TWI284375B - Semiconductor device and manufacturing method for semiconductor device - Google Patents

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1284375 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關包含具有使用無鉛（鉛）的金屬複合箔 b 來連接的晶粒安裝連接部的功率半導體裝置之半導體裝置 ^ 技術。 【先前技術】 # 圖1是表示以往的功率半導體裝置。功率半導體元件 1 a是在引線框架2上藉由焊錫3來進行晶粒安裝連接。以 金屬線（wire) 4來與引線（lead) 5接合後，使用環氧系 樹脂6來予以樹脂模製。對於焊錫3而言，可使用高鉛焊 錫及微量添加Ag或Cu之熔點（固相線溫度）爲290°C以 上的焊錫。 在打線接合工程有時最高會形成280°C。並且，在將 功率半導體裝置予以表面安裝焊錫連接於基板時，可想像 ^ 今後主要被使用的Sn-Ag_Cu系無鉛焊錫的熔點約呈較高 的 22〇°C，在反流（reflow )連接時，最高會被加熱至 260°C。在打線接合時及反流時，使用熔點比280°C更高的 焊錫，而令焊錫3不會再溶融，亦即前述高鉛焊錫。 '若打線接合時焊錫3再溶融，則不能打線接合。功率 半導體元件la與引線框架2的焊錫連接部雖是使用環氧 系樹脂6來予以樹脂模製，但在反流時，若内部的焊錫3 再溶融，則會如圖2所示，因溶融產生體積膨脹而造成隆 起（flush )，内部的焊錫3會從環氧系樹脂6與引線框架 -5- (2) 1284375 2的界面漏出。即使至不漏出爲止還是有呼出欲出的作用 ’其結果，凝固後在焊錫3中會形成大空隙（v〇id)，而 成不良品。 晶粒安裝接合部的焊錫部份並非僅意味著將功率半導 體元件1 a固定於引線框架2者，亦具有作爲使功率半導 體元件1 a的熱逃至引線框架2側的通路機能。因此，如 上述，若因焊錫3的再溶融而形成空隙等，則經由接合部 的散熱便會不能充分進行，造成功率半導體元件la的機 能劣化。 隨著EU的RoHS指令（使用於電氣·電子機器的有害 物質的使用規制）決定實施於2006年7月1日，對基板 之連接用的焊錫無鉛化便急速地以Sn-Ag-Cu系無鉛焊錫 爲中心。 另一方面，以往有關使用高鉛焊錫的晶粒安裝連接， 因爲尙未發現可取代此焊錫之無鉛焊錫的技術，所以由前 述規制的對象排出。但，由降低環境負荷的觀點來看，最 好有關此焊錫也能無鉛化。 但，對於使用於此晶粒安裝連接部的無鉛焊錫而言， 如前述，會被要求在打線接合時，具有於基板安裝的反流 時不會再溶融的高熔點。尤其是，有關打線接合，雖亦可 變更成室溫之A1的超音波接合等在低溫的接合，但使用 Sn-Ag-Cix系無鉛焊錫之對基板的反流錫焊是不能避開的 工程。因此，焊錫3的熔點必須至少爲260°C以上。 在Sn基礎的無鉛焊錫中熔點較高的焊錫爲Sn-Sb系 -6- 1284375

