[發(fā)明專利]接合結(jié)構(gòu)體

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280025481.0
• 申請日: 2012-05-22
• 公開（公告）號: CN103563062A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 中村太一;北浦秀敏;吉澤章央
• 申請（專利權(quán)）人: 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社
• 主分類號: H01L21/52
• 分類號: H01L21/52;B23K1/00;B23K1/20;B23K35/14;B23K35/26;C22C12/00;H01L23/34
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 張鑫

技術(shù)領(lǐng)域

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(jī)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)

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。

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。

另一方面，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(jìn)行各種研究。

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℃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。

由于Zn類焊接材料的腐蝕性較強，且彈性率過高，因此，當(dāng)應(yīng)用于半導(dǎo)體元器件的內(nèi)部接合時，機(jī)械特性的提高會成為問題。

Sn類焊接材料具有優(yōu)異的機(jī)械特性，但因熔點低至小于250℃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(jìn)行金屬間化合物化、從而提高了熔點的接合材料進(jìn)行研究，但由于會因在進(jìn)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(jī)械特性、散熱特性的改善會成為問題。

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℃附近的Bi類材料進(jìn)行研究。

例如，專利文獻(xiàn)1是將該Bi類焊接材料用于接合材料的例子。

圖8是專利文獻(xiàn)1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Bi-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。

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℃，則專利文獻(xiàn)1所記載的Bi-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℃或200℃的環(huán)境下，專利文獻(xiàn)1所記載的Bi-Ag類焊接材料有可能會在接合部404中產(chǎn)生裂紋、剝離等。

可以認(rèn)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)（α≒3ppm/K）與Cu電極403的線膨脹系數(shù)（α≒18ppm/K）之差的熱應(yīng)力，Bi-Ag類焊接材料應(yīng)力無法緩和，因此，會導(dǎo)致接合部404中產(chǎn)生裂紋、剝離等。

因此，在上述專利文獻(xiàn)1所記載的Bi-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℃時，提高與該高溫區(qū)域相對的應(yīng)力緩和性將成為問題。

另一方面，專利文獻(xiàn)2以防止接合結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生裂紋或剝離為課題。

在專利文獻(xiàn)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(hù)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。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利特開2006-310507號公報

專利文獻(xiàn)2：日本專利特開2011-023631號公報

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題

在專利文獻(xiàn)2所記載的發(fā)明中，通過將保護(hù)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(hù)樹脂的填充為特征的專利文獻(xiàn)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。

解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案

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。