方面，如實施方式3、4所記載的發(fā)明所示，可以使兩層的層疊體夾在半導(dǎo)體元件與電極之間以力圖實現(xiàn)應(yīng)力緩和。
[0094]圖3表示層疊體為兩層的情況下的實施方式3所記載的發(fā)明的接合結(jié)構(gòu)體。
[0095]層疊體的中間層形成于接合材料104的所述半導(dǎo)體元件102—側(cè)。在該層疊體209b中，在接合材料104的所述Cu電極103 —側(cè)未形成有中間層。
[0096]將Cu電極103與半導(dǎo)體元件102表面的Cu經(jīng)由接合材料104和第一中間層207這兩層的層疊體209b而進行接合,將第一中間層207的楊氏模量設(shè)定于接合材料104的楊氏模量與半導(dǎo)體元件102的勢壘金屬層204的下層(Cu)的楊氏模量之間，從而具有以下結(jié)構(gòu):即，接合材料104和第一中間層207的兩層的層疊體209b的各楊氏模量向接合材料104、第一中間層207、半導(dǎo)體元件102的勢壘金屬層的下層(Cu)依次增大。
[0097]因此，若基于與在接合材料104的半導(dǎo)體元件一側(cè)形成有中間層的兩層層疊體相關(guān)的實施方式3所記載的發(fā)明來對這點進行說明，則進一步對兩層的層疊體20%進行詳細說明。
[0098]在將半導(dǎo)體元件102 —側(cè)的第一中間層207的楊氏模量設(shè)為E21、將半導(dǎo)體元件102表面的Cu的楊氏模量設(shè)為E1、將接合材料104的楊氏模量設(shè)為E3的情況下，以滿足以下條件(P)
[0099]E3 < E21 < EL.., (p)
[0100]的方式，將兩層的層疊體209b構(gòu)成于半導(dǎo)體元件102與Cu電極103之間。
[0101]接著，圖4表示層疊體為其它的兩層結(jié)構(gòu)的情況下的實施方式4所記載的發(fā)明的接合結(jié)構(gòu)體。
[0102]在圖4中，層疊體的中間層形成于接合材料104的所述Cu電極103 —側(cè)。在該層疊體209c中，在接合材料104的半導(dǎo)體元件102中未形成有所述中間層。[0103]將Cu電極103與半導(dǎo)體元件102表面的Cu經(jīng)由接合材料104和第二中間層206這兩層的層疊體209c而進行接合，通過將第二中間層206的楊氏模量設(shè)定于接合材料104的楊氏模量與Cu電極103的楊氏模量之間，從而具有以下結(jié)構(gòu):即，接合材料104和第二中間層206的兩層的層疊體209c的各楊氏模量向接合材料104、第二中間層206、Cu電極103依次増大。[0104]下面進ー步對兩層的層疊體209c進行詳細說明。
[0105]在將面向電極的第二中間層206的楊氏模量設(shè)為E24的情況下，在將接合材料104的楊氏模量設(shè)為E3、將Cu電極103的楊氏模量設(shè)為E4的情況下，以滿足以下條件(q)
[0106]E3 < E24 < E4…(q)
[0107]的方式，將兩層的層疊體209c構(gòu)成于半導(dǎo)體元件102與Cu電極103之間。
[0108]在制作接合結(jié)構(gòu)體106時，如圖3或圖4所示，只在接合材料104的一個面上形成中間層，即使作為兩層的層疊體209b、209c也能發(fā)揮彈簧效果，但若如圖2C所示在接合材料104的上下面形成中間層從而構(gòu)成三層的層疊體209a，則彈簧效果的發(fā)揮會變得更為良好。
[0109]另外，中間層的材質(zhì)優(yōu)選為從包括AuSn化合物、AgSn化合物、CuSn化合物、Au、Ag的組中選擇，進ー步優(yōu)選為是CuSn化合物。
[0110]此外，關(guān)于中間層的厚度，以Au/Sn的結(jié)構(gòu)為例來進行說明。
[0111]接合前的Au/Sn的結(jié)構(gòu)在接合后成為AuSn化合物的反應(yīng)如下式(a)所示。
[0112]Au + 4Sn — AuSn4…(a)
