DE112022007828T5

DE112022007828T5 - Verbindungsglied und halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112022007828T5
Application number: DE112022007828.6T
Authority: DE
Inventors: Koji Yamazaki; Norikazu Sakai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2025-08-14
Also published as: JP7267522B1; WO2024069866A1; JPWO2024069866A1; CN119895564A

Abstract

Ein Verbindungsglied (1) verbindet ein erstes Zielobjekt (2) und ein zweites Zielobjekt (3). Das Verbindungsglied (1) beinhaltet: ein Metallpartikel (11), das Ni als Hauptkomponente enthält; eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt (12), die Sn als Hauptkomponente enthält und einen Schmelzpunkt von weniger als 300 °C aufweist; und eine intermetallische Verbindung (13), die einen Schmelzpunkt von 300 °C oder mehr aufweist und durch Interdiffusion zwischen Sn und dem Metallpartikel (11) entsteht. Ein Verhältnis einer Menge der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt (12) zu einer Gesamtmenge des Verbindungsglieds (1) beträgt 2 Volumen-% oder mehr und weniger als 20 Volumen-%. Jeder der Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts (2) und des zweiten Zielobjekts (3) beträgt 3 × 10-6/K oder mehr und weniger als 13 × 10-6/K, und eine Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts (2) und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Zielobjekts (3) beträgt weniger als 5 × 10-6/K. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbindungsglieds (1) beträgt 16 × 10-6/K oder mehr und weniger als 20 × 10-6/K.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verbindungsglied und eine Halbleitervorrichtung.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren gab es einen steigenden Bedarf bezüglich der Zuverlässigkeit einer Halbleitervorrichtung. Insbesondere war es erforderlich, die Zuverlässigkeit der Lebensdauer eines verbundenen Abschnitts zwischen Komponenten, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen (zum Beispiel eines verbundenen Abschnitts zwischen einem Halbleiterelement und einer Leiterplatte oder eines verbundenen Abschnitts zwischen einer Leiterplatte und einer Wärmeabstrahlungsplatte), zu verbessern.
Herkömmlicherweise sind Halbleiterelemente, die jeweils ein Substrat aufweisen, das Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs) oder dergleichen einsetzt, weit verbreitet. Eine Betriebstemperatur von jedem dieser Halbleiterelemente beträgt 100 °C bis 125 °C. Ein Lotmaterial, das zum Verbinden zwischen dem Halbleiterelement und der Leiterplatte verwendet wird, muss Folgendes aufweisen: einen hohen Schmelzpunkt, um dem mehrstufigen Lötverbinden zum Zeitpunkt der Fertigung standzuhalten; Rissbeständigkeit gegenüber wiederholten thermischen Belastungen, die durch Starten und Stoppen verursacht werden; und Widerstandsfähigkeit gegen Verunreinigungen der Vorrichtung.
Als Reaktion auf diese Anforderungen wurde zum Beispiel 95Pb-5Sn (Masse-%) als Lotmaterial für Si-Vorrichtungen verwendet und wurde 80Au-20Sn (Masse-%) als Lotmaterial für Galliumarsenidvorrichtungen verwendet.
95Pb-5Sn, das eine große Menge an schädlichem Blei (Pb) enthält, birgt jedoch im Hinblick auf die Verringerung der Belastung für die Umwelt ein Problem. Andererseits birgt 80Au-20Sn, das eine große Menge an Edelmetall enthält, im Hinblick auf den erhöhten Preis oder die begrenzte Menge an Edelmetall ein Problem. Daher sind alternative Materialien für beide sehr erwünscht.
Andererseits wurde im Hinblick auf Energieeinsparungen eine Vorrichtung, die ein Substrat aufweist, das Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) einsetzt, aktiv als Vorrichtung der nächsten Generation entwickelt. Eine Betriebstemperatur von jedem davon beträgt 175 °C oder mehr und soll in Zukunft 300 °C betragen.
Dies bedeutet, dass die Temperatur des verbundenen Abschnitts zwischen dem Halbleiterelement und der Leiterplatte 175 °C wird. Ferner wird die Temperatur des verbundenen Abschnitts zwischen der Leiterplatte und der Wärmeabstrahlungsplatte in Abhängigkeit von einer Betriebsbedingung und einer Wärmeabstrahlungsleistung ebenfalls auf eine Temperatur erhöht, die dieser nahekommt. Daher ist eine hohe Zuverlässigkeit für den verbundenen Abschnitt zwischen der Leiterplatte und der Wärmeabstrahlungsplatte sowie den verbundenen Abschnitt zwischen dem Halbleiterelement und der Leiterplatte erforderlich.
Wie vorstehend beschrieben, wurde in jeder der herkömmlichen Vorrichtungen und Vorrichtungen der nächsten Generation ein Glied (Verbindungsglied) benötigt, das einen hohen Schmelzpunkt und eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweist und jeden der verbundenen Abschnitte ausbildet.
Als ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen eines Verbindungskörpers, der eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist, ist das folgende Verfahren bekannt: eine große Menge von Metallpartikeln, wie etwa Ag oder Cu, wird zu Sn hinzugegeben und eine Verbindungsschicht wird durch eine Ag-Sn-Legierungsphase (zum Beispiel Ag₃Sn: Schmelzpunkt von 480 °C), eine Cu-Sn-Legierung (zum Beispiel Cu₆Sn₅: Schmelzpunkt von 415 °C; Cu₃Sn: Schmelzpunkt von 676 °C) oder dergleichen durch Metalldiffusion, die durch Erwärmung (300 °C oder weniger) zum Zeitpunkt der Verbindung entsteht, ausgebildet.