焊錫（熔點23 2〜24〇。〇 ，但這依然熔點過低，在後工程 會再溶融，因此無法適用。 就其他無鉛的高熔點焊錫而言，例如有Au-20Sii (熔 點280°C )，但因爲Au含80%，所以成本高，由成本的觀 點來看’難以採用於低價格電子零件。又，由於硬質焊錫 硬’所以功率半導體元件（Si )與Cu系框架之熱膨脹率 差大的組合，對於適用於以較大的面積來連接的晶粒安裝 連接而言，當應力緩衝機能不夠充分，重複接受熱疲勞的 使用狀態時，功率半導體元件或連接部恐會有破壊之虞， 連接可靠度會成問題。 此連接可靠度的問題點，雖可藉由增加焊錫供給量來 改善，但若供給量増加，則成本會變得更高，不合算。 另一方面，在連接部的無鉛化時，藉由連接部的合金 化來達成高熔點化的嘗試，如非專利文獻1所報告。 亦即，以 28 0°C來連接背面施以 Cr ( 0』3μηι ) /Sn ( 2·5μιη) /Cu(O.lpm)的金屬噴鍍（metallize)之 GaAs 與 施以 〇：Γ(0·03μιη) /Cu(4.4pm) /Αιι(Ο.Ιμιη)的金屬噴 鍍之基板（Glass)後保持16小時，藉此可使連接部大致 形成Cix3Sn化合物化，而令連接部形成高熔點化。 又，同檨以210°C來連接背面施以Cr ( 0·03μιη ) /In ( 3·0μιη) /Ag(0.5gm)的金屬噴鍍之 Si 與施以 Cr(0.03pm )/Αιι(0·05μπι) /Ag(5.5pm) /Αχι(0·05μιη)的金屬噴鑛 之Si後，以150°C來進行24小時的時效處理，而使連接 部形成Ag-rich合金+Ag3In化，藉此可使連接部高熔點化 (4) 1284375 在非專利文獻2中有以下的報告。使施以Sn-3.5 Ag ( 26μηι)的金屬噴鍍的Ni-xCo(x = 〇.l〇)與對科瓦合金（ Kovar )金屬噴鍍 Ni-20C〇 ( 5μπι)且施以 Au ( Ιμιη)金 屬噴鍍者，各個的金屬噴鍍彼此間合而爲一，以240 °C來 連接且保持30分鐘，藉此可使連接部全體形成（Ni，Co )Sn2+ ( Ni，Co ) 3 Sim化合物化，進而高熔點化。在金屬 噴鍍使用含Co的Ni-20C〇，可促進化合物的成長速度。 在該等的方法中，一旦連接部完全形成高熔點化，則 即使反流錫焊時加熱至260 °C，連接部不會再溶融，可保 持連接。 [非專利文獻 l]Williams W.So 等，「High Temperature Joints Manufactured at Low Temperature」， Proceeding of ECTC，1998 年，P 2 8 4 [非專利文獻2]山本等，「有關使用Sn-Ag焊錫的微 連接部的金屬間化合物化的硏究」，ME S 2003的槪要集， 2003 年 10 月，p45 【發明內容】 (發明所欲解決的課題） 有關晶粒安裝連接部的無鉛化，本發明者考慮可否適 用非專利文獻1，2所記載的高熔點化技術。但，在上述2 件的以往技術中，有關以下的點並未考慮到，而致使對晶 粒安裝連接部（爲了發撣作爲功率半導體元件的放熱通路 -8 - (5) 1284375 之重要的功能，而謀求高度的連接可靠度）的適用無法容 易進行。 亦即，在Williams W.So等及山本等的連接方法中， 是藉由使連接部化合物化來形成高熔點化。因此，連接部 會比現行的高鉛焊錫更硬更脆。但，因爲非專利文獻1 ’ 2 兩者皆是以熱膨脹率差小的被連接材的組合來進行連接， 所以有關隨著高熔點化而脆弱化致使接受熱疲勞時之連接 部的破壊等並未考察到。 當使用於本發明的對象，亦即功率半導體元件（Si ) 與Cu系引線框架之熱膨脹率差大的組合的接合時，在如 非專利文獻1，2所示那樣硬且脆的連接部中，無法以連 接部來緩衝在溫度週期所產生的熱應力，對晶片的負擔會 變大，發生晶片裂縫，而無法確保連接可靠度。 就作爲用以防止晶片裂縫的改善對策而言，雖可考慮 增大連接部的厚度，但若連接部變厚，則完全化合物化所 需的時間會變得非常長。雖可藉由提高連接溫度來加速化 合物的成長速度，而縮短完全化合物化所需的時間，但此 情況，連接後的冷卻所產生的殘留應力會變大，而成爲晶 片裂縫發生的原因。 如此一來，非專利文獻1，2所記載的高熔點化技術 在現狀是無法滿足晶粒安裝連接部之連接可靠度的要求規 格，若不解決該連接可靠度的問題點，則無法謀求適用於 晶粒安裝連接部的無鉛化技術。 本發明的目的是在於進行一種能夠確保連接可靠度的 -9 - (6) 1284375 無鉛接合，亦即在反流時所估計的最高溫度，照樣可使半 導體元件（Si)與Cu系引線框架之類熱膨脹率差大的被 接合材保持連接，且對於往連接部的熱應力而言亦不會對 半導體元件產生破壊。 本發明的目的是在於提供一種能夠在260°C的反流時 保持連接，即使以半導體元件（Si )與Cu系引線框架之 類熱膨脹率差大的組合來晶粒安裝連接於較大面積時，照 樣可取得良好的連接可靠度之無鉛的半導體裝置。 (用以解決課題的手段） 爲了解決上述課題，第1之本發明的半導體裝置，係 半導體元件在引線框架上藉由金屬接合來晶粒安裝連接者 ，其特徵爲： 上述金屬接合具有： 應力緩衝層，其係緩衝上述引線框架與上述半導體元 件的熱膨脹率差所產生的熱應力； 第一連接層，其係形成於上述應力緩衝層的上述半導 體元件側，連接上述應力緩衝層與上述半導體元件；及 第二連接層，其係形成於上述應力緩衝層的上述引線 框架側，連接上述應力緩衝層與上述引線框架。 在晶粒安裝接合部進入半導體元件側的晶片裂縫是因 爲所被接合的引線框架與半導體元件的熱膨脹率差大，所 以半導體兀件側會對應於熱膨膜率大的引線框架側的伸縮 而無法伸縮，因此而發生。於是，可如上述那樣藉由應力 -10· (7) 1284375 緩衝層的設置，以應力緩衝層來吸收引線框架側的熱伸縮 所引起的應力，而使該應力不會傳達至半導體元件側，藉 此使能夠不發生晶片裂縫。 第2之本發明，係於第1之本發明中，上述第一、第 二連接層爲顯示260°C以上的熔點的金屬層或金屬間化合 物層，上述應力緩衝層係具有上述半導體元件的熱膨脹率 係數與上述引線框架的熱膨脹率係數之間的熱膨脹率係數 之金屬層。 藉由如此設定構成應力緩衝層之金屬層的熱膨脹率係 數，可使引線框架側所引起的應力緩衝。 第3之本發明，係於第1之本發明中，上述第一、第 二連接層係顯示260°C以上的熔點的金屬層或金屬間化合 物層，上述應力緩衝層係具有未滿lOOMpa的降伏應力之 金屬層。 藉由如此設定構成應力緩衝層之金屬層的降伏應力， 可使引線框架側所引起的應力緩衝。 第4之本發明，係於第1之本發明中，形成於上述應 力緩衝層的上述半導體元件側的第一連接層係具有260°C 以上40 0°C以下的熔點之Au-Sn系合金，Au-Ge系合金， Au-Si系合金，Zn-Al系合金，Zn-Al-Ge系合金，Bi，Bi-Ag系合金，Bi-Cu系合金，Bi-Ag-Cu系合金等的無鉛焊 錫層，又，形成於上述應力緩衝層的上述引線框架側的第 二連接層係由具有比形成於上述應力緩衝層的上述半導體 元件側的第一連接層的熔點低之260°C以上400°C以下的熔 -11 - (8) 1284375 點之無鉛焊錫層所構成。 如前述，在晶粒安裝接合部進入半導體元件側的晶片 裂縫是因爲所被接合的引線框架與半導體元件的熱膨脹率 差大，所以半導體元件側會對應於熱膨脹率大的引線框架 側的伸縮而無法伸縮，因此而發生。雖該等的晶片裂縫可 藉由增大金屬接合部來抑止，但在以單一材料來連接時， 若是Au-20Sn焊錫，則會形成高成本，若是Bi系焊錫， 則熱傳導率爲9W/mk，約高鉛焊錫的1/3，有無法充分放 熱的問題。另一方面，若使金屬接合部全化合物化，則接 合部會變硬變脆，且全化合物化需要大量的時間，因此由 生產效率的觀點來看，會有難以採用於工業上的問題發生 〇 .於是，如前述，可藉由應力緩衝層的設置，使金屬接 合部形成比應力緩衝層更厚，且使連接層形成較薄，該可 形成較薄的部份可降低Au-20Sii的使用量，且可形成較薄 的部份可使熱傳導率低的Bi系焊錫的放熱容易，而使能 夠降低變硬變脆之金屬間化合物的量。 因此，藉由應力緩衝層的設置，例如從被連接材間的 熱膨脹率差如Si與陶瓷基板那樣約爲4ppm/°C之較小者到 如Si與Cu那樣約爲14ppm/°C之較大者，皆可接合成不使 發生晶片裂縫。 第4之本發明中使用具有260 °C以上400 °C以下的熔點 之無鉛焊錫的理由，是因爲當焊錫的熔點爲26 0°C以下時 ，在反流錫焊下焊錫會有再溶融的問題發生’當焊錫的熔 -12- (9) 1284375 點爲400 °C以上時，在晶粒安裝連接時會有Cu系框架軟化 而變形的問題發生。 又，因爲可藉由應力緩衝層來緩衝熱應力’所以即使 薄薄地附上無鉛焊錫，還是可以確保可靠度。其結果，在 使用高成本的Au基礎焊錫時，可降低其使用量。此情況 焊錫的連接厚度最好爲Ιμπι以上。未滿Ιμηι時，在連接 時無法確保連接界面全域的沾錫，有時會產生連接不良。 又，爲了在應力緩衝層分別於上述半導體元件側與引 線框架側形成連接層，例如可使用在具有應力緩衝機能的 金屬層設置一於晶粒安裝時等的加熱下形成連接層的金屬 層之複合箔。藉由對該複合箔的表背面的連接層的熔點設 置溫度階層，只在形成於應力緩衝層的上述引線框架側的 連接層溶融的溫度，對引線框架供給複合箔，而由形成於 應力緩衝層的上述半導體元件側之非溶融的連接層側來進 行加壓及洗滌（scrub )，藉此可提高複合箔與引線框架連 接部的連接性及空隙排出性。又，藉由半導體元件供給時 進行加壓及·洗滌，亦可針對半導體元件與複合箔連接部來 提高連接性及空隙排出性。 第5之本發明，係於第1之本發明中，形成於上述應 力緩衝層的上述半導體元件側的第一連接層係具有260 °C 以上400°C以下的熔點之Au-Sn系合金，Au-Ge系合金， Au-Si系合金’ Zn-Al系合金，Zn-Al-Ge系合金，Bi，Bi-Ag系合金，Bi-Cu系合金，Bi-Ag-Cu系合金等的無鉛焊 錫層，又，形成於上述應力緩衝層的上述引線框架側的第 -13- (10) 1284375 二連接層係由具有260°C以下的熔點之Sn，In，Sn-Ag系 ，Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn_In 系，In-Ag系，In-Cu系，Bi-Sn系及Bi-In系等的無給焊 錫的其中之1個，與Cu，Ag，Ni，Au的其中至少1個金 屬在晶粒安裝連接時反應而形成之具有260°C以上的熔|占 之金屬間化合物層所構成。 在進行晶粒安裝連接時，若以400°C以上來進行連接 ，則會產生Cu系框架的軟化，因此必須在400 °C以下進行 連接。形成上述應力緩衝層的上述引線框架側所形成的連 接層之 Sn，In，Sn-Ag 系，Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，S η - In 系，In - A g 系，In - C u 系，B i-Sri系及Bi-In系等的無鉛焊錫係熔點爲260 °C以下。因此 ，在單獨連接時，於反流錫焊時焊錫會再溶融，所以會因 爲焊錫隆起及連接界面的剝離而無法保持連接。 於是，使和C u，A g，N i，A u等之811，111，811-八名系 ，Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系 ’ Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag系，In-Cu系，Bi-Sn系及Bi-In系等的無鉛焊 錫反應而形成金屬化合物的金屬反應時，必須使連接後的 熔點形成260°C以上的高熔點化。此刻’連接部的金屬間 化合物層的厚度最好爲1〜30Pm。未滿1 時，有可能會 在連接時無法確保連接界面全域的沾錫’而造成連接不良 。比30μιη更厚時，爲了使連接部全化合物化，必須要長 時間，因此生產性會變差。又，由於可在2 6 0 °c以下連接 ，因此在晶粒安裝連接後的冷卻時，可縮小所發生的殘留 -14- (11) 1284375 應力。 藉由對形成複合箔表背面的連接層之焊錫的熔點設置 溫度階層，只在形成於上述應力緩衝層的上述引線框架側 的連接層側的低熔點材料溶融的溫度，對引線框架供給複 合箔，而由形成於上述應力緩衝層的上述半導體元件側之 非溶融的連接層側來進行加壓及洗滌，藉此可提高複合箔 與引線框架連接部的連接性及空隙排出性。又，藉由在半 導體元件供給時進行加壓及洗滌，亦可針對半導體元件與 複合箔連接部來提高連接性及空隙排出性。此刻，在形成 於上述應力緩衝層的上述引線框架側的連接層中，即使是 局部，也最好是以所被形成的化合物來連接引線框架與複 合箔。 ’ 第6之本發明，係於第1之本發明中，形成於上述應 力緩衝層的上述半導體元件側的第一連接層係具有260°C 以下的熔點之Sn，In，Sn-Ag系，Sn-Cu系，Sn-Ag-Cu系 ，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag 系，In-Cu 系 ，：Bi-Sn系及Bi-Iri系等的無鉛焊錫的其中之1個，與Cu ，Ag，Ni，Au的其中至少1個金屬在晶粒安裝連接時反 應而形成之具有2 6 0 °C以上的熔點之金屬間化合物層’又 ，形成於上述應力緩衝層的上述引線框架側的第二連接層 係由比形成上述應力緩衝層的JL述半導體元件側所形成的 第一連接層之無給焊錫更低熔點的Sn，In ’ Sn-Ag系， Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系 ’ Sn-Zn 系 ’ Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag系’ In-Cu系’ Bi-Sn系及Bi-In系等的無錯焊 -15- (12) 1284375 錫的其中之1個，與〇\1，八8’：^，八11的其中至少1個金 屬在晶粒安裝連接時反應而形成之具有260°C以上的溶點 之金屬間化合物層所構成。 在進行晶粒安裝連接時，若在400 °C以上進行連接， 則會發生Cu系框架的軟化，因此必須在400 °C以下進行連 接。Sn，In，Sn-Ag 系，Sn，Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系 ’ S η - Ζ η - B i 系 ’ S η -1 η 系 ’ I η - A g 系，I η - C u 系，B i - S η 系及Bi-In系的無給焊錫係熔點爲260 °C以下。因此，在 單獨連接時，焊錫會在反流錫焊時再溶融，導致因爲焊錫 隆起及連接界面的剝離而無法保持連接。 於是，必須藉由與和Cu，Ag，Ni，Au等之Sn-Ag系 ，Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag系，In-Cu系’ Bi-Sn系及Bi-In系的無鉛焊錫 反應而形成金屬化合物的金屬反應來使連接後的熔點形成 260°C以上的高熔點化。此刻，連接部的金屬間化合物層 的厚度最好爲1〜30μιη。當未滿Ιμιη時，在連接時無法確 保連接界面全域的沾錫，有時會發生連接不良。當大於 3 0 μ m時，爲了使連接部全化合物化，而需要長時間，因 此生產性會變差。又，因爲可在260°C以下連接，所以在 晶粒安裝連接後的冷卻時，可縮小所產生的殘留應力。 藉由對複合箔表背面的連接層設置溫度階層，只在形 成於上述應力緩衝層的上述引線框架側的連接層側的低熔 點材料溶融的溫度，對引線框架供給複合箔，而由形成於 上述應力緩衝層的上述半導體元件側之非溶融的連接層側 -16· (13) 1284375 來進行加壓及洗滌，藉此可提高複合箔與引線框架連接部 的連接性及空隙排出性。又，藉由在半導體元件供給時進 行加壓及洗滌，亦可針對半導體元件與複合箔連接部來提 高連接性及空隙排出性。此刻，在形成於上述應力緩衝層 的上述引線框架側的連接層中，即使是局部，也最好是以 所被形成的化合物來連接引線框架與複合箔。 第7之本發明的半導體裝置，係半導體元件在引線框 架上藉由金屬接合來晶粒安裝連接者，其特徵爲： 上述金屬接合具有： 未反應的高熔點金屬，其係於晶粒安裝接合時未反應 :及 金屬間化合物，其係藉由分別接合上述高熔點金屬與 上述半導體元件，上述高熔點金屬與上述引線框架之接合 時的反應來形成。 該構成是例如上述半導體元件與上述引線框架的熱膨 脹率差爲5ppm/°C以上，可有效適用於目前爲止所被提案 的金屬接合，例如無法防止以6/20等較高的機率發生晶 片裂縫時。 如前述第1之本發明的說明所述，在晶粒安裝接合部 進入半導體元件側的晶片裂縫是因爲所被接合的引線框架 與半導體元件的熱膨脹率差大，所以半導體元件側會對應 於熱膨脹率大的引線框架側的伸縮而無法伸縮，因此而發 生。雖該等的晶片裂縫可藉由增大金屬接合部來抑止，但 在以單一材料來連接時，若是A u-20Sn焊錫，則會形成高 -17- (14) 1284375 成本，若是Bi系焊錫，則熱傳導率爲9W/mk，約高鉛焊 錫的1/3，有無法充分放熱的問題。又，若使金屬接合部 全化合物化，則接合部會變硬變脆，且全化合物化需要大 量的時間，因此由生產效率的觀點來看，會有難以採用於 工業上的問題發生。 於是，如前述，可藉由應力緩衝層的設置，使金屬接 合部形成比應力緩衝層更厚，且使連接層形成較薄，該可 形成較薄的部份可降低Au-20 Sn的使用量，且可形成較薄 的部份可使熱傳導率低的Bi系焊錫的放熱容易，而使能 夠降低變硬變脆之金屬間化合物的量。因此，藉由應力緩 衝層的設置，從被連接材間的熱膨脹率差如Si與陶瓷基 板那樣約爲4ppmrc之較小者到如 Si與Cu那樣約爲 14PPm/°C之較大者，皆可接合成不使發生晶片裂縫。 本發明者構想是否可利用使用於金屬間化合物等的高 熔點金屬來作爲該應力緩衝層的構成。到目前爲止是針對 半導體元件與引線框架的接合時，兩者的熱膨脹率差爲 5PPm/°C以上者，若以藉由與高熔點金屬的反應所形成的 金屬間化合物來構成連接兩者的金屬接合，則會因爲金屬 間化合物硬脆，所以在連接後的熱週期試驗發生晶片裂縫 ，因此未被實用化。 但，如本發明，斗膽設置一使形成金屬間化合物時所 被使用的高熔點金屬在未反應的狀態下殘留的部份，或若 設置一與金屬間化合物不會反應的高熔點金屬層，則可使 該高熔點金屬的未反應部份具有作爲應力緩衝層的機能， -18- (15) 1284375 使硬脆性質的金屬間化合物所不能閃躱而發生晶片裂縫的 應力，可用該未反應的高熔點金屬的應力緩衝層來解決。 藉由實驗亦可確認出，在熱膨脹率差爲5 ppm/°C以上 的半導體元件與引線框架的接合時，藉由設置該未反應的 高熔點金屬層，可適用金屬間化合物的構成。該未反應的 高熔點金屬層可爲形成與實際的半導體元件及引線框架的 接合構造有關的金屬間化合物時所使用的金屬，或與該金 屬間化合物的形成無關的金屬，或任何金屬。 在採用該構成下，例如以-55°C (30min.) /150°C ( 3 Omin.)的條件，接合半導體元件與引線框架來針對20 個封裝體進行500週期的溫度週期試驗時，可在所有的情 況不使晶片裂縫發生。 非以全化合物化來構成該金屬接合，而是將在晶粒安 裝時的接合條件下未反應之未反應的高熔點的金屬層設置 於金屬接合部份是極重要的，這在以金屬間化合物的接合 爲訴求的先行技術文獻1，2中有關該未反應的高熔點金 屬層方面未有任何的暗示與記載，乃爲本發明獨特的想法 〇 第8之本發明的半導體裝置，係具有半導體元件，及 與上述半導體元件連接的基板者，其特徵爲： 上述半導體元件與上述基板係經由具有金屬的金屬含 有層，及比上述金屬含有層更薄且具有上述金屬含有層中 所含有的金屬成份的金屬間化合物層來連接，又，上述半 導體元件與上述基板的連接，即使在上述半導體裝置的耐 -19- (16) 1284375 熱溫度也不會溶融。 第9之本發明的半導體裝置，係具有半導體元件，及 經由連接部來與上述半導體元件連接的引線框架者，其特 徵爲： 上述連接部具有··含有金屬的金屬含有層，及比上述 金屬含有層更薄且具有上述金屬含有層中所含有的金屬成 份的金屬間化合物， 上述連接部在上述半導體裝置的耐熱溫度不會溶融。 如上述構成，在第8，9的本發明中，由於半導體晶 片等的半導體元件，及與該半導體元件連接的引線框架等 的基板是經由金屬含有層，及具有金屬含有層中所含的金 屬成份之金屬間化合物來連接，因此和只以金屬間化合物 的單層來構成該連接部時相較之下，可縮小金屬間化合物 的層厚。 金屬間化合物雖耐熱溫度高，但卻具有硬且脆的性質 ，因此在半導體元件與基板的連接時，將金屬間化合物當 作單獨層使用時’爲了避免在使用至半導體元件側時的溫 度週期所產生的熱應力造成裂縫等的影響，而增大其層厚 ，藉此來謀求厚度方向的緩衝作用。 但，對於上述本發明而言，由於是使用金屬間化合物 的層來作爲與金屬含有層的複數層，因此與將金屬間化合 物當作單獨層來使用時有所不同，相反的可將金屬間化合 物層設定成較薄。若使金屬含有層擔負應力緩衝機能，則 不必以金屬間化合物層來一手擔負應力緩衝機能，該部份 -20- ·< S > (17) 1284375 可使金屬間化合物層比該金屬含有層形成更薄，即使在引 線框架等的基板與半導體晶片等的半導體元件的熱膨脹率 差大時，照樣可以一方面緩衝熱應力（對應於熱膨脹率大 的引線框架等之基板側的伸縮，而使得半導體元件側無法 伸縮所產生的熱應力），且另一方面可確保半導體元件與 基板的連接。亦即，可使金屬間化合物層形成較薄的部份 ，例如些許歪曲時容易彎曲，這與使層厚形成較厚時相較 之下，由熱應力的緩衝觀點看有利。 又，若由半導體元件與基板的連接面積的關係來考察 該金屬化合物層的層厚，則將所被連接的半導體元件與基 板雙方的連接面積設定成相同時，若假設以金屬間化合物 的單層來連接半導體元件與基板，則如上述，金屬間化合 物雖耐熱溫度高，但硬且脆，所以會要求增大連接部的層 厚來使用。但，如上述，對於本發明而言，由於可將金屬 化合物作爲與使擔負應力緩衝機能的金屬含有層的複層構 成來使用，因此可在能夠確保連接可靠度的範圍內予以設 定成較薄，且亦可不易受到較薄程度的應力影響。 第1 〇之本發明的半導體裝置，係於引線框架上晶粒 安裝連接半導體元件後，進行打線接合，樹脂模製者，其 特徵爲： 晶粒安裝連接部係從半導體元件側，由具有260°c以 上的熔點的金屬間化合物層，具有260 °C以上的熔點的金 屬層，具有260 °C以上的熔點的金屬間化合物層所構成。 由於將半導體封裝體反流錫焊於基板時的最高溫度爲 -21 - (18) 1284375 2 60 °C，因此爲了在反流錫焊時保持連接，連接後連接部 的熔點必須爲260°C以上。 具有2 6 0 °C以上的熔點的金屬間化合物層，是例如藉 由熔點爲260°C以下的焊錫與熔點爲260°C以上的金屬反應 來形成。連接時，藉由熔點爲260°C以下的焊錫來確保沾 錫。同時，藉由熔點爲260 °C以下的焊錫與熔點爲260 °C以 上的金屬反應來形成金屬間化合物而使連接部形成高熔點 化。由於可在260°C以下連接，因此在晶粒安裝連接後的 冷卻時，可縮小所產生的殘留應力。 具有260°C以上的熔點的金屬層是用以緩衝熱應力。 若連接後的連接部僅爲金屬間化合物層，則連接部會變硬 變脆，因此晶片裂縫，金屬間化合物内的急速進展的裂縫 會大大地損害到連接可靠度。於是，藉由在連接部設置可 緩衝應力的金屬層，可緩衝在溫度週期及連接後的冷卻時 所產生的熱應力，抑止裂縫發生，確保可靠度。 因此，無論是半導體元件與Cu系引線框架之熱膨脹 率差大的連接，或半導體元件與42合金引線框架之熱膨 脹率差小的連接，皆可確保連接可靠度。 第1 1之本發明，係於第1 0的本發明中，上述金屬間 化合物層爲Sn-Ag系，Sn-Cu系，Sn-Ag-Cu系，Sn-Zn系 ，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag 系，In-Cu 系，Bi-Sn 系 及Bi-In系的無鉛焊錫的其中至少1個，與Cu，Ag，Ni， Au的其中至少1個金屬在晶粒安裝連接時反應而形成者 -22- (19) 1284375 在進行晶粒安裝連接時，若在400°C以上進行連接， 則會發生Cxi系框架的軟化，因此必須在400 °C以下進行連 接。Sn-Ag 系，Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系 ’ Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag 系，In-Cu 系，Bi-Sn 系及 Bi-