[0113]這里，若將接合前的Au的厚度設(shè)為Lau，將Sn的厚度設(shè)為Lsn，則按照化學(xué)計量，兩者的關(guān)系如下式(b)所示。
[0114]Lsn = 4XLAuX pAuXMSn/pSnXMAu…(b)
[0115]式(b)中，P表示密度，M表示原子量,下標(biāo)表示各元素。
[0116]因此，例如若基于后述的實施例1來進行描述，則在將Au成膜為0.1ym的情況下，若將各物性值代入式(b)，則與之相當(dāng)?shù)慕雍锨暗腟n的厚度為0.eym多，由此可知，若接合前的Sn的厚度小于0.6 ii m，則在接合后，僅生成上式(a)的金屬間化合物，在接合前的Sn成膜中，所有的Sn都會消失。
[0117]因此，在實施例1中，考慮到鍍敷的成膜偏差，要求實現(xiàn)Sn的厚度為比0.6 y m要薄得多的0.3 y m的成膜，使得可靠地僅生成金屬間化合物。
[0118]因此，即使在Au的成膜厚度為0.1 y m以外的情況下，也只要基于上述設(shè)計思想適當(dāng)?shù)卦O(shè)定接合前的Sn厚度，使得接合后不殘留Sn的單層即可。
[0119]若接合后殘留Sn的單層，則接合部208中會形成Sn的熔點即232°C的相，在對基板101安裝功率半導(dǎo)體100時有可能會發(fā)生再熔融，因此，不要在接合后殘留Sn的單層。
[0120]以上是關(guān)于Au/Sn的結(jié)構(gòu)的說明，關(guān)于其它Ag/Sn、Sn、Au、Ag的各水準(zhǔn)所對應(yīng)的厚度的考慮方法也可以仿照上述方法。
[0121]如上所述，當(dāng)接合結(jié)構(gòu)體106的制作完成后，如上述圖1所示，用接合結(jié)構(gòu)體106來制作功率半導(dǎo)體模塊100，利用焊接材料109將該功率半導(dǎo)體模塊100安裝于基板101上，以制作安裝結(jié)構(gòu)體110 (參照圖5)。
[0122]安裝時的焊接材料109 —般使用Sn-3重量％Ag_0.5重量％Cu (熔點217°C )，但若為無鉛的Sn類焊料，則并不局限于此，例如也可以使用Sn-0.7重量％Cu (熔點227°C)、Sn-3.5 重量 ％Ag-0.5 重量 ％Bi_6.0 重量 ％In (熔點 220°C )等。
[0123]實施例
[0124]下面，對實施方式所記載的發(fā)明即接合結(jié)構(gòu)體的實施例、將利用接合結(jié)構(gòu)體而獲得的功率半導(dǎo)體模塊安裝于基板上而形成的安裝結(jié)構(gòu)體的制造例、安裝結(jié)構(gòu)體的生產(chǎn)率的評價實驗例進行說明。
[0125]《接合結(jié)構(gòu)體的實施例》
[0126]在以下實施例1?15中，實施例1?5如前所述，是在接合材料104的上下面上分別形成有第一、第二中間層207、206的例子，實施例6?10是僅在接合材料104中的所述半導(dǎo)體元件102 —側(cè)形成有第一中間層207的例子，實施例11?15是僅在接合材料104中的所述Cu電極103 —側(cè)形成有第二中間層206的例子。
[0127]另外，將基于現(xiàn)有技術(shù)、不設(shè)置電極表面處理層202和Bi基底層205、不通過加熱/擴散來形成第一、第二中間層207、206的情況作為比較例I。
[0128]此外，在圖6中，對于實施例1?15，對接合前的電極表面處理層202、Bi基底層205的結(jié)構(gòu)和厚度、接合后的第二中間層206、第一中間層207的組成和厚度進行了總結(jié)。
[0129](I)實施例1
[0130]如圖6所示，將Au0.Ιμπι/Sn0.3μπι這兩層形成為層疊狀，以作為電極表面處理層202。在這種情況下，遠離Bi層203 —側(cè)為Au，接近Bi層203 —側(cè)為Sn。
[0131]同樣，將Au0.1 μ m/Sn0.3 μ m這兩層形成為層疊狀，以作為Bi基底層205。在這種情況下，遠離Bi層203 —側(cè)為Au，接近Bi層203 —側(cè)為Sn。