Bezüglich eines Zusammenfügungsverfahrens oder einer elektronischen Vorrichtung, die Lot verwendet, offenbart zum Beispiel PTL 1 ( JP 2002 - 314 241 ) eine Verbindungsstruktur, bei der Sn einer Lotkugel geschmolzen wird, um eine intermetallische Verbindung an einer Grenzfläche mit Cu aus Metallkugeln auszubilden, und die Metallkugeln aus Cu miteinander gekoppelt werden. Es ist anzumerken, dass, da das geschmolzene Sn auch intermetallische Verbindungen mit einer Elektrode eines Halbleiterchips, einer Elektrode eines Zwischensubstrats und dergleichen ausbildet, die Metallkugeln aus Cu und diese Elektroden gekoppelt sind.
Ferner beschreibt PTL 1, dass ein Zusammenfügungsabschnitt eine ausreichende Festigkeit gewährleisten kann, um einem Prozess zum Zeitpunkt der nachfolgenden Zusammenfügung durch Löten standzuhalten, selbst wenn Sn der Lotkugel zu einer intermetallischen Cu-Sn-Verbindung (Cu₆Sn₅; Schmelzpunkt: etwa 630 °C) wird, um die Schmelzpunkte eines Kontaktabschnitts und dessen Umgebung zu erhöhen, und ein Teil von Sn verbleibt, sofern die anderen Teile nicht geschmolzen werden.
Es ist anzumerken, dass PTL 1 auch beschreibt, dass: die Metallkugeln jeweils nicht auf Cu beschränkt sind; Ag, Au, Al, Ni, eine Cu-Legierung, eine Cu-Sn-Verbindung, eine Ag-Sn-Verbindung, eine Au-Sn-Verbindung, eine Al-Ag-Verbindung, eine Zn-Al-Verbindung oder dergleichen können dafür verwendet werden; und Au weist eine ausgezeichnete Benetzbarkeit auf und weist daher eine Hohlraumverringerungswirkung an dem Zusammenfügungsabschnitt auf.
Ferner beschreibt PTL 2 ( WO 2012/108395 ), dass ein Lot, das ein Metall auf Sn-Basis und ein Metall auf Cu-Basis enthält, an einem Zusammenfügungsabschnitt erwärmt und geschmolzen wird, wodurch eine intermetallische Verbindung ausgebildet wird, die einen Schmelzpunkt von 310 °C oder mehr aufweist. Es ist anzumerken, dass zudem offenbart wird, dass ein Verhältnis der Metallkomponente auf Sn-Basis, die in dem Zusammenfügungsabschnitt enthalten ist, 30 Volumen-% oder weniger beträgt.
LISTE DER ANFÜHRUNGEN
PATENTLITERATUR

PTL 1: JP 2002 - 314 241
PTL 2: WO 2012/108395

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Bei dem herkömmlichen Verfahren zum Fertigen einer Halbleitervorrichtung, wie in jeder von PTL 1 und PTL 2 veranschaulicht, wird jedoch eine Menge der Metallpartikel, die zu den Sn-Partikeln hinzugegeben wird, nicht in Bezug auf die Rissbeständigkeit bei einem Thermoschocktest beurteilt.
Wenn zum Beispiel eine große Menge der Metallpartikel, wie etwa Cu-Partikel oder Ag-Partikel, hinzugefügt wird, verschlechtert sich die Fluidität von Sn und ein durch die Metallpartikel abgedichteter Abschnitt wird daher zu einem nicht verbundenen Abschnitt, wodurch ein Hohlraum erzeugt wird, mit dem Ergebnis, dass wahrscheinlich ein Riss erzeugt wird, wenn ein Thermoschock auf den verbundenen Abschnitt angewendet wird.
Darüber hinaus weist die Ag-Sn-Legierung, die durch Ag₃Sn dargestellt ist, oder die Cu-Sn-Legierung, die durch Cu₆Sn₅ dargestellt ist, in Hinsicht auf ein Metallphasendiagramm etwa 5 Masse-% einer Mischkristallregion von Ag oder Cu und Sn auf. Da jedoch ein Trennungszustand von zwei Phasen vorliegt, wird eine Grenzfläche zwischen Ag₃Sn und Cu₆Sn₅ zu einem Hohlraum, sofern keine Sn-Phase vorliegt, die einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, und wird zum Ausgangspunkt eines Risses.
Dagegen waren die Erfinder der vorliegenden Erfindung der Ansicht, dass es bei einer Halbleitervorrichtung, die bei einer hohen Temperatur betrieben wird, wichtig ist, nicht nur eine mechanische Eigenschaft als Material- oder Wärmezykluswiderstand als einzige Komponente, die darauf angewendet wird, zu gewährleisten, sondern auch die Zuverlässigkeit als Vorrichtung in einem Leistungszyklus (Wiederholen der Erzeugung von Wärme und Kühlen durch Wiederholen von An- und Ausschalten der Anwendung von Leistung auf eine Halbleitervorrichtung), den ein tatsächlicher Betrieb einschließt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein Verbindungsglied bereitzustellen, das eine hohe Verbindungszuverlässigkeit für einen Leistungszyklus in einer Halbleitervorrichtung aufweist, die bei einer hohen Temperatur betrieben wird.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein Verbindungsglied verbindet ein erstes Zielobjekt und ein zweites Zielobjekt.