In系的無鉛焊錫係熔點爲260 °C以下。因此，在單獨連接 時，焊錫會在反流錫焊時再溶融，導致因爲焊錫隆起及連 接界面的剝離而無法保持連接。 於是，必須藉由與和Cu，Ag，Ni，Au之Sn-Ag系， S π - C u 系 ’ Sn-Ag-Cu 系 ’ S n - Z n 系 ’ Sn-Zn-Bi 系，S n -1 n 系，In-Ag系，In-Cu系，Bi-Sn系及Bi-In系的無給焊錫 反應而形成金屬化合物的金屬反應來使連接後的熔點形成 2 6(TC以上的高熔點化。此刻，連接部的金屬間化合物層 的厚度最好爲1〜30μπι。當未滿Ιμχη時，在連接時無法確 保連接界面全域的沾錫，有時會發生連接不良。當大於 3 Ομπι時，爲了使連接部全化合物化，而需要長時間，因 此生產性會變差。又，因爲可在260 °C以下連接，所以在 晶粒安裝連接後的冷卻時，可縮小所產生的殘留應力。 第1 2之本發明的半導體裝置，係於引線框架上晶粒 安裝連接半導體元件後，進行打線接合，樹脂模製者，其 特徵爲： 晶粒安裝連接部係從半導體元件側，由具有260°C以 上400°C以下的熔點的無鉛焊錫層，具有260°C以上的熔點 的金屬層，具有260°C以上400t以下的熔點的無鉛焊錫層 所構成。 -23- (20) 1284375 藉由具有260°C以上40CTC以下的熔點之無鉛焊錫來進 行連接。之所以焊錫的熔點爲260 °C以上，那是爲了在反 流錫焊時不使焊錫再溶融。之所以焊錫的熔點爲400°C以 下，那是因爲若在40(TC以上進行晶粒安裝連接，則會有 Cu系框架軟化變形的問題。 設置具有260 °C以上的熔點之金屬層的理由，是爲了 緩衝溫度週期及連接後的冷卻時所產生的熱應力，而來抑 止晶片裂縫的發生。藉由金屬層的設置，無論是半導體元 件與Cu系引線框架之熱膨脹率差大的連接，或半導體元 件與42合金引線框架之熱膨脹率差小的連接，皆可確保 連接可靠度。 第13之本發明，係於第12的本發明中，具有上述 260°C以上400°C以下的熔點的無鉛焊錫層爲Aix-Sn系合金 ，A u - G e系合金’ A u - S i系合金’ Z η - A1系合金’ Zn-Al-Ge 系合金，Bi，Bi-Ag系合金，Bi-Cu系合金，Bi-Ag-Cu系 合金的其中之一所構成。 使用具有2 6 0 °C以上4 0 0 °C以下的熔點之無鉛焊錫的理 由，是因爲當焊錫的熔點爲260 °C以下時’在反流錫焊下 焊錫會有再溶融的問題發生，當焊錫的熔點爲400°C以上 時，在晶粒安裝連接時會有Cu系框架軟化而變形的問題 發生。 由於可藉由應力緩衝層來緩衝熱應力’因此即使薄薄 地附上無給焊錫，還是可以確保可靠度。其結果’在使用 高成本的Au基礎焊錫時，可降低其使用量。該焊錫的連 -24- (21) 1284375 接厚度最好爲1 μιη以上。未滿1 μπι時，在連接時無法確 保連接界面全域的沾錫，有時會產生連接不良。 第14之本發明，係於第10〜第13的本發明中，具有 上述260°C以上的熔點的金屬層爲Al，Mg，Ag，Zn，Cu ，Ni的其中任一種所構成。

Al，Mg，Ag，Zn，Cu，Ni是降伏應力比硬焊錫的 Au-20Sn更小，容易塑性變形。於是，藉由 Al，Mg，Ag ，Zn，Cu，Ni的塑性變形來緩衝熱應力。此刻，如圖3 所示，該金屬層的降伏應力的大小最好爲75MPa以下。當 降伏應力爲l〇〇MPa以上時，無法充分緩衝熱應力，產生 於半導體元件的應力會變大，有時會發生晶片裂縫。對於 材料的縱彈性係數來說，雖受左右的程度不大，但越小越 好。又，厚度最好爲3〇〜2〇〇μπι。當厚度未滿3〇μπι時， 由於無法充分地緩衝熱應力，因此有時會發生晶片裂縫。 當厚度爲200μπι以上時，由於Al，Mg，Ag，Zn比Cu框 架的熱膨脹率大，因此熱膨脹率的效果會變大，有時會導 致晶片裂縫發生等的可靠度降低。 第15之本發明，係於第10〜第13的本發明中，具有 上述260°C以上的熔點的金屬層爲Cu/Invar合金/Cu複合 材，Cu/Cu20複合材，Cu-Mo合金，Ti，Mo，W的其中任 一種所構成。Cu/Invar合金/Cu複合材，Cu/Cu20複合材 Cu-Mo合金，Ti，Mo，W的熱膨脹率是在半導體元件與 Cu系引線框架的熱膨脹率之間，藉此來緩衝熱應力。此 刻，該金屬層的厚度最好爲30μπι以上。當厚度未滿30μπι -25- (22) 1284375 時，因爲無法充分緩衝熱應力，所以有時會發生晶片裂縫 〇 第1 6之本發明的半導體裝置的製造方法，係於引線 框架上藉由金屬接合來晶粒安裝連接半導體元件者，其特 徵爲： 在具有26(TC以上的熔點的金屬層的上述半導體元件 側及上述引線框架側，使設一具有藉由反應來形成260°C 以上的溶點的金屬間化合物之熔點爲260°C以下的金屬與 熔點爲260 °C以上的金屬之層的複合箔，介在於上述半導 體元件與上述引線框架之間的狀態下，藉由加熱上述複合 箔來形成上述金屬接合。 第17之本發明，係於第16之本發明中，具有上述 2 60°〇以上的熔點的金屬層係由八1，^^，八8，211，€：11，犯 的其中任一種所形成， 所謂藉由反應來形成260 °C以上的熔點的金屬間化合 物之上述熔點爲260°C以下的金屬係Sn-Ag系，Sn-Cu系 ，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag 系，In-Cu系，Bi-Sn系，Bi-In系的無鉛焊錫的其中之一 ， 所謂藉由反應來形成260°C以上的熔點的金屬間化合 物之上述熔點爲260°C以上的金屬係Cu，Ag，Ni，Au的 其中至少1個的金屬。 [發明的效果]

-26- (23) 1284375 若利用本發明，則可提供一種以最高溫度26 0°C在基 板反流錫焊時，晶粒安裝連接部的焊錫不會隆起，且即使 被連接材間的熱膨脹率差大，在實際的使用環境下功率半 導體裝置内的功率半導體元件與引線框架的晶粒安裝連接 部照樣具有高連接可靠度之無鉛的功率半導體裝置。 如此一來，若利用本發明，則即使針對熱應力也不會 使發生晶片裂縫，可進行在反流時也不會溶融之無鉛的晶 粒安裝連接。 【實施方式】 以下，參照圖面來說明本發明的實施形態。 (實施形態1 ) 圖4是表示有關本發明的實施形態的半導體裝置8的 剖面圖。功率半導體裝置8a等的半導體裝置8是例如藉 由以下所示的製程來製造。 亦即，如圖4所不’功率半導體裝置8a是功率半導 體元件1 a的半導體元件1會經由金屬接合部7來晶粒安 裝連接於引線框架2上。金屬接合部7是在引線框架2的 晶片焊墊上載置圖5 (a)所示的接合部形成用的複合箔 7a，更於複合箔7a上載置功率半導體裝置8a的狀態下加 熱形成。 例如，與功率半導體元件1 a的矽（Si )側的複合箔 7a接觸的背面是被金屬噴鍍Ti/Ni/Au ’而確保其沾錫性。 27- (24) 1284375 並且，引線框架2是例如以熱傳導率良好的銅（Cu )系材 料來形成。該構成的功率半導體元件1 a與引線框架2是 以金屬接合部7來接合，該金屬接合部7是使介在的複合 范7 a在晶粒安裝時加熱至所定溫度後溶融固化而形成者 〇 例如圖5 ( a )所示，金屬接合部7形成用的複合箔 7a是由之間爲具有260 °C以上的高熔點的金屬層100，及 其上下兩面熔點260 °C以上的高熔點的金屬層110，及更 積層於金屬層110上熔點爲260°C以下的低熔點的金屬層 120所構成。爲了確保與功率半導體元件la或引線框架2 的沾錫性，低熔點金屬的金屬層1 2 0會被設置於高熔點金 屬的金屬層11〇上。 構成金屬層100的金屬，例如可爲鋁（A1)，鎂（Mg )，銀（Ag )，鋅（Zn )，銅（Cu )，鎳（Ni )等。該 金屬比硬焊錫的Au-20 Sn的降伏應力小，容易塑性變形。 因此，在金屬接合部7發生熱應力時，金屬層100會塑性 變形，發揮緩衝熱應力的機能，使應力不會波及功率半導 體裝置8 a側而產生裂縫等的破損。 如圖3所示，本發明者的目前實驗結果，當金屬層 100的降伏應力爲lOOMPa以上時，無法充分緩衝熱應力 ，發生於半導體元件的應力會變大，有時會發生晶片裂縫 。因此，最好降伏應力未滿l〇〇MPa。更理想是如圖3所 示，降伏應力的大小爲75MPa以下。 有關金屬層1〇〇的應力緩衝機能，雖不大受構成金屬 -28- (25) 1284375 層1 〇 〇的材料的縱彈性係數左右，但越小越好。 又，金屬層100的厚度最好形成30〜200μιη。當厚度 未滿3 0 μιη時，因爲無法充分緩衝熱應力，所以有時會發 生晶片裂縫。當厚度爲20 0μιη以上時，因爲Al，Mg，Ag ’ Zn比Cu框架的熱膨脹率大，所以熱膨脹率的效果會變 大，有時會導致發生晶片裂縫等。 另一方面，構成金屬層110的高熔點金屬，例如可爲 銅（Cu)，銀（Ag)，鎳（Ni)，金（Au)等。又，構 成金屬層120的低熔點金屬，最好爲Sn-Ag系（錫一銀系 )’ Sn-Cu系（錫一銅系）’ Sn-Ag-Cu系（錫 銀一*銅系 )’ Sn-Zn系（錫一鲜系），Sn-Zn-Bi系（錫一辞-鉍系） ’ Sn-In系（錫-鋼系）In-Ag系（姻-銀系）’ In-Cu系（ 銦-銅系），Bi-Sn系（鉍-錫系）及Bi-In系（鉍-銦系） 的無給焊錫。 金屬層110是例如在金屬層100上藉由濺鍍或電鍍來 設置即可。金屬層120亦同樣在金屬層1 10上例如藉由濺 鍍或電鍍來設置即可。 該構成的複合箔7a是藉由晶粒安裝時的加熱，構成 金屬層110的高熔點金屬，及構成金屬層120的低熔點金 屬會溶融反應，如圖5(b)所示，在金屬層1〇〇上形成與 半導體元件，引線框架連接的第一、第二連接層之連接層 200 ° 連接層200是金屬層110的高熔點金屬與金屬層120 的低熔點金屬會反應而形成者，來自金屬接合部7的剖面 -29- (26) 1284375 顯微鏡照片的判斷，該低熔點金屬與高熔點金屬的金屬間 化合物，低熔點金屬與高熔點金屬和金屬噴鍍於半導體元 件1背面的金屬的金屬間化合物，金屬的單相等的複數相 會形成混在於低熔點的溶融後的金屬相中的狀態。 構成金屬層110的高熔點的金屬及構成金屬層120的 低熔點的金屬會反應而形成的連接層200是例如在晶粒安 裝後，於35(TC保持lOmin，藉此使260°C以下的熔點的金 屬與260°C以上的熔點的金屬反應而全化合物化，進而高 熔點化。 藉由如此被高熔點化的金屬接合部7來晶粒安裝連接 的功率半導體元件1 a是其後利用Au金屬線4來接合形成 於功率半導體元件la的上表面的電極與引線5。又，利用 環氧系樹脂6來密封功率半導體元件1 a，引線框架2，金 屬接合部7，金屬線4。·藉由以上的製程來製造功率半導 體裝置8a。 在使金屬層110與金屬層120反應而形成的連接層 2 00全化合物化時，使介在於功率半導體元件la與引線框 架2之間的複合箔7a保持於3 50°C，l〇min的條件是根據 以表1所示各種連接構造的連接溫度及保持時間爲參數的 實驗結果來決定。 亦即，實驗是如圖6的模式所示，在未施以模製狀態 的5mm四方的功率半導體元件ia與Cu的引線框架2之 間，藉由加熱來使形成高熔點的連接層200的複合箔7b 介在進行。 -30- (27) 1284375 所使用的複合箔7b，如表1所示，是使用20 μιη層 的Sn複合范，或20μιη層厚的Sn-3Ag-0.5Cu複合范， 20μπι的Sn-9Zn複合箔，或20μπι層厚的In-48Sn複合 ，或20μιη層厚的Sn-0.7Cu複合箔。使該各個複合箔 介在於功率半導體元件la與引線框架2之間，在3 00°C 3 50°C，400°C的各溫度下，以1分，3分，5分，10分 3 0分，6 0分的各個保持時間來進行加熱。確認加熱後 連接層200的全化合物化的狀態。 另外，由於該實驗是在於求取形成連接層200的全 合物化時所必要的加熱溫度及加熱保持時間之目的的實 ，因此相當於發揮前述應力緩衝機能的金屬層1 00的構 是不含於複合箔7b。 厚 或 箔 7b 的 化 驗 成