[0132]接著，加熱至320°C，利用電極表面處理層202中的擴散反應(yīng)來生成金屬間化合物，以形成由AuSn化合物2 μ m所構(gòu)成的第二中間層206。同樣，利用Bi基底層205中的擴散反應(yīng)來生成金屬間化合物，以形成由AuSn化合物2 μ m所構(gòu)成的第一中間層207。
[0133]關(guān)于上述AuSn化合物,利用能量分散型X射線分光法(Energy Dispersive X-raySpectroscopy),來確認AuSn化合物是AuSn4 (Au與Sn的原子量比為I比4)。
[0134](2)實施例 2
[0135]如圖6所不,將Ag0.5 μ m/Sn0.1 μ m這兩層形成為層疊狀，以作為電極表面處理層202，將Ag0.5 μ m/Sn0.1 μ m這兩層形成為層疊狀，以作為Bi基底層205。在這種情況下，遠離Bi層203 —側(cè)為Ag，接近Bi層203 —側(cè)為Sn。
[0136]接著，加熱至320°C，利用電極表面處理層202的擴散反應(yīng)，來形成由AgSn化合物
2μ m所構(gòu)成的第二中間層206。同樣，利用Bi基底層205中的擴散反應(yīng)，來形成由AgSn化合物2 μ m所構(gòu)成的第一中間層207。
[0137]關(guān)于上述AgSn化合物，利用能量分散型X射線分光法，來確認AgSn化合物是Ag3Sn (Ag與Sn的原子量比為3比I)。
[0138](3)實施例 3
[0139]如圖6所示，形成Sn0.5 μ m的單層以作為電極表面處理層202，形成Sn0.5 μ m的單層以作為Bi基底層205。
[0140]接著，加熱至320°C，利用電極表面處理層202與Cu電極103的Cu之間的擴散反應(yīng)，來形成由CuSn化合物2 μ m所構(gòu)成的第二中間層206。同樣，利用Bi基底層205與勢壘金屬層204的最下層即Cu之間的擴散反應(yīng)，來形成由CuSn化合物2 所構(gòu)成的第一中間層 207。
[0141]關(guān)于上述CuSn化合物，利用能量分散型X射線分光法，來確認CuSn化合物是Cu6Sn5 (Cu與Sn的原子量比為6比5)。
[0142](4)實施例 4
[0143]如圖6所示，形成Au2iim的單層以作為電極表面處理層202，形成Au2 y m的單層以作為Bi基底層205。
[0144]接著，加熱至320°C，利用電極表面處理層202的擴散，來形成由Au0.5 u m所構(gòu)成的第二中間層206，同樣，利用Bi基底層205的擴散，來形成由Au0.5 U m所構(gòu)成的第一中間層207。順便說一句，Au與電極或勢壘金屬層204的最下層的Cu不形成金屬間化合物。
[0145](5)實施例 5
[0146]如圖6所示，形成Ag2iim的單層以作為電極表面處理層202，形成Ag2 y m的單層以作為Bi基底層205。
[0147]接著，加熱至320°C，利用電極表面處理層202的擴散，來形成由Ag0.5 U m所構(gòu)成的第二中間層206,同樣,利用Bi基底層205的擴散,來形成由Ag0.5 U m所構(gòu)成的第一中間層207。順便說一句，Ag與電極或勢魚金屬層204的最下層的Cu不形成金屬間化合物。
[0148](6)實施例6~10
[0149]在以圖6所示的結(jié)構(gòu)和厚度來形成兩層或單層的Bi基底層205之后，加熱至320°C，以形成圖6所示的組成`和厚度的第一中間層207。不形成第二中間層206。
[0150](7)實施例 11 ~15
[0151]在以圖6所示的結(jié)構(gòu)和厚度來形成兩層或單層的電極表面處理層202之后，加熱至320°C，以形成圖6所示的組成和厚度的第二中間層206。不形成第一中間層207。
[0152]《安裝結(jié)構(gòu)體的制造例》
[0153]如圖5所示，使用由上述實施例所完成的接合結(jié)構(gòu)體106，利用引線107來進行引線鍵合(也可以是帶鍵合)，在實施密封而形成功率半導(dǎo)體模塊100之后，用焊接材料將該功率半導(dǎo)體模塊100安裝于基板101，以形成安裝結(jié)構(gòu)體110。