Das Verbindungsglied beinhaltet: ein Metallpartikel, das Ni als Hauptkomponente enthält; eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt, die Sn als Hauptkomponente enthält und einen Schmelzpunkt von weniger als 300 °C aufweist; und eine intermetallische Verbindung, die einen Schmelzpunkt von 300 °C oder mehr aufweist und durch Interdiffusion zwischen Sn und dem Metallpartikel entsteht.
Ein Verhältnis einer Menge der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt zu einer Gesamtmenge des Verbindungsglieds beträgt 2 Volumen-% oder mehr und weniger als 20 Volumen-%.
Jeder der Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts und des zweiten Zielobjekts beträgt 3 × 10^-6/K oder mehr und weniger als 13 × 10^-6/K und eine Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Zielobjekts beträgt weniger als 5 × 10^-6/K.
Ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbindungsglieds beträgt 16 × 10^-6/K oder mehr und weniger als 20 × 10^-6/K.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, ein Verbindungsglied bereitzustellen, das eine hohe Verbindungszuverlässigkeit für einen Leistungszyklus in einer Halbleitervorrichtung aufweist, die bei einer hohen Temperatur betrieben wird.
Konkret verbleibt in dem Verbindungsglied der vorliegenden Offenbarung die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt (zum Beispiel eine Phase nur mit Sn), um die Benetzbarkeit an einem Verbindungszielglied (Verbindungszielobjekt) zu gewährleisten, und eine verbleibende Menge davon wird optimiert, um einen vertikalen Riss in dem Leistungszyklus zu unterdrücken.
Da das Verbindungsglied der vorliegenden Offenbarung angewendet wird, um die Vielzahl von Verbindungszielobjekten zu verbinden, zwischen denen die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten in den spezifischen Bereich fällt, ist es ferner möglich, einen seitlichen Riss zu unterdrücken, der durch eine Scherspannung verursacht wird, die durch die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Vielzahl von Verbindungszielobjekten entsteht.
Da das Verbindungsglied eingesetzt wird, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der in den spezifischen Bereich fällt, werden ferner eine Zugspannung und Druckspannung (Zug-Druck-Spannung), die durch die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbindungszielobjektes und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbindungsglieds verursacht werden, unterdrückt, wodurch selbst bei einem Betrieb bei einer hohen Temperatur (zum Beispiel 175 °C) eine ausgezeichnete Verbindungszuverlässigkeit erreicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Vorgang zum Fertigen einer Halbleitervorrichtung (eines Verbindungsglieds) zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen ersten Schritt aus 1 zeigt.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen zweiten Schritt aus 1 zeigt.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen dritten Schritt aus 1 zeigt.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen vierten Schritt aus 1 zeigt.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen fünften Schritt aus 1 zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es ist anzumerken, dass in den Figuren dimensionale Beziehungen, wie etwa Länge, Breite, Dicke und Tiefe, aus Gründen der Übersichtlichkeit und Einfachheit der Figuren in geeigneter Weise geändert wurden und keine tatsächlichen dimensionalen Beziehungen darstellen.
Erste Ausführungsform.
<Verbindungsglied>
Ein Verbindungsglied 1 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Glied, das ein erstes Zielobjekt 2 (zum Beispiel eine Wärmeabstrahlungsplatte) und ein zweites Zielobjekt 3 (zum Beispiel eine Leiterplatte, die ein Halbleiterelement und eine Verdrahtungsschaltung aufweist) verbindet (siehe 6). Es ist anzumerken, dass sich das Verbindungsglied 1 von einer später beschriebenen Lotfolie 10 unterscheidet und ein Glied ist, das aus Lot (Lotlegierung) besteht, das nach dem Schmelzen durch einen Erwärmungsschritt erstarrt ist und das in einem Zustand vorliegt, in dem das Verbindungsglied 1 mit beiden der Verbindungszielelemente (erstes Zielobjekt 2 und zweites Zielobjekt 3) verbunden ist.
Das Verbindungsglied 1 der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet Metallpartikel 11, eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 und eine intermetallische Verbindung 13.
Jedes der Metallpartikel 11 enthält Ni als Hauptkomponente. Hier ist die „Hauptkomponente“ eine Komponente, die unter Komponenten, die in dem Metallpartikel 11 enthalten sind, die größte Menge aufweist. Das Gehaltsverhältnis von Sn in dem Metallpartikel 11 beträgt bevorzugt 60 Masse-% oder mehr, beträgt weiter bevorzugt 70 Masse-% oder mehr und beträgt ferner bevorzugt 80 Masse-% oder mehr.
Das Metallpartikel 11 kann ferner mindestens eine Komponente enthalten, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Cr, C, Cu und Si besteht.
Die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 enthält Sn als Hauptkomponente und weist einen Schmelzpunkt von weniger als 300 °C auf. Hier ist die „Hauptkomponente“ eine Komponente, die unter den Komponenten, die in der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 enthalten sind, die größte Menge aufweist. Das Gehaltsverhältnis von Sn in der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 beträgt bevorzugt 60 Masse-% oder mehr, beträgt weiter bevorzugt 70 Masse-% oder mehr und beträgt ferner bevorzugt 80 Masse-% oder mehr.
Die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt kann ferner zum Beispiel Ag und Cu (zusätzlich zu Sn) enthalten. In diesem Fall kann das Gehaltsverhältnis von Ag zum Beispiel 3 Masse-% oder mehr und weniger als 4 Masse-% betragen und kann das Gehaltsverhältnis von Cu 0,5 Masse-% oder mehr und weniger als 1,0 Masse-% betragen. Es ist anzumerken, dass, wenn die Gehaltsverhältnisse von Ag bzw. Cu in diese Bereiche fallen, erwartet wird, dass die Wirkung der vorliegenden Offenbarung mit höherer Sicherheit erlangt wird.
