CN101905388A - 焊料合金和使用该焊料合金的半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明要解决的问题是提高锡(Sn)-锑(Sb)体系焊料合金的润湿性和焊接性能。使用焊料合金6将具有半导体芯片4的绝缘基片10上的导体图案3与散热板8相连接，所述焊料合金包含3-5重量％的锑(Sb)、不超过0.2重量％的锗(Ge)和余量的锡(Sn)。可用同类的焊料合金5将半导体芯片4和绝缘基片10上的半导体图案2连接。可用同类的焊料合金7将半导体芯片4和连线导体6连接。

Description

焊料合金和使用该焊料合金的半导体装置
本申请是2006年2月28日提交的申请号为200610051542.7、题为“焊料合金和使用该焊料合金的半导体装置”的申请的分案。
相关申请交叉引用
本发明是基于2005年5月20日提交的日本申请第2005-148730号，并要求该申请的优先权，该申请全文参考结合入本文。
技术领域
本发明涉及不含铅的焊料合金和使用该焊料合金的半导体装置，具体来说涉及锡(Sn)-锑(Sb)体系的焊料合金。
背景技术
焊料合金通常需要有足够的结合性能和耐腐蚀性。在用于功率变换器(power converter)用途的功率半导体装置中，用焊料合金将半导体芯片的背面与位于绝缘基片的主表面(前表面)的导体图案相连，所述绝缘基片是在其表面上具有导体图案的陶瓷基片。这种焊料合金需要有高的抗热疲劳强度，这是由于在焊接区域会产生很大的热应变(thermal strain)。半导体芯片的背面以平面焊接的方式与绝缘基片表面上的导体图案相连，半导体芯片的热膨胀系数与导体图案的热膨胀系数不同。另外，半导体芯片在导电期间会产生热量。因此焊接部分会经受很大的热应变。
在安装在功率变换器(在电动车辆中用于功率变换)中的功率半导体装置(power semiconductor device)中，位于绝缘基片的其它主表面(背面)的导体图案与金属制成的散热板相连。由于焊接区域非常宽，用于该接合处的焊料合金必须具有极好的润湿性。另外，在散热板和绝缘基片背面的导体图案之间的接合区域中，由于绝缘基片(陶瓷基片)和散热板的热膨胀系数不同，会产生很大的热应变。由于散热板和绝缘基片背面上的导体图案之间接合处的焊接区域很大，因此在焊接区域产生的应变要大于前述半导体芯片和绝缘基片前表面上的导体图案之间连接处所产生的应变。
近来，考虑到环境保护，需要有不含铅(Pb)的焊料合金。一种已知的这种的焊料合金是锡(Sn)-锑(Sb)合金。一种已知的焊料合金(例如见专利文献1)包含的主要组分是锡(Sn)，还包含不超过3.0重量％的锑(Sb)、不超过3.5重量％的银(Ag)、不超过0.1重量％的锗(Ge)，另外，还包含不超过1.0重量％的铜或不超过1.0重量％的镍、或同时包含这两种元素。另一种已知的焊料合金(例如见专利文献2)包含0.01-10重量％的锗(Ge)、5-30重量％的锑和65-90重量％的锡(Sn)。
[专利文献1]
日本未经审查专利申请公开第H11-58066号
[专利文献2]
日本未经审查专利申请公开第2003-94194号
锡(Sn)-锑(Sb)合金的转熔点是在锑为8.5重量％的位置，转熔温度为245℃，通常所用锡(Sn)-锑(Sb)合金的组成含有8重量％的锑。锡(Sn)-锑(Sb)合金在锡(Sn)的熔点232℃和转熔点245℃之间发生发生熔化。固-液共存区域很窄，耐热性良好，通过增加锑(Sb)的含量能够获得出众的机械性能。然而，高含量的锑(Sb)会在合金焊接时带来润湿性低的问题。锡(Sn)之类的焊料组分的氧化会带来另外的问题，即焊接性能变差。
发明内容
根据上述问题进行了本发明的研究。本发明的一个目的是提供一种具有极好润湿性和令人满意焊接性能的锡(Sn)-锑(Sb)体系焊料合金。本发明的另一个目的是提供使用具有极好润湿性和令人满意焊接性能的锡(Sn)-锑(Sb)体系焊料合金的半导体装置。
为了解决所述问题，达到这些目的，根据本发明权利要求1的焊料合金包含3-5重量％的锑、痕量的锗和余量的锡。
根据本发明权利要求2的焊料合金是根据本发明权利要求1的合金，其中锗的含量不超过0.2重量％。
根据本发明权利要求3的使用焊料合金的半导体装置包括：在其两个表面上都具有导体图案的绝缘基片，与所述绝缘基片前表面上的导体图案相连的半导体芯片，与绝缘基片背面上的导体图案相连的散热板。用焊料合金对绝缘基片背面上的导体图案和散热板进行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的锑、痕量的锗和余量的锡。