-31 - 1284375 (28) 【表1】 連接構造 連接 溫度 保持時間 1min. 3min. 5min· 10min. 30min. 60min. Si/Sn(20 μηι)/Ου 300°C X X X X o 〇 350°C X X X 〇 o 〇 400°C X X X 〇 o 〇 Si/Sn-3Ag-0.5Cu (20 μτη) /Cu 300°C X X X X 〇 〇 350°C X X X 〇 o 〇 400°C X X X 〇 o 〇 Si/Sn-9Zn(20pm)/Gu 300°C X X X 〇 o 〇 350°C X X X 〇 o 〇 400°C X X X 〇 o 〇 Si/ln-48Sn(20pm)/Cu 300°C X X X 〇 o 〇 350°C X X X o o 〇 400°C X X X o o 〇 Si/SrH).7Cu(2(^m)/Cii 300°C X X X o o 〇 350°C X X X o 〇 o 400°C X X X o 〇 o

• 表1是彙整有關進行Si/焊錫/Cu連接的樣品的連接部 的全化合物化的調査結果者。如該表1所示，利用上述5 種構成的複合箔7b，以各種溫度’保持時間來進行實驗的 結果，若加熱溫度爲3 50°C以上，保持時間爲10分以上， 則可謀求連接層200的全化合物化。 圖7(a)〜（c)是表示利用Sn-3Ag-0.5Cu焊錫，以 350°C來連接半導體元件（si)與Cu時的連接剖面的狀況 。圖7 ( a )，（ b )是保持時間爲1分及5分時的狀況剖 面照片。熔點爲2 6 0 °C以下的S n會殘留。當如此未化合物 -32- (29) 1284375 化的Sn殘留時，在反流錫焊時會發生構成連接層200的 焊錫再溶融。另一方面，如圖7 ( c )所示，可確認出，當 保持時間爲10分時，連接層200是藉由Cu-Sn及Ag-Sn 化合物來全化合物化。 其次，利用圖5 ( a )所示那樣設置發揮應力緩衝機能 的金屬層100之複合箔7a來進行功率半導體元件la的晶 粒安裝，針對重複溫度週期的熱應力時的本發明的有效性 來進行檢證。 亦即，實驗是在未施以模製狀態的5mm四方的功率 半導體元件1 a與Cu引線框架2之間，藉由加熱來使形成 高熔點的連接層200的金屬層110，120積層於金屬層100 上的複合箔7a介在進行。 所使用的複合箔7 a，如表2所示，在實施例1中是以 層厚ΙΟΟμιη的A1層來構成金屬層100，以Cu來構成金屬 層110，以Sn來構成金屬層120，使合倂金屬層110， 120的層厚形成ΙΟμιη。 金屬層1 1 〇，1 2 0的層厚，例如像後述那樣，只要構 成金屬層11 0的高熔點的金屬與構成金屬層120的低熔點 的金屬反應而形成金屬間化合物時，相當於低熔點的金屬 不會以單相殘留的量之層厚即可。在低熔點的金屬相殘留 的狀態下，於反流時的260 °C的溫度下，低熔點的金屬會 再溶融，恐會有發生隆起之虞。 在使該構成的複合箔7a介在於功率半導體元件la與 Cu系的引線框架2之間的狀態下’以加熱溫度3 5 0 °C，保 -33- (30) 1284375 持時間1 〇分鐘，使晶粒安裝連接，而形成利用圖4所示 構成的功率半導體裝置8a的半導體封裝體。 對該功率半導體封裝體 20個，以-55°C ( 30min.) /150°C ( 3 0min·)來實施500週期的溫度週期試驗。溫度 週期試驗是在熱衝撃試驗機中設定半導體封裝體來進行。 若觀察溫度週期試驗後的連接剖面，則負責熱應力緩衝的 金屬層100爲實施例1的A1時，雖從A1端部，以未滿連 接部的面積比率5%在A1内發生裂縫，但在功率半導體元 件1 a側不會發生晶片裂縫。

- 34- (31) 1284375 【表2】

No. 封裝 構造 框架 晶粒安裝連接部的構成 晶片裂縫 實施例1 圖4 Cu系 Cu+Sn/AI/Cu+Sn=10 μ m/100 μ m/10μ m 0/20 2 圖4 Cu系 Cu+Sn-3Ag-0.5Cu/AI/Cu+Sn-3Ag-0.5Cu=t 0 μ m/100 μ m/10μ m 0/20 3 圖4 Cu系 Cu+Srr9Zn/AI/Cu+Sn-9Zrv=10μ m/100 μ m/10μ m 0/20 4 圖4 Cu系 Au+Sn/AI/Au+Sn=10 μ m/100 μ m/10μ m 0/20 5 圖4 Cu系 Ni+Sn/AI/Ni+Sn=10 μ m/100 μ m/10 μ m 0/20 6 圖4 Cu系 Ag+Sn/AI/Ag+Sn^lOiim/l 00μ m/1 Ομηι 0/20 7 圖4 Cu系 Cu+ln-48Sn/AI/Cu+In-48Sn=10 μιη/100 μιη/10 μιη 0/20 B 圖4 Cu系 Ag+Br43Sn/AI/Aff«-Br43Sn=10 μηι/100 μηίΐ/10 μχη 0/20 9 圖4 Cu系 Cu+Sn/Zn/Cu+Sn=10 μίη/100 μηη/10 μιη 0/20 10 圖4 Cu系 Sn/(Cu/lnver/Cu)/Sn=1〇Mm/100 μηι/10μηι 0/20 11 圖4 Cu系 Au-20Sn/AI/Au-20Sn=20 μιη/100 μπι/20 μιη 0/20 12 圖4 Cu系 Au-20Sn/2n/Au-20Sn=20 μιη/100 μηη/20μηι 0/20 13 圖4 Cu系 Ζη-6ΑΙ/ΑΙ/Ζη-βΑΙ=20μ m/100 μηι/20μ m 0/20 14 圖4 Cu系 Au-20Sn/(Cu/Inver/Cu)/Au-20Sn=20 μηι/100 μη>/20 μηι 0/20 15 圖4 Cu系 Au-20Sn/Ti/Au-20Sn=20 μ m/100 μ ηι/20μ m 0/20 16 圖4 Cu系 Βί-Α*/ΑΙ/ΒΙ-Αβ=2〇μ m/Ι ΟΟμ ηι/20μ m 0/20 17 圖4 Cu系 ΒίΛΟυ/ΙηνβΓ/ΟυνΒί^Ομ m/1 ΟΟμ πι/20μ m 0/20 18 圖11 Gu系 Gu+Sn/AI/Cu+Sn=10 μιη/100 μ m/1 Ομιη 0/20 19 圖4 42合金 Cu+δη/ΑΙ/Cu 4* Sn=10μπι/100μπι/10μπι 0/20 20 圖4 Cu系 Au~20Sn/AI/Bi=20 μ ni/1 ΟΟμ ιτι/20μ m 0/20 21 圖4 Cu系 Au*-20Sn/(Cu/Inver/Cu)/Bi=20 μ m/100 μ πι/20μ m 0/20 22 圖4 Cu系 Au-20Sn/AI/Bi-3Ag=20 μιη/100 μ m/20 μιη 0/20 23 圖4 Cu系 Zn-9AI/AI/Au-20Sn=20 μηι/100 μ ιη/20μ m 0/20 24 圖4 Cu系 Au-20Sn/(Cu/Inver/Cu)/Sn=10 μηη/100 μιη/1 Ομπι 0/20 25 圖4 Ou系 Bi/(Cu/Inver/Cu)/Sn=10 μ m/100 μ m/10 μ m 0/20 26 圖4 Cu系 Cu+Sn/AI/Cu ^-Ι^Ββη^Ι 0 μ m/100 μ m/10 μ m 0/20 27 圖4 Cu系 Ag+Sn/AI/Ag+Sn-9ZrF20 μηπ/100 μ m/ΖΟμ m 0/20 28 圖4 Cu系 Sn/(Cu/Inver/Cu)/ln-48Sn=10 μηι/100 μπη/10μπι 0/20 29 圖4 Cu系 Sn-3.5Ag/(Cu/lnver/Cu)/In-48Sn=10 μητι/100 μιη/t 0 μπι 0/20 30 圖4 Cu系 Sn/(Cu/Inver/Cu)/Sn-9Zn=10pin/100 μιη/10 μιη 0/20 31 04 Cu系 Cu+Au-20Sn/AI/Cu-»*Sn=20 μηι/100 μπι/20μΓη 0/20 32 圖4 Cu系 Cu+Bi/AI/Cu+Sn=10 μ m/100 μ m/10 μιη 0/20 比較例1 圖4 Cu系 Pb-5Sn=20|Am 0/20 2 圖4 Cu系 Gu+Sn=20pm 6/20 3 B4 Cu系 | Au-20Sn=2〇um 5/20 溫度週期試驗：-55°C(30min.)/150°C(30min.)500週期、Si/複合范/Cu、5mm□、無模製 表2是彙整本發明所使用的複合箔7a來進行晶粒安 裝連接的樣品的溫度週期試驗結果及比較例者。如表2所 "示，在全體20個中，未發生晶片裂縫，即使施加溫度週 期的重複熱應力，也沒有發現會對功率半導體元件1 a側 造成裂縫等。亦即，在實施例1中，利用本發明的複合箔 7a來進行晶粒安裝連接的連接可靠度有效。 該現象是溫度週期的熱應力會藉由 A1的金屬層100 來緩衝，因此可推測不會出現因爲熱應力而造成裂縫進入 -35- (32) 1284375 功率半導體元件1 a側等的不良影響。亦即，在與熱膨脹 率係數大的Cu的引線框架2的溫度週期關係大的伸縮時 ，積層有第二連接層的連接層200的金屬層1〇〇會吸收與 Cu的引線框架2的伸縮相關的應力，而予以緩衝。 因此，根據Cu的引線框架2側的伸縮之剪切應力是 等於裂縫進入金屬層100而被吸收，在功率半導體元件la 側，晶片裂縫經由積層於金屬層1 00的第一連接層的連接 層200而進入功率半導體元件la程度的應力不會被傳達 〇 該結果在進行同樣的溫度週期試驗的表2所示的實施 例2〜1 0中亦可確認出。在實施例2中，如表2所示，所 使用的複合箔7a是以層厚100 μπι的A1層來構成金屬層 100，以Cu來構成金屬層110，以Sn-3Ag-0.5Cu的無鉛焊 錫來構成金屬層120，合倂金屬層110，120的層厚爲 10 μπι。該情況，雖亦從構成金屬層100的A1端部，以未 滿連接部的面積比率5%在Α1内發生裂縫，但全體20個 不會發生晶片裂縫。 在實施例3中，如表2所，所使用的複合箔7a是以 層厚100 μπι的A1層來構成金屬層100，以Cu來構成金屬 層1 10，以Sn-9Zn的無鉛焊錫來構成金屬層120，合倂金 屬層1 10，120的層厚爲ΙΟμπι。實施例3也是與上述實施 例1同樣，雖在面積比率未滿5%的範圍內，在Α1内發現 裂縫，但全體20個不會發生晶片裂縫。 在實施例4中，如表2所示，所使用的複合箔7a是 -36- (33) 1284375 以層厚100 μπι的A1層來構成金屬層100，以Au來構成金 屬層110，以Sn來構成金屬層120，合倂金屬層110, 120的層厚爲1〇μπι。該構成的實施例4亦與上述實施例1 同樣，雖在面積比率未滿5 %的範圍內，在A1内發現裂縫 ，但全體20個不會發生晶片裂縫。 在實施例5中，如表2所示，所使用的複合箔7a是 以層厚ΙΟΟμιη的A1層來構成金屬層100，以Ni來構成金 屬層110，以Sn來構成金屬層120，合倂金屬層110, 120的層厚爲ΙΟμιη。在實施例中，如表2所示，所使用的 複合箱7a是以層厚1 ΟΟμπι的Α1層來構成金屬層1 〇〇，以 Ag來構成金屬層1 10，以Sn來構成金屬層120，合倂金 屬層110，120的層厚爲ΙΟμιη。 在實施例7中，如表2所示，所使用的複合箔Ta是 以層厚1〇〇μπι的A1層來構成金屬層100，以Cu來構成金 屬層110，以In-48Sn來構成金屬層120，合倂金屬層11〇 ，120的層厚爲1 Ομπι。在實施例8中，如表2所示，所使 用的複合箔7a是以層厚ΙΟΟμιη的Α1層來構成金屬層1〇〇 ，以Ag來構成金屬層1 10，以Bi-43Sn來構成金屬層120 ，合倂金屬層110，120的層厚爲10 μπι。 該構成的實施例5〜8也是與上述實施例1同樣，雖 在面積比率未滿5%的範圍內，在Α1内發現裂縫，但全體 20個不會發生晶片裂縫。 在實施例9中，如表2所示，所使用的複合箔7a是 以層厚ΙΟΟμιη的Zn層來構成金屬層100，以Cu來構成金 -37- (34) 1284375 屬層110，以Sn來構成金屬層120，合倂金屬層110, 120的層厚爲ΙΟμιη。在實施例1〇中，如表2所示，所使 用的複合范7a是以層厚ΐ〇〇μπι的Cu/Invar合金/ Cu層來 構成金屬層100，以金屬層1〇〇的Cu來兼用金屬層110, 以Sn來構成金屬層120，Sn的金屬層120的層厚爲10 μπι 〇 實施例9時，雖在構成金屬層10〇的ζη層中，以未 滿連接部的5% ’由Ζη端部發生Ζη内裂縫，但晶片裂縫 不會發生於20個全體。實施例10時，雖金屬層100爲具 有Si與Cu的中間熱膨脹率的Cu/Invar合金/ Cu，但若觀 察連接剖面，則在Si，金屬化合物内及Cxi/Invar合金/Cu 内皆未會發生裂縫。 由實施例1〜1 0的結果可知，本發明的構成可藉由A1 ，Zn，Cu/Invar合金/Cu的金屬層100來緩衝溫度週期的 熱應力，不會使晶片裂縫等的障礙發生，具有充分的連接 可靠度。 在本發明者的實驗中，可確認出第一、第二連接層的 連接層200之金屬間化合物的形成是在溶融後的低熔點金 屬與高熔點金屬的界面。可見所被形成的化合物會從界面 剝離，而於溶融的金屬内，例如浮島狀進入。形成複數組 成的化合物等的層會溶融而混入低熔點金屬中的不均一組 織。 例如，在現狀的實驗中，實施例1，9，10的低熔點 金屬爲使用Sn，高熔點金屬爲使用Cu時，可確認出在晶 -38- (35) 1284375 片側形成有 Cu-Sn 化合物（Cu6Sn5，Cu3Sn ) ，Cu-Ni-Sn 化合物，在Cu框架側形成有Cu-Sn化合物（Cu6Sn5， Cu3 Sn) 〇 就形成於實施例2(Cu + Sn-3Ag-0.5Cu)的相而言， 在晶片側可確S忍出Cu-Sn化合物（Cu6Sn5，CU3S11) ，Ag-

