[發明專利]焊料合金和使用該焊料合金的半導體裝置

有效

• 申請號: 201010240767.3
• 申請日: 2006-02-28
• 公開（公告）號: CN101905388A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 両角朗;征矢野伸;高橋良和
• 申請（專利權）人: 富士電機系統株式會社
• 主分類號: B23K35/26
• 分類號: B23K35/26;H01L21/60;H01L23/488
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 沙永生

本申請是2006年2月28日提交的申請號為200610051542.7、題為“焊料合金和使用該焊料合金的半導體裝置”的申請的分案。

相關申請交叉引用

本發明是基于2005年5月20日提交的日本申請第2005-148730號，并要求該申請的優先權，該申請全文參考結合入本文。

技術領域

本發明涉及不含鉛的焊料合金和使用該焊料合金的半導體裝置，具體來說涉及錫(Sn)-銻(Sb)體系的焊料合金。

背景技術

焊料合金通常需要有足夠的結合性能和耐腐蝕性。在用于功率變換器(power?converter)用途的功率半導體裝置中，用焊料合金將半導體芯片的背面與位于絕緣基片的主表面(前表面)的導體圖案相連，所述絕緣基片是在其表面上具有導體圖案的陶瓷基片。這種焊料合金需要有高的抗熱疲勞強度，這是由于在焊接區域會產生很大的熱應變(thermal?strain)。半導體芯片的背面以平面焊接的方式與絕緣基片表面上的導體圖案相連，半導體芯片的熱膨脹系數與導體圖案的熱膨脹系數不同。另外，半導體芯片在導電期間會產生熱量。因此焊接部分會經受很大的熱應變。

在安裝在功率變換器(在電動車輛中用于功率變換)中的功率半導體裝置(power?semiconductor?device)中，位于絕緣基片的其它主表面(背面)的導體圖案與金屬制成的散熱板相連。由于焊接區域非常寬，用于該接合處的焊料合金必須具有極好的潤濕性。另外，在散熱板和絕緣基片背面的導體圖案之間的接合區域中，由于絕緣基片(陶瓷基片)和散熱板的熱膨脹系數不同，會產生很大的熱應變。由于散熱板和絕緣基片背面上的導體圖案之間接合處的焊接區域很大，因此在焊接區域產生的應變要大于前述半導體芯片和絕緣基片前表面上的導體圖案之間連接處所產生的應變。

近來，考慮到環境保護，需要有不含鉛(Pb)的焊料合金。一種已知的這種的焊料合金是錫(Sn)-銻(Sb)合金。一種已知的焊料合金(例如見專利文獻1)包含的主要組分是錫(Sn)，還包含不超過3.0重量％的銻(Sb)、不超過3.5重量％的銀(Ag)、不超過0.1重量％的鍺(Ge)，另外，還包含不超過1.0重量％的銅或不超過1.0重量％的鎳、或同時包含這兩種元素。另一種已知的焊料合金(例如見專利文獻2)包含0.01-10重量％的鍺(Ge)、5-30重量％的銻和65-90重量％的錫(Sn)。

[專利文獻1]

日本未經審查專利申請公開第H11-58066號

[專利文獻2]

日本未經審查專利申請公開第2003-94194號

錫(Sn)-銻(Sb)合金的轉熔點是在銻為8.5重量％的位置，轉熔溫度為245℃，通常所用錫(Sn)-銻(Sb)合金的組成含有8重量％的銻。錫(Sn)-銻(Sb)合金在錫(Sn)的熔點232℃和轉熔點245℃之間發生發生熔化。固-液共存區域很窄，耐熱性良好，通過增加銻(Sb)的含量能夠獲得出眾的機械性能。然而，高含量的銻(Sb)會在合金焊接時帶來潤濕性低的問題。錫(Sn)之類的焊料組分的氧化會帶來另外的問題，即焊接性能變差。

發明內容

根據上述問題進行了本發明的研究。本發明的一個目的是提供一種具有極好潤濕性和令人滿意焊接性能的錫(Sn)-銻(Sb)體系焊料合金。本發明的另一個目的是提供使用具有極好潤濕性和令人滿意焊接性能的錫(Sn)-銻(Sb)體系焊料合金的半導體裝置。

為了解決所述問題，達到這些目的，根據本發明權利要求1的焊料合金包含3-5重量％的銻、痕量的鍺和余量的錫。

根據本發明權利要求2的焊料合金是根據本發明權利要求1的合金，其中鍺的含量不超過0.2重量％。

根據本發明權利要求3的使用焊料合金的半導體裝置包括：在其兩個表面上都具有導體圖案的絕緣基片，與所述絕緣基片前表面上的導體圖案相連的半導體芯片，與絕緣基片背面上的導體圖案相連的散熱板。用焊料合金對絕緣基片背面上的導體圖案和散熱板進行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的銻、痕量的鍺和余量的錫。

根據本發明權利要求4的使用焊料合金的半導體裝置，是根據本發明權利要求3的半導體裝置，其中用焊料合金對半導體芯片的背面和絕緣基片前表面上的導體圖案進行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的銻、痕量的鍺和余量的錫。

根據本發明權利要求5的使用焊接合金的半導體裝置，是根據本發明權利要求3或權利要求4的半導體裝置，其中用焊料合金對位于半導體芯片表面上的電極和用于接線的導體進行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的銻、痕量的鍺和余量的錫。