根据本发明权利要求4的使用焊料合金的半导体装置，是根据本发明权利要求3的半导体装置，其中用焊料合金对半导体芯片的背面和绝缘基片前表面上的导体图案进行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的锑、痕量的锗和余量的锡。
根据本发明权利要求5的使用焊接合金的半导体装置，是根据本发明权利要求3或权利要求4的半导体装置，其中用焊料合金对位于半导体芯片表面上的电极和用于接线的导体进行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的锑、痕量的锗和余量的锡。
根据本发明权利要求6的使用焊料合金的半导体装置，是根据本发明权利要求3-5中任一项的半导体装置，其中焊料合金中锗的含量不超过0.2重量％。
根据本发明权利要求7的使用焊接合金的半导体装置，是根据本发明权利要求3-5中任一项的半导体装置，其中所述绝缘基片是主要由氧化铝、氮化铝或氮化硅组成的陶瓷基片，在基片的两个表面上都具有铜图案，所述散热板由铜制成。
根据本发明权利要求1-7，在锡(Sn)中加入锑(Sb)，所得合金的耐热性和抗热疲劳强度都获得了提高。合金的熔化温度升高，耐热性提高。由于热应力导致的锡(Sn)晶粒粗化现象受到了抑制，改进了热老化性质。在这里，因为如果锑的含量小于3重量％，热老化寿命会非常短，因此加入的锑(Sb)的量优选至少为3重量％。如果锑(Sb)的含量超过5重量％，焊料的润湿性会变差。因此，加入的锑(Sb)的量优选不超过5重量％。
通过在锡(Sn)-锑(Sb)合金中加入痕量的锗(Ge)，当焊料熔化时会形成薄的氧化膜，从而抑制锡(Sn)之类焊料组分的氧化，提高焊接功效。此处加入的锗(Ge)的量优选至少为0.01重量％，以充分有效地抑制氧化。另一方面如果锗含量超过0.2重量％，锗(Ge)氧化膜会生长得过厚，对焊接性能造成负面影响。因此，加入的锗的量要适当，不超过0.2重量％。因此当锗的加入量为0.01-0.2重量％时，能够提供令人满意的焊接性能和极好的热老化性能。
根据本发明，制得具有极好润湿性和令人满意焊接性能的锡(Sn)-锑(Sb)合金。根据本发明，制得了一种使用具有极好润湿性和令人满意焊接性能的锡(Sn)-锑(Sb)合金的半导体装置。
接下来将参照附图对本发明的焊料合金以及使用该焊料合金的半导体装置的一些优选实施方式进行详细描述。
附图说明
图1是使用本发明焊料合金的半导体装置的例子的截面图。
符号说明
1        陶瓷基片
2，3     导体图案
4        半导体芯片
5，7，9  焊料合金
6        接线导体
8        散热板
10       绝缘基片
具体实施方式
在一电炉内熔化原料锡(Sn)、锑(Sb)和锗(Ge)制备焊料合金。各原料的纯度等于或高于99.99％。所用材料的组成为3-5重量％的锑、0.01-0.2重量％的锗，余量为主要组分锡(Sn)。
接下来，下面将描述一个使用上述焊料合金的半导体装置的例子。图1是说明该半导体装置结构的截面图。参见图1，绝缘基片10包括陶瓷基片1以及连接在该陶瓷基片两个面上的导体图案2和3。所述陶瓷基片主要由氧化铝、氮化铝或氮化硅组成。形成在陶瓷基片1前表面上的导体图案2是构成电路的金属导体图案。陶瓷基片1的背面上具有金属导体图案3。所述导体图案2和3优选由廉价且热导性高的铜组成。半导体芯片4的背面上具有金属膜形式的背面电极(图中未显示)。用具有前述组成的焊料合金5将这些背面电极与绝缘基片10的前表面上的导体图案相连。
在半导体芯片4的前表面上具有金属膜前表面电极(图中未显示)。用具有上述组成的焊料合金7将前表面电极与连线导体6相连。用具有上述组成的焊料合金9将绝缘基片10背面上的导体图案3与金属散热板8相连。所述散热板是导热体，能将热量传导到半导体外壳的外部散热片(图中未显示)。散热板优选由廉价而热导率高的铜制成。
在绝缘基片10背面上的导体图案3和散热板8之间的焊接区域中，会由于绝缘基片10的陶瓷基片1与散热板8之间热膨胀系数的不同而造成很大的热应变。特别是具有大的热膨胀系数的铜的热膨胀系数与陶瓷基片1显著不同。因此，在绝缘基片10背面上的导体图案3和散热板8之间的焊接区域中会产生很大的应变。如果散热板是由热膨胀系数小于铜的材料(例如铝或铜和钼的合金)制成的，可以减少由于热膨胀系数不同所产生的应变。然而这些材料价格贵且热导率低，致使半导体装置的冷却性能变差。