Die intermetallische Verbindung 13 ist eine Verbindung (Phase), die durch Interdiffusion zwischen Sn und dem Metallpartikel 11 entsteht und einen Schmelzpunkt von 300 °C oder mehr aufweist.
Ferner beträgt bei dem Verbindungsglied 1 der vorliegenden Ausführungsform ein Verhältnis einer Menge einer Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 zu einer Gesamtmenge des Verbindungsglieds 1 2 Volumen-% oder mehr und weniger als 20 Volumen-%.
Ferner beträgt jeder der Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts 2 und des zweiten Zielobjekts 33 × 10^-6/K oder mehr und weniger als 13 × 10^-6/K, und eine Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts 2 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Zielobjekts 3 beträgt weniger als 5 × 10^-6/K.
Ferner beträgt ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbindungsglieds 16 × 10^-6/K oder mehr und weniger als 20 × 10^-6/K.
Es ist anzumerken, dass die Erfinder der vorliegenden Erfindung infolge der Durchführung eines Zuverlässigkeitstests an einer Halbleitervorrichtung in einem Leistungszyklus festgestellt haben, dass in dem Leistungszyklus die Unterdrückung von Rissen (vertikalen Rissen), die in der Schicht des Verbindungsglieds in einer Dickenrichtung erzeugt werden, für die Verbesserung der Verbindungszuverlässigkeit wichtig ist.
Ferner hängt die Zuverlässigkeit des verbundenen Abschnitts nicht nur von dem Material des Verbindungsglieds, wie etwa Lot, sondern auch von einer Konfiguration eines Verbindungszielglieds (Verbindungszielobjekts) ab. Um die Zuverlässigkeit eines Leistungsmoduls zu verbessern, wird es daher als notwendig erachtet, nicht nur die Zusammensetzung des Materials des Verbindungsglieds, sondern auch die Konfiguration des Verbindungszielglieds zu überprüfen.
Es ist anzumerken, dass in Bezug auf die vertikalen Risse ein Referenzdokument (Koji Yamazaki, „A Study on Vertical Crack Initiation of Lead-Free Solder Joints", 26. JIEP-Jahrestreffen, 9C-14) beschreibt, dass, wenn ein Hochgeschwindigkeitswärmezyklustest (+50 °C/+ 175 °C; Temperaturdifferenz: 125 °C) an einer Probe durchgeführt wurde, in der Cu-Platten miteinander durch Löten verbunden wurden und eine Probe, in der Mo-Platten miteinander durch Löten verbunden wurden, kein vertikaler Riss in der erstgenannten Probe erzeugt wurde und in der letztgenannten Probe ein vertikaler Riss erzeugt wurde, obwohl in beiden Proben zum Zwecke der Verbindung das gleiche Lotmaterial verwendet wurde.
Dies ist mit der Zugspannung und Druckspannung (Zug-Druck-Spannung) verbunden, die durch eine Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Lotmaterials und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbindungszielglieds verursacht werden. Wenn es durch ein Glied, das die Eigenschaft einer niedrigen Wärmeausdehnung aufweist, zurückgehalten wird, wird die Zug-Druck-Spannung auf das Lot aufgebracht, das einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und in dem Lot tritt ferner aufgrund von Erwärmung eine dynamische Rekristallisation auf, was zur Erzeugung eines vertikalen Risses entlang einer Korngrenze von Sn, das die Hauptkomponente des Lots ist, oder entlang eines inneren Niederschlags führt.
Es ist anzumerken, dass wenn die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Verbindungszielglieder (zwei Verbindungszielobjekte) groß ist, bekanntermaßen hauptsächlich ein seitlicher Riss statt eines vertikalen Risses erzeugt wird.
Infolge der vorstehend beschriebenen Überprüfung haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass das Verbindungsglied der vorliegenden Offenbarung eine hohe Verbindungszuverlässigkeit für einen Leistungszyklus in einer Halbleitervorrichtung aufweist, die bei einer hohen Temperatur betrieben wird.
Zweite Ausführungsform.
<Halbleitervorrichtung>
Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet eine Wärmeabstrahlungsplatte 2 und eine Leiterplatte 3 (ein Substrat, das ein Halbleiterelement und eine Verdrahtungsschaltung aufweist). Die Wärmeabstrahlungsplatte 2 und die Leiterplatte 3 werden mit dem Verbindungsglied 1 verbunden, das, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, eine hohe Verbindungszuverlässigkeit aufweist, das zwischen diesen eingefügt wird. Somit wird eine Halbleitervorrichtung, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweist, bereitgestellt.
Die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform kann durch ein Fertigungsverfahren gefertigt werden, das einen Schritt des Verbindens der Wärmeabstrahlungsplatte und der Leiterplatte beinhaltet (siehe 1 bis 6).
Unter Bezugnahme auf ein in 1 gezeigtes Ablaufdiagramm wird nachfolgend ein beispielhafter Vorgang zum Verbinden der Leiterplatte und der Wärmeabstrahlungsplatte in dem Verfahren zum Fertigen einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Zunächst wird in einem ersten Schritt (S1) die Lotfolie 10, in der jeweils aus Ni bestehende Metallpartikel 11 in der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 dispergiert sind, die Sn als Hauptkomponente enthält und einen Schmelzpunkt von 300 °C oder weniger aufweist, in eine vorbestimmte Größe geschnitten (siehe 2).