[0154]對于上述焊接材料109，如上所述，使用一般的焊接材料即Sn-3重量％Ag_0.5重量％&1 (熔點 217°C)。
[0155]下面，對上述安裝結(jié)構(gòu)體110的產(chǎn)品生產(chǎn)率進行評價。
[0156]《安裝結(jié)構(gòu)體的生產(chǎn)率評價試驗例》
[0157]將低溫側(cè)固定為_65°C，將高溫側(cè)設(shè)定為150°C、175°C、200°C這三個階段，在反復(fù)進行300個循環(huán)的低溫-高溫之間的溫度循環(huán)試驗(I個循環(huán)30分鐘/30分鐘)后，用超聲波視頻對產(chǎn)品進行觀察，以目測對接合結(jié)構(gòu)體的接合材料有無裂紋、剝離進行判定，計算出相對于接合部表面積、裂紋、剝離小于20%的產(chǎn)品生產(chǎn)率(N數(shù)=20)，以如下基準(zhǔn)來評價優(yōu)劣。
[0158]〇:生產(chǎn)率為大于等于80% (合格品)。
[0159]X:生產(chǎn)率為小于80% (不合格品)。
[0160]《關(guān)于生產(chǎn)率試驗的評價》
[0161]圖7表示生產(chǎn)率試驗的結(jié)果。[0162]首先，在實施例1~15中，無論在溫度循環(huán)試驗條件的高溫側(cè)為150°C、175°C、200°C中的哪一個的情況下，生產(chǎn)率都大于等于80%，判定為合格品(〇)。
[0163]與之相對，在比較例I中，在溫度循環(huán)實驗條件的高溫側(cè)為150°C的情況下，生產(chǎn)率為95%，但若高溫側(cè)升溫至175°C、200°C，則生產(chǎn)率會下降至65%、50%，判定為不合格品(X)。
[0164]一般，在溫度循環(huán)實驗中，若高溫側(cè)與低溫側(cè)的溫差Λ T較大，則基于半導(dǎo)體元件102的熱膨脹系數(shù)(a N 3ppm/K)與Cu電極103的材料即Cu的線膨脹系數(shù)(a N 18ppm/K)之差的熱應(yīng)力會增大，該應(yīng)力會施加于接合結(jié)構(gòu)體中的接合部208。
[0165]觀察比較例I (現(xiàn)有技術(shù))可知，高溫側(cè)具有對于150°C的耐熱應(yīng)力，但不具備對于175°C、200°C的耐熱應(yīng)力。
[0166]與之相對，在本發(fā)明的實施例1~15中，都判定為合格品。
[0167]因此，以實施例1為代表例,對實施例相對于比較例I的優(yōu)異性的理由進行考察。
[0168]首先，觀察接合部的各結(jié)構(gòu)的楊氏模量，由于比較例I的結(jié)構(gòu)為Cu電極103、擴散有Ag層的Bi層203 (接合材料)、以及勢壘金屬層204的最下層即Cu層的三層結(jié)構(gòu)，因此，成為 Cu (110X109N/m2)/B1-3.5 重量 ％Ag (32X 109N/m2)/Cu (IlOX 109N/m2)。
[0169]與之相對，在實施例1的結(jié)構(gòu)中，由于將第一、第二中間層207、206層疊于擴散有Ag層的Bi層203 (接合材料)的上下面，因此，成為Cu (110X109N/m2)/AuSn4 (55.6X IO9N/m2))/B1-3.5 重量 ％Ag (32X 109N/m2)/AuSn4 (55.6X 109N/m2))/Cu (IlOX 109N/m2)。
[0170]如下式(c )那樣，楊氏模量是材料發(fā)生彈性變動時的應(yīng)力與形變之比，
[0171]E= σ / ε...(c)
[0172]式(C)中，E表示楊氏模量，σ表示應(yīng)力，ε表示形變。
[0173]由于楊氏模量與形變量成反比，因此，在施加有一定的應(yīng)力的情況下，楊氏模量越小，可形變的量越大。
[0174]因此，比較例I與實施例1之間的差異在于，Cu層與B1-3.5重量％Ag層之間是否夾有中間層的AuSn化合物(AuSn4),而在實施例1中，可以認為,楊氏模量因存在中間層而從B1-3.5重量％Ag的接合材料向Cu傾斜增大，彈簧效果發(fā)揮作用從而實現(xiàn)了應(yīng)力緩和功倉泛。