Sn化合物（Ag3Sn) ，Cu-Ni-Sn化合物，在Cu框架側可 確認出Cu-Sn化合物（Cu6Sn5，Cu3Sn) ，Ag-Sn化合物 (A g 3 S η )的相。 就形成於實施例3 ( Cu + S η-9 Zn )的相而言，在晶片 側可確認出Cu-Sn化合物（Cu6Sn5，Cu3Sn) ，Cu-Zn化 合物，在Cu框架側可確認出cu-Zn化合物，Cu-Sn化合 物（Cu6Sn5，Cu3Sn)的相。 就形成於實施例4 ( Aii + Sn )的相而言，在晶片側可 確認出Au-Sn化合物的相，在Cu框架側可切認出Au-Sn 化合物，Cu-Sn化合物（Cu6Sn5，Cu3Sn )的項。 就形成於實施例5 ( Ni + Sn )的相而言，在晶片側可 確認出Ni_Sn化合物的相，在Cu框架側可確認出Ni-Sn 化合物，Cu-Sn 化合物（Cu6Sn5，Cu3Sn) ，Ni-Cu-Sn 化 合物的相。 就形成於實施例6 ( Ag + Sn )的相而言，在晶片側可 確認出 Ag-Sn 化合物（Ag3Sn) ，Ag-rich hep 相，在 Cu 框架側可確認出Ag-Sn化合物（Ag3Sn ) ，Ag-rich hep相 ，Cu-Sn 化合物（Cu6Sn5，Cu3Sn)相。 就形成於實施例7 ( Cu + In-48Sn)的相而言，在晶片 -39- (36) 1284375 側可確認出Cu-Sn化合物（Cu6Sn5，Cu3Sn ) ，In-Cu化合 物，In-Sn-Cu化合物的相，在Cu框架側可認出Cu-Sn化 合物（Cu6Sn5，Cu3Sn ) ，：[n-Cu 化合物，In-Sn-Cu 化合物 的相。 就形成於實施例8 ( Ag + Bi-43Sn )的相而言’在晶片 側可確認出Ag-Sn化合物（Ag3Sn ) ，Ag-rich hep相，Bi