Konkret wurde als ein repräsentatives Beispiel für die Lotzusammensetzung der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 eine Zusammensetzung, die durch Sn-3,3Ag-0,5Cu dargestellt ist (die Zahlenwerte stellen jeweils Masse-% dar und Sn ist der Rest der Zusammensetzungsverhältnisse der anderen Elemente), durch Hinzufügen und Lösen jedes Elements erreicht, wodurch ein Grundkörper hergestellt wurde.
Als Nächstes wurde durch einen Walzprozess bei 100 °C oder weniger eine Lotfolie 10 in Form einer Rolle hergestellt, sodass sie eine Dicke von 100 µm aufweist.
Danach wurden Ni-Partikel (Metallpartikel 11) gleichmäßig in der Lotfolie 10 dispergiert und eine Folie, die aus der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 besteht, wurde von oben mit dieser überlappt, wodurch eine Mischfolie hergestellt wurde. In der vorliegenden Ausführungsform betrug deren Dicke 100 µm, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Ferner betrug deren Schnittgröße 10 mm × 10 mm, was der des oberen Glieds entsprach.
Es ist anzumerken, dass die Lotfolie 10 neben dem Walzen durch Schmelzen des Grundkörpers und anschließendes Einführen des geschmolzenen Lots über einen dünnen Schlitz hergestellt werden kann. Ferner kann, wenn mehr als drei Elemente wie vorstehend beschrieben kombiniert werden (zum Beispiel, wenn Bi, In, Sb oder dergleichen zu Sn-Ag-Cu hinzugegeben werden), die Zusammensetzung des Grundkörpers aufgrund einer Temperaturvariation in einem Schmelzofen ungleichmäßig werden. In diesem Fall kann die Lotzusammensetzung angepasst werden, indem zunächst ein Grundkörper aus Sn-Ag-Cu hergestellt wird, dieser dann erneut aufgelöst wird und eine vorbestimmte Menge des Rests von Bi, In, Sb oder dergleichen hinzugefügt wird. Alternativ kann die Lotfolie 10 gefertigt werden, indem zuerst Lotkugeln ausgebildet, die Lotkugeln gleichmäßig auf eine flache Platte dispergiert werden und ein Formpressen durchgeführt wird.
Als Nächstes wird als zweiter Schritt (S2) die Lotfolie 10 auf dem ersten Zielobjekt 2 (unteres Glied) platziert (siehe 3).
Es ist anzumerken, dass, um eine Oxidation zu verhindern, eine vorbestimmte Menge eines Korrosionsschutzmittels, das eine Zersetzungstemperatur von 100 °C oder weniger aufweist und das die Verbindungseigenschaft nicht beeinflusst, auf die äußerste Fläche der CuMo-Legierungsplatte aufgebracht werden kann. Ferner kann, wenn die Lotfolie 10 platziert wird, ein organisches Mittel, das sich bei einer hohen Temperatur von 100 °C oder mehr thermisch zersetzt, als ein Klebematerial verwendet werden, um zu vermeiden, dass die Lotfolie 10 von der vorbestimmten Position abweicht. Die Viskosität des Klebematerials beträgt vorzugsweise 200 Pa·s oder mehr. Alternativ kann ein Abdeckfilm auf andere Abschnitte als den verbundenen Abschnitt des ersten Zielobjekts 2 aufgebracht werden, um ein Abweichen der Lotfolie 10 zu vermeiden.
Die Lotfolie 10 kann zum Zeitpunkt des Schneidens oder Handhabens leicht gekrümmt sein. Dies ist auf den folgenden Grund zurückzuführen: Da die Lotfolie 10 in gewissem Ausmaß durch Erwärmen geschmolzen wird, ist ein Einfluss durch die anfängliche Form der Lotfolie gering. Wenn die Lotfolie 10 jedoch stark in einem Ausmaß gekrümmt ist, dass das zweite Zielobjekt 3 (oberes Glied) nicht darauf platziert werden kann, wird die Lotfolie 10 auf einer anderen flachen Platte derart korrigiert, dass sie parallel dazu ist, da das zweite Zielobjekt 3 (oberes Glied) in dem nächsten Schritt darauf zu platzieren ist.
Als Nächstes wird als dritter Schritt (S3) das zweite Zielobjekt 3 (oberes Glied) auf der Lotfolie 10 platziert (siehe 4).
Es ist anzumerken, dass das vorstehend beschriebene Klebematerial zwischen dem Verbindungszielglied (oberes Glied) 1 und der Lotfolie 10 aufgebracht werden kann, um die Montageposition zu fixieren.
Es ist anzumerken, dass jede der Flächen der Verbindungszielglieder (erstes Zielobjekt 2 und zweites Zielobjekt 3) auf der Verbindungsseite bevorzugt mit Cu- oder Ni-Plattierung versehen ist oder bevorzugt mit einem Au-Film, einem Ag-Film, einem Pt-Film oder dergleichen in der Größenordnung von mehreren zehn nm beschichtet ist.
Als Nächstes wurde als vierter Schritt (S4) der Stapel der jeweiligen Glieder, die in den vorstehend beschriebenen Schritten erlangt wurden, auf einer Heizplatte 5 in einem Heizofen 5 platziert (siehe 5). Dann wurde Ameisensäure, bei der es sich um eine repräsentative organische Säure handelt, die einen Oxidfilm reduzieren kann, im Heizofen 5 versiegelt und die Lotfolie 10 wurde geschmolzen, indem 5 Minuten lang bei 180 °C eine Erwärmung durchgeführt wurde und dann 3 Minuten lang bei 260 °C eine Erwärmung durchgeführt wurde, wodurch das Verbindungsglied 1 ausgebildet wurde.