通过使用具有上述组成的焊料合金来连接导体图案3和散热板8，可以在使用廉价且热导率高的铜的情况下得到极好的冷却性能和令人满意的焊接性能。可以使用与焊料合金5、7、9组成不同的焊料来连接半导体芯片4的前表面电极和接线导体6，并用来连接半导体芯片4的背面电极和绝缘基片10上的导体图案2。
实施例
实施例1至4
制备具有如下组成的锡(Sn)-锑(Sb)体系焊料合金：5.0重量％的锑(Sb)、四种含量在0.01-0.2重量％范围的锗(Ge)和余量的锡(Sn)。实施例1中的锗含量为0.01重量％，实施例2中的锗含量为0.05重量％，实施例3中的锗含量为0.1重量％，实施例4中的锗含量为0.2重量％。
实施例5至8
制备具有如下组成的锡(Sn)-锑(Sb)体系焊料合金：3.0重量％的锑(Sb)、四种含量在0.01-0.2重量％范围的锗(Ge)和余量的锡(Sn)。实施例5中的锗含量为0.01重量％，实施例6中的锗含量为0.05重量％，实施例7中的锗含量为0.1重量％，实施例8中的锗含量为0.2重量％。
对比例1至4
制备不含锗(Ge)的焊料合金进行对比。对比例1中的Sb含量为6.0重量％，对比例2中的Sb含量为5.0重量％，对比例3中的Sb含量为3.0重量％，对比例4中的Sb含量为2.0重量％；在每个对比例中余下的组分是锡(Sn)。
采用弯液面测量(meniscograph)法，使用RMA类型的助焊剂(soldering flux)，测量各制备的焊料合金的润湿性(湿强度(wet strength))。测量各个焊料合金上的湿润面积的比率和湿润角，并观察在熔体上的氧化膜形成情况。还评价各种焊料合金的热老化寿命。在评价热老化寿命时，使用各种焊料合金将绝缘基片上的金属导体图案与金属散热板焊接起来，制得了连接体(conjugated body)(散热板8与绝缘基片10的结合，用焊料合金9将具有导体图案3的绝缘基片10和散热板8连接起来，如图1所示)。
对这些连接体反复施加-40℃至125℃的温度循环。在1000个循环后测量裂纹的长度。表1列出了结果。在表1的“氧化膜”栏中，×和◎分别表示显著生成氧化膜和极少生成氧化膜。
表1
Figure BSA00000211287300061
表1显示了以下内容。随着加入的锑(Sb)的增加，热老化性能获得了改进，但是超过了5.0重量％之后再进一步增加锑的含量，不会进一步提高热老化性能。而如果锑(Sb)含量小于3.0重量％，会使热老化性能显著变差。加入0.01-0.2重量％的锗显著抑制了熔融焊料上氧化膜的形成，同时提高了润湿性。
加入锗(Ge)对流体焊接和回流焊接都同样有效。另外，锗的作用在糊状焊料和片状焊料中都同样有效。随着锗含量从0.01重量％升高，加入超过0.01重量％的锗(Ge)时，润湿性和氧化膜形成情况并无显著不同。加入的锗(Ge)不仅能够在焊接过程中抑制锡(Sn)的氧化，而且能够在制备焊料合金的过程中抑制锡的氧化，从而能制备具有很少氧化膜和高质量的焊料合金。
在例如制备用于糊状焊料的焊料合金粉末的方法中，希望粉末的颗粒是球形的。为了制得球形颗粒粉末，必须在仅有表面张力起作用的条件下制备该粉末，这种条件需要将表面氧化尽可能抑制到最小的程度。因此，宜加入锗(Ge)来抑制表面氧化。锗(Ge)的氧化速率稳定，只加入少量便可保持效果。
如上所述，在锡(Sn)-锑(Sb)合金中加入锗(Ge)提供了具有极好热老化性能的焊料合金、具有耐热性的焊料合金、具有高润湿性的焊料合金以及具有令人满意的焊接性能的焊料合金。由于该合金不含铅(Pb)，提供了不会造成环境污染的焊料合金。
如上所述，将本发明的焊料合金和使用本发明焊料合金的半导体装置应用于各种具有焊接部件的设备时很有益处，特别适用于功率变换用的半导体装置，用在电动车辆中的功率变换设备上。

Claims (2)

1.一种制造半导体装置的方法，该装置包括：
在其两个表面上都具有导体图案的绝缘基片，
与所述绝缘基片前表面上的导体图案相连的半导体芯片，
与绝缘基片背面上的导体图案相连的散热板，
所述方法包括用熔融的焊料合金对绝缘基片前表面上的导体图案和所述半导体芯片进行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的锑、0.01-0.05重量％的锗和余量的锡。
2.一种制造半导体装置的方法，该装置包括：
在其两个表面上都具有导体图案的绝缘基片，
与所述绝缘基片前表面上的导体图案相连的半导体芯片，
与绝缘基片背面上的导体图案相连的散热板，
所述方法包括用熔融的焊料合金对绝缘基片背面上的导体图案和所述散热板进行焊接，所述焊料合金包含3-5重量％的锑、0.01-0.05重量％的锗和余量的锡。
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