的相，在Cu框架側可確認出Ag-Sn化合物（Ag3Sn)， Ag-rich hep 相，Bi，Cu-Sn 化合物（Cu6Sn5，Cu3Sn)的 相。 (實施形態2 ) 如上述實施形態1所述，藉由設置金屬層1 00，即使 第一、第二連接層的連接層200高熔點化而變硬變脆，還 是能以金屬層1 〇〇來吸收熱應力，因此可形成一在硬且脆 弱化的連接層200及以連接層200來連接的功率半導體元 件1 a側不會受到裂縫等不良影響波及的構成。 於是，本發者提案一將無法使用於晶粒安裝連接的高 熔點無鉛焊錫（雖藉由高熔點化而不會有反流時的再溶融 之虞，但因爲硬脆，所以熱應力會使裂縫產生於晶片側， 因此無法使用於晶粒安裝連接）與金屬層100倂用，而使 能夠使用之構想。 亦即，在本實施形態中，如圖8所示，複合箔7 a是 採用在金屬層100的兩面設置一謀求高熔點化的無鉛焊錫 層作爲金屬層130的構成。 -40- (37) 1284375 本實施形態所使用之功率半導體裝置8a的構成是與 上述實施形態1的圖4所示的同樣構成。但，往功率半導 體元件1 a的引線框架2之晶粒安裝連接時用以形成金屬 接合部7的複合箔7a的構成並非圖5(a)所示的構成， 而是採用圖8所示的構成，與上述實施形態1相異。 在本實施形態中，如表2所示，具有實施例1 1〜1 5 所示之複合箱7 a的構成。另外，實施例1 1〜1 5所示的情 況，與上述實施例1〜1 〇同樣，使用未施以模製的狀態的 5mm四方的功率半導體元件la。 亦即，在實施例1 1中，如表2所示，所使用的複合 箔7a是以層厚ΙΟΟμηι的A1層來構成金屬層1〇〇，以層厚 20μπι的高熔點無鉛焊錫的Au-20Sn層來構成金屬層130 。在實施例12中，如表2所示，所使用的複合箔7a是以 層厚ΙΟΟμηι的Zn層來構成金屬層100，以層厚20μιη的高 熔點無鉛焊錫的Au-2 OSn層來構成金屬層130。 在實施例1 3中，如表2所示，所使用的複合箔7a是 以層厚ΙΟΟμιη的A1層來構成金屬層100，以層厚20μπι的 高熔點無鉛焊錫的Ζη-6Α1層來構成金屬層130。在實施例 14中，如表2所示，所使用的複合箱7a是以層厚ΙΟΟμηι 的Cu/Invar合金/Cu層來構成金屬層1〇〇，以層厚20μιη 的高熔點無鉛焊錫的Au-20Sn層來構成金屬層130。在實 施例15中，如表2所示，所使用的複合箔7a是以層厚 ΙΟΟμηι的Ti層來構成金屬層1〇〇，以層厚20μιη的高熔點 無鉛焊錫的An-20Sn層來構成金屬層130。 -41 - (38) 1284375 有關使用上述構成的複合箔7a的實施例1 1〜1 5的功 率半導體封裝體是與上述實施形態1同樣，以-55°C ( 30min· ) /150°C ( 30min·)來分別針對20個封裝體進行 5 00週期的溫度週期試驗。其結果，如表2所示，在實施 例11〜15的全體，晶片裂縫未發生。 另一方面，若觀察連接剖面，則擔負熱應力的緩衝之 金屬層1〇〇爲實施例11，13的A1時，從A1端部，以未 滿連接部的5 %，發生A1内裂縫。圖9是以剖面照片來顯 示實施例1 1中所產生的A1内裂縫的狀況。 又，當金屬層1〇〇爲Zn的實施例12時，從Zn端部 ，以未滿連接部的5%，發生Zn内裂縫。當金屬層1〇〇爲 具有Si與Cu的中間熱膨脹率的Cu/Invar合金/Cu，Ti的 實施例14，15時，在Si，焊錫内，Cu/Invar合金/ Cu内 及Ti内的任何一個皆未發生裂縫。圖1 〇是以剖面照片來 顯示實施例14時的連接剖面。可確認出在金屬層1〇〇， 1 3 0，及功率半導體元件1 a的Si側，一切皆未發生裂縫 〇 由以上本實施形態所述可知，溫度週期的熱應力可藉 由Al，Zn及Cu/Invar合金/Cu，Ti的金屬層100來緩衝 ，不至於發生晶片裂縫，具有充分的連接可靠度。 由以上的結果可確認出，藉由應力緩衝層的介在，使 以往因爲高熔點化變硬變脆而無法充分利用的Au-20Sn等 的高熔點無鉛焊錫能夠使用於晶粒安裝連接。又，藉由應 力緩衝層的介在，可使實際寄與連接的無鉛焊錫層形成薄 -42- (39) 1284375 ，可易於使用有成本高問題的Au-2 0 Sri。 (實施形態3 ) 如上述實施形態1所述，藉由金屬層1 00的設置，即 使第一、第二連接層的連接層200高熔點化而變硬變脆， 還是可藉金屬層100來吸收熱應力，因此可形成不會對硬 且脆弱化的連接層200及以連接層200所連接的功率半導 體元件la側造成裂縫等的不良影響之構成。 於是，在高熔點化下不用擔心反流時的再溶融，但因 爲熱傳導率較低，約爲9 W/m · K，所以必須薄薄地連接， 但若薄薄地連接，則會在連接部產生裂縫，因此本發明者 想到可否與金屬層1 00倂用來使用無法使用於晶粒安裝連 接的Bi，Bi-Ag合金，Bi-Cu合金，Bi-Ag-Cu合金系焊錫 〇 亦即，在本實施形態中，複合箔7a，如圖8所示，爲 採用在金屬層1 00的兩面設置謀求高熔點化的無鉛焊錫層 130之構成。 本實施形態所使用之功率半導體裝置8a的構成是與 上述實施形態1的圖4所示者同樣構成。但，用以形成功 率半導體元件1 a對引線框架2的晶粒安裝連接時的金屬 接合部7之複合箔7a的構成並非圖5(a)所示的構成， 而是採用圖8所示的構成，這與上述實施形態1有所不同 〇 本實施形態，如表2所示，具有實施例1 6，1 7所示 -43- (40) 1284375 之複合箔7 a的構成。又，實施例〗6，1 7所示的情況，亦 與上述實施例1〜1 0同樣，使用未被施以模製狀態的5mm 四方的功率半導體元件1 a。 . 亦即，在實施例16中，如表2所示，所使用的複合 箔7a是以層厚1〇〇0!11的A1層來構成金屬層1〇〇，以層厚 2 0μπι的高熔點無鉛焊錫的Bi-Ag層來構成金屬層130。在 實施例1 7中，如表2所示，所使用的複合箔7a是以層厚 φ · 10〇μ^的Cu/Invar合金/ Cu層來構成金屬層1〇〇，以層厚 20μιη的高熔點無鉛焊錫的Bi層來構成金屬層130。 由以上的結果可確認出，藉由應力緩衝層的介在，使 以往因爲熱傳導率低而無法充分利用的Bi，Bi-Ag合金， Bi-Cix合金，Bi-Ag-Cu合金系的高熔點無鉛焊錫能夠使用 於晶粒安裝連接。 (實施形態4) # 在本實施形態中，功率半導體元件la對引線框架2 之晶粒安裝連接的金屬接合部7用的複合箔7a的構成是 採用與上述實施形態1同樣的構成，但功率半導體裝置8b (8 )是構成使用圖U ( a ) ’ （ b )所示的小舌片之構造 〇 亦即，功率半導體裝置8b是藉由以下所示的製程來 製造。使用複合箱7a ’將背面金屬噴鑛爲Ti/Ni/Au的功 率半導體元件la予以晶粒安裝連接於Cu系汲極9上。其 次，使用Cu小舌片1 〇來連接引線5 (形成於功率半導體 -44- (41) 1284375 元件1 a的上表面之具有作爲電極，源極，閘極的機能） 與複合箔7a。小舌片連接後，在3 50°C下保持lOmin.而使 構成圖5(a)所示的複合箔7a之金屬層120的260 °C以下 的熔點之焊錫與金屬層110的260°C以上的熔點的金屬反 應，而形成全化合物化，藉此來使連接部200高熔點化。 如此一來，功率半導體裝置8b，如圖1 1 ( a )所示， 功率半導體元件la與汲極9，小舌片（strap ) 10，及小 舌片1 〇與引線5會分別藉由金屬接合部7來連接。 如表2的實施例18所示，所使用的複合箔7a是以層 厚ΙΟΟμιη的A1層來構成金屬層100，以Cu來構成金屬層 110，以Sn來構成金屬層120，合倂金屬層110，120的 層厚爲ΙΟμπι。其次，使用環氧系樹脂6來密封功率半導 體元件1 a，Cu的小舌片1 0，金屬接合部7，而製成功率 半導體裝置8b。 有關使用該構成的功率半導體裝置8b的功率半導體 封裝體，是與上述實施形態1同樣的，以- 55°C ( 30min.) /150°C (30min.)來對20個封裝體進行500週期的溫度週 期試驗。其結果，如表2所示，在實施例1 8中，未發生 晶片裂縫。若觀察連接剖面，則會從擔負熱應力的緩衝之 A1的端部，以未滿連接部的5%，發生A1内裂縫。 由以上可了解’在使用圖1 1所示的小舌片之構造的 功率半導體裝置8b的構成中，亦可藉由金屬層100的A1 來緩衝溫度週期的熱應力，具有充分的連接可靠度。 -45- (42) 1284375 (實施形態5 ) 在上述實施形態1，2中，是針對引線框架2爲使用 與半導體元件1的材質的Si的熱膨脹差大的Cu系的材質 時進行説明，但本實施形態中則是相反地針對熱膨脹差小 的鐵（Fe)基合金的Fe-42Ni材質者來檢證本發明的適用 可能性。 亦即，使用42合金框架，以和上述實施形態1所述 同樣的方法來製作功率半導體裝置8a。亦即，圖4所示構 成的功率半導體裝置8a之引線框架2是以42合金來形成 者，其他構成則與上述實施形態1的實施例1同樣構成。 所使用的複合箔7a，如表2的實施例19所示，與上 述實施例1同樣，是以層厚1 〇〇 μιη的A1層來構成金屬層 100，以Cu來構成金屬層110，以Sn來構成金屬層120, 合倂金屬層110，120的層厚爲ΙΟμπι。 在使該構成的複合箔7a介於功率半導體元件la與42 合金的引線框架2之間的狀態下，以加熱溫度3 50°C保持 10分鐘，而使晶粒安裝連接，形成圖4所示構成的功率半 導體封裝體。 有關使用該構成的功率半導體裝置8a來製作的功率 半導體封裝體，是與上述實施形態1同樣的，以-55°C ( 3 0min. ) /150°C (3 0min.)來對20個封裝體進行500週期 的溫度週期試驗。其結果，如表2所示，在實施例19中 ，於晶片及連接部未發生裂縫。 又，雖於表2中未顯示，但實際上使用與上述實施例 -46- (43) 1284375 2〜1〇同樣構成的複合箔7a來製作功率半導體裝置8a， 針對使用該功率半導體裝置8a的20個半導體封裝體來進 行溫度週期試驗，其結果全體未發現有晶片裂縫發生。 由以上可了解，本發明並非只針對與Si的熱膨脹差 大的Cu系框架，對於42合金（Alloy)即以鐵爲基礎的 合金等之與Si的熱膨脹差小的引線框架亦具有充分的連 接可靠度。 (比較例1 ) 本比較例1與本發明有所不同，並非使用具有發揮應 力緩衝機能的金屬層1〇〇的複合箔7a，而是使用20μπι層 厚Pb-5Sn焊錫，製作圖4所示構成的功率半導體裝置8a ，有關使用彼之半導體封裝體是以和上述實施例1 1〜1 5 同樣的方法，以 _55°C ( 30min· ) /150°C ( 30min·)來對 20 個封裝體來進行500週期的溫度週期試驗。 ® 如表2所示，在比較例1中，.未發生晶片裂縫。但， 若觀察連接剖面，則從Pb-5Sn焊錫的端部，以約連接部 的1 0 %，發生焊錫裂縫。由該結果可知，藉由焊錫的軟度 ，降低往晶片之熱應力的負荷。 (比較例2) 在本比較例2中，並非設置相當於金屬層1〇〇的構成 ，而是形成由相當於金屬層110的Cu層及相當於金屬層 120的Sn層所構成的厚度20 μιη的複合箔，使構成該複合 -47- (44) 1284375 箔的金屬箔朝向功率半導體元件1 a所被金屬噴鍍的一側 ，介於與Cu的引線框架2之間，以和上述實施例1〜1 0 所述同樣的方法，3 50°C保持1〇分鐘，進行晶粒安裝連接 ，製作功率半導體裝置8a。 針對使用所製作的功率半導體裝置8a之半導體封裝 體，以- 5 5°C ( 30min. ) /150°C ( 3 0min.)來對 20 個封裝體 進行5 00週期的溫度週期試驗時，如表2的比較例2所示 # ，以6/2〇的比例，在晶片及Cu-Sn化合物内發生裂縫。 這是因爲使用複合箔來形成的連接部全體爲Cix-Sn化合物 ，所以連接部會變硬變脆，無法緩衝溫度週期的熱應力所 致。 亦即，與本發明有所不同，未設置發揮應力緩衝機能 的金屬層1 00，所以會發生上述情況。該結果，相反的可 佐證本發明之發揮應力緩衝機能的金屬層1 00可有效防止 晶片裂縫發生。 (比較例3) 在本比較例3中，與本發明有所不同，並非使用具有 發揮應力緩衝機能的金屬層1 00之複合范7a，而是20μιη 層厚Au-20S η焊錫，製作圖4所示構成的功率半導體裝置 8a，有關使用彼之半導體封裝體，是以-55°C (30min·) /150 °C (30m in·)來對20個封裝體來進行500週期的溫度 週期試驗。其結果，如表2的比較例3所示，以5/20的 比例，在晶片及連接部發生裂縫。這是因爲Au-20Sn焊錫 -48 - (45) 1284375 爲硬焊錫，所以無法在連接部緩衝溫度週期的熱應力 此對晶片的負擔會變大所致。 圖12是表示發生後之晶片裂縫的一例。圖12的 是以20μπι層厚的Au-20Sri焊錫，3 50°C保持1〇分鐘 件來將5mm四方之無模製的功率半導體裝置8a予以 安裝連接於Cu的引線框架，然後進行溫度週期試驗畴 (實施形態6 ) 就上述實施形態1〜5而言，在功率半導體裝置： 的半導體裝置8中，連接功率半導體元件la等的半 元件1與引線框架2等的基板之金屬接合部7，如圖 )所示，在具有作爲應力緩衝層機能的金屬層1 〇〇的 體元件1側與引線框架2側形成有相同構成的第一、 連接層的連接層200。 本實施形態是與圖5 ( b )所示情況有所不同， 13 ( a)所示，在金屬接合部7，夾著具有作爲應力緩 機能的金屬層100，形成相異的連接層210，220。又 實施形態所説明的構成可適用於上述實施形態1〜5 明之例如圖4，1 1所示各構成的功率半導體裝置8 a， 亦即，上述實施形態1〜5所述的構成與本實施形 以下所述的構成最大的不同是在於構成金屬接合部7 屬層1 00的兩側所形成的連接層的構成爲相同或相異 本實施形態所適用的半導體裝置8，例如被構成 所示那樣的功率半導體裝置8 a。亦即，功率半導體 ，因 情況 的條 晶粒 U等 導體 5 ( b 半導 第二 如圖 衝層 ，本 所説 8b。 態6 的金 〇 圖 4 裝置 -49- (46) 1284375 8a是功率半導體元件la的半導體元件1會經由金屬接合 部7來晶粒安裝連接於引線框架2上。金屬接合部7是在 引線框架2的晶片焊墊上，載置圖1 3 ( b )所示之接合部 形成用的複合箔7c，且於複合箔7c上載置功率半導體裝 置8 a的狀態下加熱形成。 例如，與功率半導體元件i a的矽（Si )側的複合箔 7a接觸的背面是被金屬噴鍍Ti/Ni/Au，而確保其沾錫性。 並且，引線框架2是例如以熱傳導率良好的銅（Cu )系材 料來形成。該構成的功率半導體元件1 a與引線框架2是 以金屬接合部7來接合，該金屬接合部7是使介在的複合 箔7a在晶粒安裝時加熱至所定溫度後溶融固化而形成者 〇 金屬接合部7形成用的複合箔7c，是例如圖1 3 ( b ) 的模式所示，在之間具有260 °C以上的高熔點的金屬層 100的一方側設有高熔點側的金屬層140，該高熔點側的 金屬層140是由形成半導體元件1側的第一連接層的連接 層210之具有260 °C以上，400 °C以下的熔點之無鉛焊錫所 構成。在金屬層1 〇〇的另一方側設有低熔點側的金屬層 1 5 0，該低熔點側的金屬層1 5 0是由形成引線框架2側的 第二連接層的連接層220之具有260 °C以上，400 °C以下的 熔點，且熔點比形成金屬層1 40的高熔點無鉛還要低熔點 的無鉛焊錫所構成。 使用該構成的複合箔7c來金屬接合構成功率半導體 元件1 a的半導體元件1與構成引線框架2的基板，製造 -50- (47) 1284375 構成圖4所示的功率半導體裝置8a之半導體裝置8。以下 說明該製程。圖14(a)〜（g)是表示製造方法的詳細製 程。 亦即，如圖14(a) ， （b)所示，在安裝機（ mounter) 300保持複合箔7c的高熔點側的金屬層140, 將低熔點側的金屬層1 50供給至被加熱器加熱的引線框架 2上。此刻，如圖14 ( c )所示，在僅複合箔7 c的低熔點 側的金屬層1 5 〇溶融的溫度下加壓複合箔7 c，進行洗滌， 使密著於引線框架2的同時.，進行空隙排出，供給。 然後，如圖14 ( d )所示，加熱至複合箔7 c的高熔點 側的金屬層140溶融的溫度爲止，以安裝機310來將背面 金屬噴鍍爲Ti/Ni/Au的功率半導體元件la之半導體元件 1供給至金屬層140上。此刻，如圖14 ( e)所示，藉由 加壓，洗滌後供給功率半導體元件1 a，可確保連接部的沾 錫，同時進行空隙排出。 藉由如此高熔點化的金屬接合部7來予以晶粒安裝連 接的功率半導體元件1 a，之後，如圖14 ( f)所示，是利 用Au金屬線4來接合形成於功率半導體元件1 a的上表面 之電極與引線5 °又’如圖14 ( g )所示’使用環氧系樹 脂6來密封功率半導體元件1 a ’引線框架2，金屬接合部 7，金屬線4’藉此製造一構成功率半導體裝置8a的半導 體裝置8 ° 在該構成的半導體裝置8中，改變各種構成複合箔7〇 的金屬層100 ’ 140 ’ 150的組成，檢證有關本實施形態的 -51 - (48) 1284375 構成的有效性。將檢證的結果顯示於表2的實施例20〜23 〇 有關使用記載於表2的實施例20〜23的條件所構成 的複合箔7c來以上述説明的製程所製作的功率半導體封 裝體，是以- 55°C (30min·) /150°C (30min.)的條件，依 各實施例，利用20個封裝體來進行500週期的溫度週期 試驗。晶片裂縫的發生狀況，如表2所示，在實施例20〜 23的全體，未發生晶片裂縫。 若觀察金屬接合部7的接合剖面，則當擔負熱應力的 緩衝之金屬層100爲實施例20，22，23的A1時，從A1 端部，以未滿連接部的5%，發生A1内裂縫。另一方面， 當金屬層爲具有Si與Cu的中間熱膨脹率的實施例21的 Cu/Invar合金/ Cu時，若觀察連接剖面，則在Si，金屬化 合物内及Cu/Invar合金/Cu内皆未發生裂縫。溫度週期的 熱應力會藉由A1及Cu/Invar合金/Cu的金屬層100來緩 衝，其結果，可防止晶片裂縫的發生。 雖於表2中未記載，但本發明者結合使構成複合箔7c 的金屬層1〇〇，140，150呈各種變化而試驗後的結果與表 2的實施例20〜23所示的結果得知，以具有260°C以上 400°C以下的熔點之Au-Sn系合金，Au-Ge系合金，Au-Si 系合金，Zn-Al系合金’ Zn-Al_Ge系合金，Bi，Bi-Ag系 合金，Bi-Cu系合金，Bi-Ag-Cu系合金等的無鉛焊錫層來 構成具有作爲應力緩衝層的機能之金屬層100的半導體元 件側所形成的第一連接層的連接層2 1 0，以及由具有熔點 52- (49) 1284375 比連接層210更低之260°C以上400°C以下的熔點之無鉛焊 錫層來構成具有作爲應力緩衝層的機能之金屬層1〇〇的引 線框架側所形成的第二連接層的連接層220，藉此而能夠 利用無鉛焊，在不使晶片裂縫發生情況下，進行一可確保 充分的連接可靠度之晶粒安裝連接。 又，使用本實施形態所説明的複合箔7c之晶粒安裝 連接的有效性，亦有效適用於圖1 1所示之小舌片型構造 的功率半導體裝置8b等的半導體裝置8。 (實施形態7 ) 本實施形態7所説明的構成是與上述實施形態6同樣 ，如圖1 5 ( a )所示，在接合功率半導體元件1 a與基板的 引線框架2之金屬接合部7，夾著具有應力緩衝機能的金 屬層100，形成相異的第一、第二連接層的連接層23 0， 240。本實施形態所説明的構成是與上述實施形態6同樣 ，例如可適用於圖4，1 1所示具有各構成的功率半導體裝 置 8a ， 8b 。 該金屬接合部7是使用圖15(b)所示構成的複合箔 7d來形成。複合箔7d，如圖15 ( b )所示，在具有應力緩 衝層機能的金屬層1 〇〇與半導體元件1連接的一側設置金 屬層160，該金屬層160是由具有260 °C以上，400 °C以下 的熔點的無鉛焊錫層所構成，在與引線框架2連接的一側 設置金屬層170，該金屬層170是由金屬及形成金屬間化 合物之具有260 °C以下的熔點的無鉛焊錫所構成。 -53- (50) 1284375 本實施形態所適用的半導體裝置8，例如被構成圖4 所示那樣的功率半導體裝置8a。亦即，功率半導體裝置 8a是功率半導體元件la的半導體元件1會經由金屬接合 部7來晶粒安裝連接於引線框架2上。金屬接合部7是在 引線框架2的晶片焊墊上，載置圖1 5 ( b )所示之接合部 形成用的複合箔7d，且於複合箔7d上載置功率半導體裝 置8a的狀態下加熱形成。 例如，與功率半導體元件1 a的矽（Si )側的複合箔 7a接觸的背面是被金屬噴鍍Ti/Ni/Au，而確保其沾錫性。 並且，引線框架2是例如以熱傳導率良好的銅（Cu )系材 料來形成。該構成的功率半導體元件1 a與引線框架2是 以金屬接合部7來接合，該金屬接合部7是使介在的複合 箔7a在晶粒安裝時加熱至所定溫度後溶融固化而形成者 〇 在本實施形態中，可如以下那樣製造上述構成的功率 半導體裝置8a。亦即，如圖14 ( a) ，（ b )所示，在安 裝機3 00保持複合箔的金屬層160側，將金屬層170側供 給至被加熱器加熱的引線框架2上。此刻，如圖1 4 ( c ) 所示，在僅複合箔的低熔點側的金屬層1 70溶融的溫度下 供給複合箔，藉此來進行加壓，洗滌，使密著於引線框架 2的同時，進行空隙排出。 另外，在圖14中，有關複合箔7d的構成是括號顯示 金屬層160等，而使不與複合箔7c的構成混淆。 然後，加熱至複合箔7d的高熔點的金屬層1 60側溶 -54- (51) 1284375 融的溫度爲止，如圖14 ( d )所示，以安裝機3 1 0來供給 背面金屬噴鑛爲Ti/Ni/Au的半導體兀件1。此刻》如圖14 (e )所示，藉由加壓，洗滌後供給功率半導體元件1 a， 可確保連接部的沾錫，同時進行空隙排出。晶粒安裝後， 以3 5 0°C保持lOmin.藉此使260°C以下的熔點之金屬與 2 6 0 °C以上的熔點之金屬反應，而將連接層予以金屬間化 合物化，形成高熔點化。 藉由如此被高熔點化的金屬接合部7來晶粒安裝連接 的功率半導體元件1，是其後如圖1 4 ( f)所示，利用Au 金屬線4來接合形成於功率半導體元件1的上表面的電極 與引線5。又，圖14 ( g )所示，利用環氧系樹脂6來密 封功率半導體元件1 a，引線框架2，金屬接合部7，金屬 線4。藉由以上的製程來製造功率半導體裝置8。 有關如此製作後的功率半導體封裝體，如表2的實施 例 24，25 所示，是以- 55°C (30min.) /150°C (30min.)來 針對各條件20個的封裝體進行500週期的溫度週期試驗 。此刻的晶片裂縫發生狀況，如表2所示，在實施例24， 25的全體中未發生晶片裂縫。 若觀察連接剖面，則可了解在Si，金屬化合物内及 Cu/Invar合金/Cu内皆未發生裂縫，可藉由Cu/Invar合金 /Cu的金屬層來緩衝溫度週期的熱應力，金屬接合部7具 有充分的連接可靠度。 雖於表2中未記載，但本發明者結合使構成複合箔7d 的金屬層100，160，170呈各種變化而試驗後的結果與表 -55- (52) 1284375 2的實施例2 4，2 5所示的結果得知，以具有2 6 0 °C以上 400°C以下的熔點之Au-Sn系合金，Au-Ge系合金，Au-Si 系合金，Zn-Al系合金，Zn-Al-Ge系合金，Bi，Bi-Ag系 合金，Bi-Cu系合金，Bi-Ag-Cu系合金等的無鉛焊錫層來 構成具有作爲應力緩衝層的機能之金屬層100的半導體元 件側所形成的第一連接層的連接層23 0，以及由具有 2 6 0°C 以下的熔點之 Sn，In，Sn-Ag 系，Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag 系，In· Cu系，Bi-Sn系及Bi-In系等的無鉛焊錫的其中之一個與 Cu，Ag，Ni，Au的其中至少一個金屬在晶粒安裝連接時 反應而形成之具有260°C以上的熔點的金屬間化合物層來 構成作爲應力緩衝層的機能之金屬層1〇〇的引線框架側所 形成的第二連接層的連接層240，藉此而能夠利用無鉛焊 ，在不使晶片裂縫發生情況下，進行一可確保充分的連接 可靠度之晶粒安裝連接。 又，使用本實施形態所説明的複合箔7d之晶粒安裝 連接的有效性，亦有效適用於圖1 1所示之小舌片型構造 的功率半導體裝置8b等的半導體裝置8。 (實施形態8 ) 本實施形態8所説明的構成是與上述實施形態6同樣 ，如圖1 6 ( a )所示，在接合功率半導體元件1 a與基板的 引線框架2之金屬接合部7，夾著具有應力緩衝機能的金 屬層100，形成相異的第一、第二連接層的連接層250， -56- (53) 1284375 260。本實施形態所説明的構成是與上述實施形態6同樣 ，例如可適用於圖4，11所示具有各構成的功率半導體裝 置 8a，8 b 〇