Hier bilden die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 und Metallpartikel 11 in der Lotfolie 10 aufgrund thermischer Diffusion eine Verbindung aus. Ein Ausbildungsverhältnis der Verbindung (intermetallische Verbindung) der Metallpartikel 11 und Sn wird in Abhängigkeit von den Partikelgrößen und der Menge der Zugabe der Metallpartikel 11 geändert. Daher ist es bevorzugt, die Partikelgrößen und die Menge der Zugabe der Metallpartikel 11 so anzupassen, dass die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 verbleibt.
Ein Grund dafür lautet wie folgt: Erstens, wenn eine Mehrzahl von Abschnitten des Verbindungsglieds 1 durch Metallpartikel 11 und die intermetallische Verbindung 13 ausgebildet wird, kann Sn der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 nicht verformt werden, und daher gibt es kein Problem hinsichtlich der Verbindungszuverlässigkeit.
Andererseits kann jede der Flächen von Universalverbindungszielgliedern (erstes Zielobjekt 2 und zweites Zielobjekt 3) eine Rauhigkeit aufweisen und die Oberflächenrauhigkeit (Unebenheit) kann in der Größenordnung von mehreren µm liegen. Daher muss, wenn die Verbindung ohne Anwendung von Druck durchgeführt wird, eine Menge der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12, die dem Volumen der Unebenheit der Fläche entspricht, ebenfalls benetzen und sich ausbreiten. Wenn jedoch eine große Menge an Metallpartikeln 11 vorhanden ist, wird die Oberfläche der Metallpartikel 11 in der Lotfolie 10 groß, reagiert die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 bevorzugt mit Metallpartikeln 11 und benetzt die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 die Fläche des Verbindungszielglieds nicht ausreichend.
Daher ist es in der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt, die Partikelgrößen und die Menge der Zugabe der Metallpartikel 11 so anzupassen, dass die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 verbleibt. Zum Beispiel betragen die Partikelgrößen (durchschnittliche Partikelgröße: D50) der Metallpartikel 11, die zu der Lotfolie 10 hinzugefügt werden, jeweils 5 bis 20 µm, und beträgt ein Mischungsverhältnis der Metallpartikel in der Lotfolie 10 8 bis 30 Masse-%.
Es ist anzumerken, dass, wenn es keine Bedenken hinsichtlich einer Beschädigung der Verbindungszielglieder gibt, das Verbinden unter Anwendung von Druck durchgeführt werden kann.
Als Nächstes wurde als fünfter Schritt (S5) die Probe, die das ausgebildete Verbindungsglied 1 aufweist, zum Zweck des Kühlens auf einer Kühlplatte 6 platziert (siehe 6).
Bei dieser Gelegenheit besteht in einem Fall, in dem das Lotverbindungsglied aus einem Material besteht, das vollständig geschmolzen ist, wie etwa gewöhnliches Lot, eine Möglichkeit, dass ein Verbindungszielglied (das obere Glied oder das untere Glied) aufgrund thermischer Kontraktion nachteiligerweise verzogen oder gewellt ist (Unebenheiten ausgebildet wird). Daher ist es wünschenswert, in dem Kühlschritt schrittweise eine Kühlung durchzuführen. Zum Beispiel wird das Abkühlen auf 100 °C im Allgemeinen innerhalb von 60 Sekunden durchgeführt; um den Verzug zu reduzieren, kann das Abkühlen auf 100 °C jedoch über etwa 400 Sekunden durchgeführt werden.
Da die Hauptkomponente der Metallpartikel 11 in der vorliegenden Offenbarung Ni ist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der niedriger als der von Sn ist, ist ein Ausmaß an Wärmekontraktion der Lotfolie 10 gering, der Wärmeausdehnungskoeffizient von jedem der Verbindungszielglieder (erstes Zielobjekt 2 und zweites Zielobjekt 3) beträgt 3 × 10^-6/K oder mehr und weniger als 13 × 10^-6/K und die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts 2 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Zielobjekts 3 beträgt weniger als 5 × 10^-6/K mit dem Ergebnis, dass der Verzug gering sein kann und die in dem Verbindungsglied 1 erzeugte Restspannung ebenfalls gering sein kann. Daher muss die Zeit des Kühlschritts nicht besonders lang sein.
Bei einer tatsächlichen Anwendung davon auf ein Leistungsmodul kann zum Beispiel eine Leiterplatte, die ein Halbleiterelement und ein darauf ausgebildetes Schaltungsmuster aufweist, mit einer Wärmeabstrahlungsplatte verbunden werden, wobei das Verbindungsglied 1 dazwischen eingefügt ist. Das Verbindungsglied 1 (Lotfolie 10) kann unabhängig von einer Größe des Verbindungsbereichs auf einen Chipkontaktstellenabschnitt, einen Basisbefestigungsabschnitt oder dergleichen des Leistungsmoduls aufgebracht werden.