[0175]然而，在比較例I中，不存在這樣傾斜的楊氏模量的增大，接合材料的楊氏模量與電極或勢壘金屬層的楊氏模量之間的差異較大，因此，所謂的彈簧效果不會發(fā)揮作用，可以推測這就是實施例1相對于比較例I具有優(yōu)異性、即因高溫側(cè)的溫度條件而產(chǎn)生生產(chǎn)率之
差的理由。
[0176]關(guān)于其它實施例2~15的各中間層也相同。
[0177]試料2、7、12 的中間層(Ag3Sn):楊氏模量=74.5X 109N/m2
[0178]試料3、8、13 的中間層(Cu6Sn5):楊氏模量=93.5X 109N/m2
[0179]試料4、9、14的中間層(Au):楊氏模量=80X 109N/m2
[0180]試料5、10、15的中間層(Ag):楊氏模量=76X 109N/m2
[0181]可以推測由 于在Cu與B1-3.5重量％Ag之間夾有上述各種中間層，由此能發(fā)揮彈簧效果，從而能實現(xiàn)應(yīng)力緩和功能。
[0182]因此，以下，對實施例1~15的試驗結(jié)果進行詳細討論。[0183]若對接合材料104的兩面存在第一、第二中間層207、206的實施例1?5、只存在第一中間層207的實施例6?10、以及只存在第二中間層206的實施例11?15進行對比，則圖7的生產(chǎn)率中存在10?15%的差異，可知存在兩個中間層的實施例1?5的生產(chǎn)率更具優(yōu)異性。
[0184]因此，雖然即使只在接合材料104的所述半導(dǎo)體元件102或所述Cu電極103 —側(cè)存在中間層也能有效地實現(xiàn)應(yīng)カ緩和功能，但為了進ー步促進應(yīng)カ緩和功能，優(yōu)選為在接合材料104的所述半導(dǎo)體元件102側(cè)及所述Cu電極103側(cè)這兩側(cè)都設(shè)置中間層。
[0185]另外，在實施例4?5、實施例9?10、實施例14?15中，接合后的中間層的厚度與接合前的Au、Ag層的厚度相比大幅減少為0.5iim。這是由于Au、Ag層擴散至接合前的電極表面處理層、Bi基底層附近部分的B1-3.5重量％Ag中，但通過上述生產(chǎn)率試驗可以證明，即使是這樣的結(jié)構(gòu)，也能發(fā)揮所希望的彈簧效果從而有效地實現(xiàn)應(yīng)カ緩和功能。
[0186]另外，本發(fā)明的特征在干，使楊氏模量從層疊體向半導(dǎo)體元件或電極傾斜增大，但例如實施例1的第一中間層207 (AuSn4)的楊氏模量為55.6 X 109N/m2，為大致靠近勢壘金屬層204的最下層即Cu層的楊氏模量(110X109N/m2)、與接合材料(B1-3.5重量％Ag)的楊氏模量(32X 109N/m2)的中央的數(shù)值，但在實施例3中，第一中間層207 (Cu6Sn5)的楊氏模量為93.5X 109N/m2,為靠近勢壘金屬層204的Cu層的楊氏模量(IlOX 109N/m2)的數(shù)值。
[0187]因此，參照上述試驗結(jié)果可知，即使第一、第二中間層207、206的楊氏模量是與半導(dǎo)體元件表面即勢壘金屬層的下層的Cu或電極Cu的楊氏模量相接近的值，也能發(fā)揮彈簧效果，因此，可以說，只要第一、第二中間層207、206的楊氏模量處于半導(dǎo)體元件表面的Cu的楊氏模量與Cu電極的楊氏模量之間，即使不設(shè)計成中央附近的數(shù)值也沒問題。
[0188]エ業(yè)上的實用性
[0189]具有本發(fā)明的接合結(jié)構(gòu)體安裝結(jié)構(gòu)體經(jīng)由使楊氏模量從接合材料向被接合材料(半導(dǎo)體元件、Cu電極)傾斜增大的層疊結(jié)構(gòu)，將半導(dǎo)體元件與Cu電極相接合，從而能確保與使用功率半導(dǎo)體模塊時的溫度周期中所產(chǎn)生的熱應(yīng)カ相対的應(yīng)カ緩和性，能適用于功率半導(dǎo)體模塊、小功率晶體管等半導(dǎo)體封裝的用途中。
[0190]標(biāo)號說明
[0191]100功率半導(dǎo)體模塊