該金屬接合部7是使用圖16(b)所示構成的複合箔 7e來形成。複合箔7e，如圖16 ( b)所示，在具有應力緩 衝層機能的金屬層1〇〇與半導體元件連接的一側設置金屬 層180，該金屬層180是由具有260°C以下的熔點的無鉛 焊錫及具有260°C以上的熔點的金屬所構成，在與引線框 架連接的一側設置金屬層190，該金屬層190是由比構成 金屬層180的無鉛焊錫更低熔點的無鉛焊錫及具有260°C 以上的熔點的金屬所構成。 金屬層180，如圖16(b)所示，是在金屬層100的 上面設置具有260°C以上的熔點之金屬層180a，在該金屬 層180a上更積層由具有260°C以下的熔點的無鉛焊錫所構 成的金屬層180b。金屬層190，亦如圖16 ( b )所示，在 金屬層100的上面設置具有26〇°C以上的熔點的金屬層 190 a，在金屬層190a上更積層由具有260 °C以下的熔點且 比構成金屬層1 8 Ob的無鉛焊錫更低熔點的無鉛焊錫所構 成的金屬層1 90b。 圖16(b)所示的構成是顯示金屬層180爲由金屬層 180a，180b所積層，金屬層190爲由金屬層i9〇a，190b 所積層的構造時，該構成是爲了使用複合箔7e來晶粒安 裝連接時，金屬層180a與180b，金屬層190a與190b會 分別反應，而使各形成260°C以上的高熔點的金屬間化合 -57- (54) 1284375 物。

該複合箔7e的構成例，例如表2的實施例26，27所 示。亦即，實施例26所示的情況，金屬層180a爲使用 Cu，金屬層18 0b爲使用Sn，金屬層1〇〇爲使用A卜金屬 層190a爲使用Cu，金屬層19 0b爲使用In-4 8 Sn，構成複 合箔7e。金屬層180a與金屬層180b加起來層厚爲ΙΟμιη ，金屬層100的層厚爲1〇〇μ，金屬層190a與金屬層190b 加起來層厚爲ΙΟμπι。 同樣的，實施例27所示的情況，金屬層180a爲使用 Ag，金屬層180b爲使用Sn，金屬層100爲使用A1，金屬 層190a爲使用Ag，金屬層190b爲使用Sn-9Zn，構成複 合箔7e。金屬層180a與金屬層18 0b加起來層厚爲20 μπι ，金屬層 100的層厚爲 ΙΟΟμπι，金屬層 190a與金屬層 190b加起來層厚爲20μπι。 又，金屬層1〇〇中構成有與金屬層180a，190a實質 上相同作用的金屬組成部時，雖未圖示，但外觀上有時是 在金屬層1〇〇上只設金屬層18 0b，19 0b，然後構成金屬層 180， 190° 該構成例是分別顯示於表2的實施例2 8〜3 0。亦即’ 實施例28的情況是金屬層180b爲使用Sn，金屬層100 爲使用Cu/Inver/Cu，金屬層190b爲使用In-48Sn’構成 複合箔7e。金屬層18 0b的層厚會被設定成10μιη，金屬層 100的層厚會被設定成1〇〇μπι，金屬層19 0b的層厚會被設 定ΙΟμπι，構成金屬層100的Cu/Inver/Cu的Cxi會擔負起 -58- (55) 1284375 圖16(b)所示之金屬層180a，19 0a的任務。 同樣的，實施例29的情況是金屬層1 80b爲使用Sn· 3.5Ag，金屬層100爲使用Cu/Inver/Cu，金屬層190b爲 使用In-48Sh，構成複合箔金屬層180b的層厚會被設 定成ΙΟμπι，金屬層1〇〇的層厚會被設定成l〇〇Km，金屬 層190b的層厚會被設定成ι〇μιη，構成金屬層1〇〇的

Cu/Inver/Cu的Cu會擔負起圖16(b)所不之金屬層180a ，1 9 0 a的任務。 實施例30的情況是金屬層180b爲使用Sn ’金屬層 1〇〇爲使用Cu/Inver/Cu，金屬層190b爲使用Sn-9Zn’構 成複合箔7e。金屬層18 0b的層厚會被設定成10 μηι，金屬 層100的層厚會被設定成ΙΟΟμηι，金屬層190b的層厚會 被設定成ΙΟμπι，構成金屬層100的Cu/Inver/Cu的Cu會 擔負起圖16(b)所示之金屬層180a，190a的任務。 本實施形態所適用的半導體裝置8，例如被構成圖4 所示那樣的功率半導體裝置8 a。亦即，功率半導體裝置 8a是功率半導體元件la的半導體元件1會經由金屬接合 部7來晶粒安裝連接於引線框架2上。金屬接合部7是在 引線框架2的晶片焊墊上，載置圖16 ( b )所示之接合部 形成用的複合箔7e，且於複合箔7e上載置功率半導體裝 置8 a的狀態下加熱形成。 例如，與功率半導體元件la的矽（si )側的複合箔 7a接觸的背面是被金屬噴鍍Ti/Ni/Au，而確保其沾錫性。 並且，引線框架2是例如以熱傳導率良好的銅（Cll )系材 -59- (56) I284375 料來形成。該構成的功率半導體元件1 a與引線框架2是 以金屬接合部7來接合，該金屬接合部7是使介在的複合 箔7a在晶粒安裝時加熱至所定溫度後溶融固化而形成者 〇 在本實施形態中，可如以下那樣製造上述構成的功率 半導體裝置8a。亦即，如圖14 ( a) ，（ b)所示，在安 裝機3 00保持複合箔的金屬層180側，將金屬層190側供 > 給至被加熱器加熱的引線框架2上。此刻，如圖14 ( c ) 所示，在僅複合箔的低熔點側的金屬層190溶融的溫度下 供給複合箔，藉此來進行加壓，洗滌，使密著於引線框架 2的同時，進行空隙排出。 另外，在圖14中，有關複合箔7e的構成是複合箔7d 的情況同樣，括號顯示金屬層1 80等的符號，而使不與複 合箔7c的構成混淆。 然後，加熱至複合箔的高熔點的金屬層1 80側溶融的 > 溫度爲止，如圖1 4 ( d )所示，以安裝機3 1 0來供給背面 金屬噴鍍爲Ti/Ni/Au的半導體元件1。此刻，如圖14 ( e )所示，藉由加壓，洗滌後供給功率半導體元件1 a，可確 保連接部的沾錫，同時進行空隙排出。晶粒安裝後，以 3 50°C保持l〇min.藉此使260°C以下的熔點之金屬與260°C 以上的熔點之金屬反應，而將連接層予以金屬間化合物化 ，形成高熔點化。 藉由如此被高熔點化的金屬接合部7來晶粒安裝連接 的功率半導體元件1，是其後如圖14 ( f)所示，利用Au -60- (57) 1284375 金屬線4來接合形成於功率半導體元件1的上表面的電極 與引線5。又，圖14 ( g )所示，利用環氧系樹脂6來密 封功率半導體元件1 a，引線框架2，金屬接合部7，金屬 線4。藉由以上的製程來製造功率半導體裝置8。 有關如此製作後的功率半導體封裝體，如表2的實施 例2 6〜30所示，是以-55°(：(3〇111丨11.)/150°(：(3〇11^11.)來 針對各條件20個的封裝體進行500週期的溫度週期試驗 。此刻的晶片裂縫發生狀況，如表2所示，在實施例 2 6〜30的全體中未發生晶片裂縫。 若觀察連接剖面，則可了解從A1端部，以未滿連接 部的5%發生A1内裂縫，藉由A1的金屬層來緩衝溫度週 期的熱應力，金屬接合部7具有充分的連接可靠度。 雖於表2中未記載，但本發明者結合使構成複合箱7e 的金屬層 100，1 8 0 ( 180a，180b) ，190 ( 190a，190b) 呈各種變化而試驗後的結果與表2的實施例29〜30所示的 結果得知，以具有260°C以下的熔點之Sn，In，Sn-Ag系 ，Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag系，In-Cu系，Bi-Sn系及B-In系等的無給焊 錫的其中之一個與Cu，Ag，Ni，Au的其中至少一個金屬 在晶粒安裝連接時反應而形成之具有260°C以上的熔點的 金屬間化合物層來構成具有作爲應力緩衝層的機能之金屬 層1〇〇的半導體元件側所形成的第一連接層的連接層250 ，以及由熔點比形成連接層250的無鉛焊錫更低之Sn，In ，Sn-Ag 系，Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn- -61 - (58) 1284375

Bi 系，Sn-In 系，In-Ag 系，InqCu 系，Bi-Sn 系及 Bi-In 系等的無鉛焊錫的其中之一個與Cu，Ag，Ni，Au的其中 至少一個金屬在晶粒安裝連接時反應而形成之具有260°C 以上的熔點的金屬間化合物層來構成作爲應力緩衝層的機 能之金屬層1 〇〇的引線框架側所形成的第二連接層的連接 層260，藉此而能夠利用無鉛焊，在不使晶片裂縫發生情 況下，進行一可確保充分的連接可靠度之晶粒安裝連接。 又，圖16 ( b)所示構成的複合箔7e，對於表2的實 施例3 1，3 2所記載的構成亦有效。就實施例3 1的構成例 而言，金屬層180a爲使用Cu，金屬層180b爲使用Aii-20Sn，金屬層100爲使用A1，金屬層190a爲使用Cu，金 屬層190b爲使用Sn。金屬層180a，180b加起來的層厚會 被設定成20μ，金屬層100的層厚會被設定成ΙΟΟμπι，金 屬層1 9〇a，1 90b加起來的層厚會被設定成20μπι。 就實施例32的構成例而言，金屬層180a爲使用Cu ，金屬層180b爲使用Bi，金屬層100爲使用A1，金屬層 190a爲使用Cu，金屬層19 0b爲使用Sn。金屬層180a， 180b加起來的層厚會被設定成ΙΟμπι，金屬層100的層厚 會被設定成ΙΟΟμιη，金屬層190a，190b加起來的層厚會 被設定成1 〇μιη。 又，使用本實施形態所説明的複合箔7c之晶粒安裝 連接的有效性，亦有效適用於圖1 1所示之小舌片型構造 的功率半導體裝置8b等的半導體裝置8。 -62- (59) 1284375 (實施形態9) 在上述實施形態1〜8中，是說明有關可藉由應力緩 衝層的設置來進行不會使晶片裂縫發生的金屬接合，但本 發明者檢討了該金屬接合時所使用的複合箔7a等的使用 時之製造上的留意點。在實施上述實施形態1〜8所示的 構成時，如上述説明，可例如使用表2所例示的複合箔來 進行。但，有關使用該複合箔的金屬接合方面是在本發明 中初次提案者，這與以往構成在製造現場實際所見的累積 經驗有所不同，因此檢討實際製造現場的留意點，對於實 際適用本發明上是極重要的。 本發明者爲了確保高度的連接可靠度，而檢視本案發 明，特別是針對使用複合箔時的連接可靠度的影響因素進 行檢討。其結果，可知在晶粒安裝時供給複合箔時的洗滌 有無會對連接可靠度造成莫大的影響。 在表3中，有關使用複合箔來進行晶粒安裝時的金屬 接合時，造成連接後的連接不良之有無洗滌的影響方面， 爲顯示表2的實施例10，28時。 【表3】 -63- (60) 1284375

No. 晶粒安裝連接部的構成 複合箔供給時 加壓•洗滌 半導體素子供給時 加壓•洗滌 接續 溫度 接續不良 發生數 1 Sn/(Cu/Inver/Cu)/Sn= 10/i m/100/i m/10/i m 無 無 400°C 10/20 2 // 無 有 400°C 3/20 3 // 有 有 400°C 0/20 4 Sn/(Cu/Inver/Cu)/In-48Sn= 10/im/100/^m/10//m 有 有 400°C 0/20