Es ist anzumerken, dass eine Sauerstoffkonzentration in der Lotfolie 10 ebenfalls wichtig ist. Jedes der Metallpartikel 11 enthält Ni, das wahrscheinlich oxidiert wird, und die Oberfläche der Metallpartikel 11 ist groß. Selbst wenn daher die Flächen einer geringen Menge an Metallpartikeln 11 oxidiert sind, schreitet die Oxidation von den Grenzflächen der Metallpartikel 11 fort, was insgesamt zu einer große Oxidationsmenge führt, wodurch die Benetzbarkeit stark beeinflusst wird. Daher kann, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Lotfolie 10 hoch ist, kein ausgezeichnetes Verbindungsglied ausgebildet werden, es sei denn, es wird in einem Vakuumexsikkator oder dergleichen gelagert. Um ein ausgezeichnetes Verbindungsglied auszubilden, beträgt die Sauerstoffkonzentration in der Lotfolie 10 daher bevorzugt mehr als 0 und weniger als 500 ppm.
Beispiele
Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf die Beispiele näher beschrieben, die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
(Testbeispiel 1)
Verbindungsproben (Proben 1 bis 7) wurden mit dem in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Vorgang hergestellt, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten Zielobjekte 2 und zweiten Zielobjekte 3 geändert wurden, wie in Tabelle 1 gezeigt. Es ist anzumerken, dass die Partikelgröße (durchschnittliche Partikelgröße: D50) der Metallpartikel 11, die zu jeder Lotfolie 10 hinzugefügt werden, 10 µm beträgt.
Als jedes erste Zielobjekt 2 wurde eine CuMo-Legierungsplatte (Dicke: 1 mm; Größe: 20 mm × 20 mm) verwendet. Die äußerste Fläche der CuMo-Legierungsplatte war reines Kupfer und war nicht mit einer Plattierung versehen. In diesen CuMo-Legierungsfolien wurden die Mischungsverhältnisse von Cu und Mo geändert, um die Wärmeausdehnungskoeffizienten zu ändern, wie in Tabelle 1 gezeigt. Es ist anzumerken, dass eine Invar-Legierung als ein erstes Zielobjekt, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2 aufweist, verwendet wurde.
Es ist anzumerken, dass im Fall eines DBC-Substrats (Direct-Bonded-Copper-Substrats) oder eines CIC-Substrats (Copper-Invar-Copper-Substrats) der Wärmeausdehnungskoeffizient durch die Dicken der drei Schichten, die in dem Substrat beinhaltet sind, angemessen angepasst werden kann.
Jedes zweite Zielobjekt 3 weist eine Dicke von 100 µm und eine Größe von 10 mm × 10 mm auf. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der zweiten Zielobjekte 3 wurden wie in Tabelle 1 gezeigt gemäß den Mischungsverhältnissen der CuMo-Legierung und der Invar-Legierung auf die gleiche Weise wie bei den ersten Zielobjekten 2 geändert.
Um zu verhindern, dass die Benetzbarkeit je nach Art des Verbindungszielglieds unterschiedlich ist, wurde eine Ni-Plattierung, die eine Dicke von 3 µm aufweist, auf jede der Flächen des ersten Zielobjekts 2 und des zweiten Zielobjekts 3 auf der Verbindungsseite aufgebracht.
Die Verbindungsproben der in Tabelle 1 gezeigten und wie vorstehend beschrieben erlangten Kombinationen wurden einem Hochgeschwindigkeitsthermoschocktest unterzogen, der einen Leistungszyklustest simuliert. Konkret wurde der Thermoschocktest durchgeführt, indem wiederholt 100000 Zyklen durchgeführt wurden, wobei ein Zyklus aus 10 Sekunden eingeschalteter elektrischer Leitung (erreichte Temperatur: 175 °C) und 10 Sekunden ausgeschalteter elektrischer Leitung (erreichte Temperatur: 50 °C) besteht.

Nach dem Thermoschocktest wurde ein Querschnitt der Schicht des Verbindungsglieds jeder Verbindungsprobe in der Dickenrichtung ausgebildet und wurde ein Transmissionsröntgenbild des Querschnitts zur Bildanalyse binarisiert, wodurch ein Verhältnis der Fläche der in dem Verbindungsglied erzeugten Hohlräume zu der Fläche (100 %) des gesamten Verbindungsglieds in dem Querschnitt gemessen wurde. Wenn das Verhältnis der Fläche der Hohlräume 10 % oder mehr betrug, wurde es als „NIO“ bewertet, wohingegen, wenn das Verhältnis der Fläche der Hohlräume weniger als 10 % betrug, es als „OK“ bewertet wurde, da es kein praktisches Problem gab. Die Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. [0076] [Tabelle 1]

	Wärmeausdehnungskoeffizient [10^-6/K]			Bewertungsergebnis
	ZweitesZielobjekt(3 in 6)	Erstes Zielobjekt(2 in 6)	Differenz	Bewertungsergebnis
Probe 1	2,0	6,0	4,0	NIO
Probe 2	3,0	7,3	4,3	OK
Probe 3	7,3	11,8	4,5	OK
Probe 4	12,5	17,3	4,8	OK
Probe 5	12,5	18,4	5,9	NIO
Probe 6	7,3	12,5	5,2	NIO
Probe 7	11,8	17,2	5,4	NIO

In Anbetracht der in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse ist es verständlich, dass, wenn jeder der Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts 2 und des zweiten Zielobjekts 3 3 × 10^-6/K (3.0 × 10^-6/K) oder mehr und weniger als 3 × 10^-6/K (13.0 × 10^-6/K) beträgt und die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts 2 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Zielobjekts 3 weniger als 5 × 10^-6/K (5.0 × 10^-6/K) beträgt, das Bewertungsergebnis OK und es ist weniger wahrscheinlich ist, dass nach dem Hochgeschwindigkeitsthermoschocktest Hohlräume in dem Verbindungsglied erzeugt werden. Daher ist es gemäß der vorliegenden Offenbarung verständlich, dass es möglich ist, Folgendes bereitzustellen: ein Verbindungsglied, das eine hohe Verbindungszuverlässigkeit für einen Leistungszyklus in einer Halbleitervorrichtung aufweist, die bei einer hohen Temperatur betrieben wird; und eine Halbleitervorrichtung, die das Verbindungsglied verwendet.