[0192]101 基板
[0193]102半導(dǎo)體元件
[0194]103 Cu 電極
[0195]104接合材料
[0196]106接合結(jié)構(gòu)體
[0197]109焊接材料
[0198]110安裝結(jié)構(gòu)體
[0199]201 Ag 層
[0200]202電極表面處理層
[0201]203 Bi 層
[0202]204勢壘金屬層
[0203]205 Bi 基底層[0204]206第二中間層
[0205]207第一中間層
[0206]209a、209b、209c 層疊體
【權(quán)利要求】
1.一種接合結(jié)構(gòu)體，所述接合結(jié)構(gòu)體利用以Bi為主要成分的接合材料來將半導(dǎo)體元件與Cu電極相接合，其特征在于， 由所述接合材料和形成于該接合材料表面的中間層構(gòu)成層疊體，隔著該層疊體將半導(dǎo)體元件表面的Cu與所述Cu電極相接合， 在將所述半導(dǎo)體兀件表面的Cu的楊氏模量設(shè)為E1、將所述中間層的楊氏模量設(shè)為E2、將所述接合材料的楊氏模量設(shè)為E3、將所述Cu電極的楊氏模量設(shè)為E4的情況下， 以使得各楊氏模量El~E4同時滿足以下條件(pi)、(ql)
E3 < E2 < EL...(pi)
E3 < E2 < Et..(ql) 或其中的一個條件的方式，對所述半導(dǎo)體元件及所述Cu電極構(gòu)成所述層疊體。
2.如權(quán)利要求1所述的接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述層疊體是包括所述接合材料、以及形成于該接合材料的上下兩面的兩個中間層的三層的層疊體，若將所述半導(dǎo)體元件一側(cè)的第一中間層的楊氏模量設(shè)為E21，并將所述Cu電極一側(cè)的第二中間層的楊氏模量設(shè)為E24, 則以使得各楊氏模量El、E21、E24、E3、E4滿足以下條件(p2)和(q2)
E3 < E21 < El...(p2)
E3 < E24 < E4...(q2) 的方式，對所述半導(dǎo)體元件及所述Cu電極構(gòu)成所述三層的層疊體。
3.如權(quán)利要求1所述的接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述層疊體是包括所述接合材料、以及形成于該接合材料的所述半導(dǎo)體元件一側(cè)的中間層的兩層的層疊體，在將所述中間層的楊氏模量設(shè)為E21的情況下，以使得各楊氏模量El、E21、E3滿足以下條件(p2)
E3 < E21 < El...(p2) 的方式，對所述半導(dǎo)體元件及所述Cu電極構(gòu)成所述兩層的層疊體。
4.如權(quán)利要求1所述的接合結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述層疊體是包括所述接合材料、以及形成于該接合材料的所述Cu電極一側(cè)的中間層的兩層的層疊體， 在將所述中間層的楊氏模量設(shè)為E24的情況下， 以使得各楊氏模量E24、E3、E4滿足以下條件(q2)
E3 < E24 < E4...(q2) 的方式，對所述半導(dǎo)體元件及所述Cu電極構(gòu)成所述兩層的層疊體。
5.如權(quán)利要求1至4的任一項所述的接合結(jié)構(gòu)體,其特征在于， 所述中間層是從包括AuSn化合物、AgSn化合物、CuSn化合物、Au、Ag的組中選出的至少一種金屬。
6.如權(quán)利要求1至5的任一項所述的接合結(jié)構(gòu)體,其特征在于， 所述中間層 是CuSn化合物。
【文檔編號】B23K1/00GK103563062SQ201280025481
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月3日
【發(fā)明者】中村太一, 北浦秀敏, 吉澤章央 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社