在使用複合箔之半導體封裝體的製造中，首先，將複 合箔供給至引線框架上，而進行引線框架與複合箔的接合 ，然後，在接合於引線框架的複合箔上供給半導體元件， 進行複合箔與半導體元件的接合。在該程序中，可在引線 框架上供給複合箔時或在接合於引線框架上的複合范上供 給半導體元件時進行洗滌。本發明者是針對該各個情況有 無洗滌時的影響進行檢討。 在表3中，顯示將複合箔供給至引線框架上時的加壓 •洗滌（表中顯示複合箔供給時加壓·洗滌），及在接合於 引線框架上的複合箔上供給半導體元件時的加壓·洗滌（ 表中半導體元件供給時加壓·洗滌）的有無。 在表3中，針對表2之實施例1 0，2 8的兩情況來顯 示連接後的連接不良發生數。在此，將藉由超音波探測所 觀察後的空隙及未沾錫部之未連接部的比例爲形成連接面 積的20%以上時定義爲連接不良。 -64- (61) 1284375 在具有未使晶片裂縫發生的良好構成的金屬接合之實 施例1 〇的構成的半導體封裝體中，在供給複合箔及半導 體元件時未進行加壓·洗滌時（表中，No.1)，有半數的 樣品發生連接不良。但，只在半導體元件供給時進行加壓 •洗滌時，如表3的No.2所示，連接不良會大幅度地低減 。但，還是會有部份的樣品被確認出發生連接不良。因此 ，若在複合箔及半導體元件的供給時同時進行加壓·洗滌 (表中，No.3 )，則會被確認出未發生連接不良。 如上述實施形態1〜5所示，在使用複合箔（在具有 應力緩衝機能的金屬層的兩側設置相同構成的金屬層）的 晶粒安裝中，最好是在複合箔供給時或半導體元件供給時 的其中之一至少進行加壓·洗滌，更理想是在複合箔供給 時及半導體元件供給時雙方進行加壓洗滌。 有關該結果，如上述實施形態6〜8所示，亦適用於 使用複合箔（在具有應力緩衝機能的金屬層的兩側設置相 異構成的金屬層）來進行晶粒安裝連接時。在表3中，該 例爲對應於表2的實施例28的構成中，在複合箔供給時 及半導體元件供給時雙方進行加壓洗滌時的不良發生數。 在完全不進行加壓·洗滌時與在複合箔供給時或半導體元 件供給時的其中之一進行加壓洗滌時相較之下，不良發生 數會低減。 由以上所述可確認出’在複合箔表背面的第一、第二 連接層的連接層設置溫度階層’而於複合箔供給及半導體 元件供給時進行加壓，洗滌，可使連接性及空隙排出性提 -65- (62) 1284375 升。 以上，雖是根據實施形態來具體説 的發明，但本發明並非限於上述實施形 主旨範圍，當然亦可實施各種變更。 亦即，在上述説明中，有關本發明 一功率半導體裝置的晶粒安裝連接爲例 能適用的半導體裝置並非須限於功率半 用於功率半導體裝置以外者，只要是使 導體裝置。例如，交流發電機用二極體 模組等的射頻前端模組（FRONT-END 用功率模組等。 又，上述説明中，雖是舉一在基板 半導體裝置的半導體封裝體時爲例來進 甩於 MCM ( Multi Chip Module)構成時 在上述説明中，雖是在金屬層100 接材側設置低熔點的金屬層120之方式 下的低熔點的金屬所構成的金屬層120 的高熔點的金屬所構成的金屬層1 1 0， 與被連接側的沾錫性的範圍，設置一層 下的低熔點的金屬與26(TC以上的高熔丨 金屬層。例如，使格子狀套入，或使低 熔點金屬的列互異並行設置等。只要在 沾錫性的狀態下，能夠形成加熱下兩者 的高熔點的連接層200即可。 明本發明者所硏發 態，只要不脫離其 的適用者，雖是舉 來進行説明，但所 導體裝置，亦可適 晶粒安裝連接的半 ，IGBT 基板，RF MODULE)，汽車 反流安裝使用功率 行説明，但例如使 當亦可適用。 上，以能夠在被連 來積層由260°C以 ，及由260°C以上 但亦可在能夠確保 互相混合260°C以 貼的金屬的構成之 熔點金屬的列與高 確保與被連接側的 反應之260°C以上 - 66- (63) (63)1284375 [產業上的利用可能性] 本發明可有效使用於以功率半導體裝置爲代表的半導 體裝置的晶粒安裝連接。 【圖式簡單說明】 圖1是表示以往的功率半導體裝置的構成模式剖面圖 〇 圖2是表示再溶融後的焊錫所產生的隆起發生的狀況 説明圖。 圖3是表示可作爲應力緩衝層使用的各種材料的縱彈 性係數與降伏應力。 圖4是表示有關本實施形態的功率半導體裝置的模式 剖面圖。 圖5 ( a )是表示複合箔的構成模式剖面圖，圖（b ) 是表示金屬接合的狀況模式剖面圖。 圖6是表示使用於供以決定連接層的全化合物化所必 要的溫度、保持時間的實驗之功率半導體裝置的構成模式 立體圖。 圖7是表示使用Sn-3Ag-0.5Cu以3 50°C來連接Si與 Cu之連接部的剖面照片的一例，圖（a ) ，（ b ) ，（ c ) 是表示各保持時間爲1分，5分，10分時。 圖8是表示複合箔的變形例的模式剖面圖。 圖9是表示實施例11的溫度週期後的連接部的狀況 -67- 1284375 (64) 的剖面照片之一例。 圖1 〇是表示實施例1 4的溫度週期後的連接部的狀況 的剖面照片之一例。 圖11 (a)是表示有關本實施形態的功率半導體裝置 的變形例的模式剖面圖，圖（b )是由上來看功率半導體 元件的連接狀況的平面圖。 圖1 2是表示有晶片裂縫的狀況的剖面照片之一例。 圖1 3 ( a )是表示金屬接合的變形例的狀況模式剖面 圖，圖（b)是表示使用於圖（a)所示的金屬接合的形成 之複合箔的變形例的狀況構成模式剖面圖。 圖14(a)〜（g)是表示藉由使用複合箔的金屬接合 來晶粒安裝而製造半導體裝置時的程序模式説明圖。 圖1 5 ( a )是表示金屬接合的變形例的狀況模式剖面 圖，圖（b)是使用於圖（a)所示的金屬接合的形成之複 合箔的變形例的狀況構成模式剖面圖。 圖1 6 ( a )是表示金屬接合的變形例的狀況模式剖面 圖’圖（b)是表示使用於圖（a)所示的金屬接合的形成 之複合箔的變形例的狀況構成模式剖面圖。 【主要元件符號說明】 1···半導體元件 la···功率半導體元件 2...引線框架 3…焊錫 -68- (65) (65)1284375 4 ...金屬線 5…引線 6.. .環氧系樹脂 7 ...金屬接合部 7 a...複合箱 7b...複合箔 7c...複合箔 7d...複合箔 7e...複合箔 8.. .半導體裝置 8a...功率半導體裝置 8b...功率半導體裝置 9…汲極 1 0 ...小舌片 100…金屬層 110.. .金屬層 120.. .金屬層 130.. .金屬層 1 40…金屬層 150…金屬層 1 6 0 ...金屬層 170…金屬層 180.. .金屬層 180a...金屬層 -69 (66) 1284375 1 80b···金屬層 190.. .金屬層 190a···金屬層 190b.··金屬層 200.. .連接層

210.. .金屬層 220…金屬層 23 0...金屬層 240.. .連接層 250…金屬層 260·..金屬層

Claims (1)

1. (1) (1)1284375 十、申請專利範圍 1 · 一種半導體裝置，係半導體元件在引線框架上藉 由金屬接合來晶粒安裝連接者，其特徵爲： 上述金屬接合具有： 應力緩衝層，其係緩衝上述引線框架與上述半導體元 件的熱膨脹率差所產生的熱應力； 第一連接層，其係形成於上述應力緩衝層的上述半導 體元件側，連接上述應力緩衝層與上述半導體元件；及 第二連接層，其係形成於上述應力緩衝層的上述引線 框架側，連接上述應力緩衝層與上述引線框架。 2 ·如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中上述 第一、第二連接層爲顯示260 °c以上的熔點的金屬層或金 屬間化合物層， 上述應力緩衝層係具有上述半導體元件的熱膨脹率係 數與上述引線框架的熱膨脹率係數之間的熱膨脹率係數之 金屬層。 3 ·如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中上述 第一、第二連接層係顯示260t以上的熔點的金屬層或金 屬間化合物層， 上述應力緩衝層係具有未滿lOOMpa的降伏應力之金 屬層。 4·如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中形成 於上述應力緩衝層的上述半導體元件側的第一連接層係具 有2 60°C以上400°C以下的熔點之Au-Sn系合金，Au-Ge系 -71 - (2) (2)1284375 合金，Au-Si系合金，Zn-Al系合金，Zn-Al-Ge系合金， Bi’ Bi-Ag系合金’ Bi-Cu系合金，Bi-Ag-Cu系合金等的 無鉛焊錫層， 形成於上述應力緩衝層的上述引線框架側的第二連接 層係由具有比形成於上述應力緩衝層的上述半導體元件側 的第一連接層的熔點低之260°C以上400°C以下的熔點之無 鉛焊錫層所構成。 5 ·如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中形成 於上述應力緩衝層的上述半導體元件側的第一連接層係具 有2 60°C以上400°C以下的熔點之Au-Sn系合金，Au-Ge系 合金，Au-Si系合金，Zn-Al系合金，Zn-Al-Ge系合金， Bi，Bi-Ag系合金，Bi-Cu系合金，Bi-Ag-Cu系合金等的 無鉛焊錫層， 形成於上述應力緩衝層的上述引線框架側的第二連接 層係由具有260°C以下的熔點之Sn，In，Sn_Ag系，Sn-Cu 系，Sn_Ag-Cu 系，Sn_Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn_In 系，In-Ag系，In-Cii系，Bi-Sn系及Bi-In系等的無鉛焊錫的其 中之1個，與（^，入§，>^，八11的其中至少1個金屬在晶 粒安裝連接時反應而形成之具有260°C以上的熔點之金屬 間化合物層所構成。 6 ·如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中形成 於上述應力緩衝層的上述半導體元件側的第一連接層係具 有260°C以下的熔點之Sn，In，Sn-Ag系，Sn-Cu系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，in_Ag 系， -72- (3) (3)1284375 In-Cu系，Bi-Sn系及Bi-In系等的無鉛焊錫的其中之1個 ，與Cu，Ag，Ni，Au的其中至少1個金屬在晶粒安裝連 接時反應而形成之具有260°C以上的熔點之金屬間化合物 層， 形成於上述應力緩衝層的上述引線框架側的第二連接 層係由比形成上述應力緩衝層的上述半導體元件側所形成 的第一連接層之無鉛焊錫更低熔點的Sn，In，Sn-Ag系， Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag系，In-Cu系，Bi-Sn系及Bi-In系等的無給焊 錫的其中之1個，與Cu，Ag，Ni，Au的其中至少1個金 屬在晶粒安裝連接時反應而形成之具有2 6 0 °C以上的熔點 之金屬間化合物層所構成。 7 · —種半導體裝置，係半導體元件在引線框架上藉 由金屬接合來晶粒安裝連接者，其特徵爲： 上述金屬接合具有： 未反應的筒溶點金屬，其係於晶粒安裝接合時未反應 •，及 金屬間化合物’其係藉由分別接合上述高熔點金屬與 上述半導體元件，上述高熔點金屬與上述引線框架之接合 時的反應來形成。 8. —種半導體裝置，係具有半導體元件，及與上述 半導體元件連接的基板者，其特徵爲： 上述半導體元件與上述基板係經由具有金屬的金屬含 有層，及比上述金屬含有層更薄且具有上述金屬含有層中 -73- (4) (4)1284375 所含有的金屬成份的金屬間化合物層來連接’ 上述半導體元件與上述基板的連接，即使在上述半導 體裝置的耐熱溫度也不會溶融。 9. 一種半導體裝置，係具有半導體元件，及經由連 接部來與上述半導體元件連接的引線框架者，其特徵爲： 上述連接部具有：含有金屬的金屬含有層，及比上述 金屬含有層更薄且具有上述金屬含有層中所含有的金屬成 份的金屬間化合物， 上述連接部在上述半導體裝置的耐熱溫度不會溶融。 10·—種半導體裝置，係於引線框架上晶粒安裝連接 半導體元件後，進行打線接合，樹脂模製者，其特徵爲： 晶粒安裝連接部係從半導體元件側，由具有26(TC以 上的熔點的金屬間化合物層，具有26(TC以上的熔點的金 屬層，具有260 °C以上的熔點的金屬間化合物層所構成。 1 1 ·如申請專利範圍第1 0項之半導體裝置，其中上 述金屬間化合物層爲Sn，In，Sn-Ag系，Sn-Cu系，Sn-Ag-Cii 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn-In 系，In-Ag 系， In-Cu系，Bi-Sn系及Bi-In系的無鉛焊錫的其中至少1個 ，與Cu，Ag，Ni，Au的其中至少1個金屬在晶粒安裝連 接時反應而形成者。 1 2 · —種半導體裝置，係於引線框架上晶粒安裝連接 半導體元件後’進行打線接合，樹脂模製者，其特徵爲： 晶粒安裝連接部係從半導體元件側，由具有2 6 0 °C以 上400°C以下的熔點的無鉛焊錫層，具有26〇〇c以上的熔點 -74- (5) 1284375 的金屬層，具有26〇°C以上400°c以下的俭郎 W卜的俗點的無鉛焊錫層 所構成。 13.如申請專利範圍第12項之半導體裝置，其中具 有上述26(TC以上40(TC以下的熔點的無鉛焊錫層爲Au-Sn 系合金’ Au-Ge系合金，Au_Si系合金，Ζη-Α1系合金， Zn-Al-Ge系合金，Bi，Bi-Ag系合金，Bi-Cu系合金，Bi_ Ag-Cu系合金的其中之一所構成。 Φ 1 4 ·如申請專利範圍第1 〇〜1 3項的任一項所記載之 半導體裝置’其中具有上述260 °c以上的熔點的金屬層爲 Al，Mg，Ag，Zn，Cu，Ni的其中任一種所構成。 1 5 ·如申請專利範圍第1 0〜1 3項的任一項所記載之 半導體裝置，其中具有上述260 °C以上的熔點的金屬層爲 Cu/Invar合金/Cu複合材，Cu/Cu20複合材，Cu-Mo合金 ，Ti，Mo，W的其中任一種所構成。 1 6 · —種半導體裝置的製造方法，係於引線框架上藉 • 由金屬接合來晶粒安裝連接半導體元件者，其特徵爲： 在具有260°C以上的熔點的金屬層的上述半導體元件 側及上述引線框架側，使設一具有藉由反應來形成26〇°C 以上的熔點的金屬間化合物之熔點爲260 °C以下的金屬與 • 熔點爲260°C以上的金屬之層的複合箔，介在於上述半導 體元件與上述引線框架之間的狀態下，藉由加熱上述複合 箔來形成上述金屬接合。 17·如申請專利範圍第16項之半導體裝置的製造方 法，其中具有上述260°C以上的熔點的金屬層係由A1，Mg -75- 1284375 ⑹ ，Ag，Zn，Cu，Ni的其中任一種所形成’ 所謂藉由反應來形成260 °C以上的熔點的金屬間化 物之上述熔點爲260°C以下的金屬係Sn，In，Sn-Ag系 Sn-Cu 系，Sn-Ag-Cu 系，Sn-Zn 系，Sn-Zn-Bi 系，Sn 系，In-Ag系，In-Cu系，Bi-Sn系，Bi-In系的無錯焊 的其中之一，

   合 -In 錫 合 的 所謂藉由反應來形成260°C以上的熔點的金屬間化 物之上述熔點爲260°C以上的金屬係Cu，Ag，Ni，Au 其中至少1個的金屬。 -76- 1284375 七、指定代表圖： (一） 、本案指定代表圖為：第（4 )圖 (二） 、本代表圖之元件代表符號簡單說明： 1...半導體元件 la...功率半導體元件 2. •引 線 框 架 4. •金 屬 線 5 · •引 線 6. .環 氧 系 樹 脂 7. •金 屬 接 合 部 8. •半 導 體 裝 置 8a...功率半導體裝置 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式：

   -4-