Es ist anzumerken, dass diese Ergebnisse auch dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des verbundenen Abschnitts (des Verbindungsglieds und des Verbindungszielglieds) zugeordnet sind. Wie vorstehend beschrieben, wird eine Zug-Druck-Spannung in der lateralen Richtung auf ein Verbindungsglied ausgeübt, das durch Verbindungszielglieder (erstes Zielobjekt 2 und zweites Zielobjekt 3) zurückgehalten wird, um einen Riss in der vertikalen Richtung zu erzeugen. Das heißt, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbindungsglieds 1 klein ist, kann die erzeugte Spannung auch klein sein. In der vorliegenden Offenbarung werden Metallpartikel 11 verwendet, die jeweils Ni als Hauptkomponente enthalten. Es ist anhand öffentlicher Dokumente schwer vorherzusagen, in welchem Ausmaß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbindungsglieds 1, das Metallpartikel 11 einsetzt, die Verbindungszuverlässigkeit beeinflusst.
Infolge der tatsächlichen Überprüfung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und dergleichen des Verbindungsglieds 1 durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass ausgezeichnete Ergebnisse (Proben 2 bis 4 in Tabelle 1) erlangt werden können, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbindungsglieds 16 × 10^-6/K oder mehr und weniger als 20 × 10^-6/K beträgt und das Verhältnis der Fläche der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt (Phase, die Sn als Hauptkomponente enthält und einen Schmelzpunkt von weniger als 300 °C aufweist) zu der Fläche (100 %) des gesamten Verbindungsglieds im Querschnitt des Verbindungsglieds (Querschnitt der Schicht des Verbindungsglieds in der Dickenrichtung) 2 % oder mehr und weniger als 20 % beträgt (d. h., wenn das Verhältnis der Menge der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt 12 zur Gesamtmenge des Verbindungsglieds 1 2 Vol.-% oder mehr und weniger als 20 Vol.-% beträgt).
Die in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen und Beispiele sind in jeglicher Hinsicht veranschaulichend und nicht einschränkend. Der Umfang der vorliegenden Offenbarung ist durch den Inhalt der Ansprüche und nicht durch die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen definiert und soll beliebige Abwandlungen einschließen, die innerhalb des Umfangs der Ansprüche und der mit deren Inhalt äquivalenten Bedeutung liegen.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Verbindungsglied; 10 Lotfolie; 11 Metallpartikel; 12 Phase mit niedrigem Schmelzpunkt; 13 intermetallische Verbindung; 2 erstes Zielobjekt (Wärmeabstrahlungsplatte); 3 zweites Zielobjekt (Leiterplatte); 4 Heizofen; 5 Heizplatte; 6 Kühlplatte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2002 - 314 241 [0010, 0013]
WO 2012/108395 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Koji Yamazaki, „A Study on Vertical Crack Initiation of Lead-Free Solder Joints“, 26. JIEP-Jahrestreffen, 9C-14 [0041]

Claims

Verbindungsglied zum Verbinden eines ersten Zielobjekts und eines zweiten Zielobjekts, wobei das Verbindungsglied Folgendes umfasst: ein Metallpartikel, das Ni als Hauptkomponente enthält; eine Phase mit niedrigem Schmelzpunkt, die Sn als Hauptkomponente enthält und einen Schmelzpunkt von weniger als 300 °C aufweist; und eine intermetallische Verbindung, die einen Schmelzpunkt von 300 °C oder mehr aufweist und durch Interdiffusion zwischen Sn und dem Metallpartikel entsteht, wobei ein Verhältnis einer Menge der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt zu einer Gesamtmenge des Verbindungsglieds 2 Volumen-% oder mehr und weniger als 20 Volumen-% beträgt, jeder der Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts und des zweiten Zielobjekts 3 × 10^-6/K oder mehr und weniger als 13 × 10^-6/K beträgt und eine Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Zielobjekts und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Zielobjekts weniger als 5 × 10^-6/K beträgt und ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbindungsglieds 16 × 10^-6/K oder mehr und weniger als 20 × 10^-6/K beträgt.
Verbindungsglied nach Anspruch 1, wobei die Phase mit niedrigem Schmelzpunkt ferner Ag und Cu enthält.
Verbindungsglied nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metallpartikel ferner mindestens eine Komponente enthält, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Cr, C, Cu und Si besteht.
Verbindungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Zielobjekt eine Wärmeabstrahlungsplatte ist, und das zweite Zielobjekt eine Leiterplatte ist, die ein Halbleiterelement und eine Verdrahtungsschaltung aufweist.
Halbleitervorrichtung, umfassend: eine Wärmeabstrahlungsplatte; und eine Leiterplatte, die ein Halbleiterelement und eine Verdrahtungsschaltung aufweist, wobei die Wärmeabstrahlungsplatte und die Leiterplatte mit dem Verbindungsglied nach Anspruch 4 verbunden sind, das zwischen der Wärmeabstrahlungsplatte und der Leiterplatte angeordnet ist.