CN112352309B - 基体以及半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及的基体具备基板、第1膜、第1层、以及第2膜。基板具有第1弹性模量。第1膜位于基板的上表面。第1层位于基板的下表面，具有比第1弹性模量低的第2弹性模量，并且具有第1热膨胀系数。第2膜位于第1层的下表面，包含与第1膜相同的材料，具有比第1热膨胀系数小的第2热膨胀系数。

Description

基体以及半导体装置

技术领域

本发明涉及对收容有半导体元件的封装件进行密封的基体以及使用该基体的半导体装置。

背景技术

近年来，收纳IC(Integrated Circuit，集成电路)、LSI(Large-ScaleIntegration，大规模集成电路)、功率器件等半导体元件的半导体封装件以及半导体装置被要求密封时的气密性(参照日本特开2005-183830号公报)。

日本特开2005-183830号公报中公开的技术涉及用于密封半导体封装件的盖体。盖体具有包含铁-镍合金的基板、在基板的上表面的镍的膜层、在基板的下表面的包含铜-镍合金的层、以及在其下表面的银-铜钎料。然而，在该结构中，在对盖体施加了热的情况下，包含铜-镍合金的层和钎料形成合金，担心钎料的熔点会变化。因此，担心难以气密地密封。

发明内容

本发明的一个实施方式涉及的基体具备基板、第1膜、第1层、以及第2膜。基板具有第1弹性模量。第1膜位于基板的上表面。第1层位于基板的下表面，具有比第1弹性模量低的第2弹性模量，并且具有第1热膨胀系数。第2膜位于第1层的下表面，包含与第1膜相同的材料，具有比第1热膨胀系数小的第2热膨胀系数。

本发明的一个实施方式涉及的半导体装置具备在内部安装半导体元件的封装件和位于封装件的上表面的上述记载的基体。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式涉及的半导体装置的分解立体图。

图2是示出本发明的一个实施方式涉及的半导体装置的立体图。

图3是示出本发明的一个实施方式涉及的半导体装置的侧视图。

图4是示出本发明的一个实施方式涉及的基体的剖视图。

图5是示出本发明的其他实施方式涉及的基体的剖视图。

图6是示出本发明的一个实施方式涉及的基体的实验结果的剖面照片。

图7是示出本发明的一个实施方式涉及的基体以及粘接剂的剖视图。

图8是示出本发明的其他实施方式涉及的基体以及粘接剂的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式涉及的基体以及半导体装置进行说明。

<基体的结构>

图1是示出本发明的一个实施方式涉及的半导体装置的分解立体图。图2是示出本发明的一个实施方式涉及的半导体装置的立体图。图3是示出本发明的一个实施方式涉及的半导体装置的侧视图。图4是示出本发明的一个实施方式涉及的基体的剖视图。图5是示出本发明的其他实施方式涉及的基体的剖视图。图6是示出本发明的一个实施方式涉及的基体的实验结果的剖面照片。图7是示出本发明的一个实施方式涉及的基体以及粘接剂的剖视图。图8是示出本发明的其他实施方式涉及的基体以及粘接剂的剖视图。

如图所示，本发明的实施方式涉及的基体1具备基板13、第1膜11、第1层14、以及第2膜12。另外，基体1能够在后述的半导体装置10中作为对收容于内部的半导体元件进行密封的盖体而使用。

基体1在俯视下例如为5mm×5mm～50mm×50mm，也可以是与后述的框体5的外缘相同的大小。此外，厚度例如为0.05mm～5mm。

如图4所示，基体1具备基板13、第1膜11、第1层14、以及第2膜12。基板13例如包含铁-镍合金。此外，还可以是铁-镍-钴合金等。此外，基板13的厚度例如为0.03mm～4mm。基板13的第1弹性模量(杨氏模量)例如为120～140GPa。

第1膜11位于基板13的上表面13a。第1膜11具有如下的效果，即，进行保护使得基板13的表面不会氧化而生锈。另外，也可以是，其他层和/或其他膜等位于基板13与第1膜11之间。第1膜11例如包含镍。此外，也可以包含具有防止氧化的效果的金等。此外，第1膜11的厚度例如为0.002mm～0.02mm。

第1层14位于基板13的下表面13b。第1层14例如包含铜。此外，也可以包含银等弹性模量比较低的金属等。此外，第1层14也可以是如下的层，即包含基层和在该基层上成膜的Ni层，其中基层包含铜。也就是说，可以是Ni层位于基板13的下表面13b。进而，也可以是其他层和/或其他膜等位于基板13与第1层14之间。此外，第1层14的厚度例如为0.01mm～1mm。包含如下的金属材料为宜，即，作为第1层14的弹性模量的第2弹性模量的弹性模量变得比作为基板13的弹性模量的第1弹性模量低。第2弹性模量例如为105～115GPa。第1层14的弹性模量比基板13低，也就是说，第2弹性模量比第1弹性模量低，由此在与后述的封装件3的接合时施加热的情况下，能够减小由热应力造成的基体1的变形量。因此，在进行焊接等的情况下，能够以更小的压力将基体1接合在封装件3，能够使施加在封装件3的负荷降低。由此，能够降低在基体1以及封装件3产生裂纹等机械损失的担忧。此外，作为第1层14的热膨胀系数的第1热膨胀系数例如为16～17×10^-6/K(m)。

第2膜12位于第1层14的下表面14a。第2膜12例如包含镍。此外，也可以是金等。进而，还可以是其他层和/或其他膜等位于第1层14与第2膜12之间。此外，第2膜12的厚度例如为0.002mm～0.02mm。第2膜12包含与第1膜11相同的材料为宜。由于第2膜12包含与第1膜11相同的材料，从而即使对基体1施加了热，也因为能够在基板13和第1层14的上下配置热膨胀系数接近的材料或热膨胀系数相同的材料，所以能够降低由基板13和第1层14的热膨胀之差造成的拉伸应力，能够使由基体1的热造成的变形降低。此外，第2膜12的热膨胀系数比第1层14小。也就是说，第2膜12的热膨胀系数即第2热膨胀系数比第1热膨胀系数小。第2热膨胀系数例如为11～12×10^-6/K(m)。因此，在对基体1施加热的情况下，能够降低起因于第1层14的热膨胀的基体1的变形。

本发明的实施方式涉及的基体1为像以上那样的结构，由此能够使由热造成的变形降低，在作为半导体装置的盖体而对半导体装置进行密封的情况等下，能够维持良好的密封状态。

对于本发明的实施方式涉及的基体1为如上所述的结构而带来的优越性，作为一个例子说明对基体1进行烘焙时等施加了热的情况。将基体1设为长边∶短边为3∶2的矩形状，将烘焙时间设为30分钟，将温度设为400℃。作为比较例，使用如下的基体，即除了不具有第2膜12以外，设定为与上述各条件相同的条件。基体1与没有第2膜12的情况相比，基体1的翘曲(变形量)在短边方向上为1/6～1/10左右，在长边方向上为1/2～1/3左右，在倾斜方向上为1/3～1/5左右。

此外，在作为基体1的中心的构件的基板13包含铁-镍合金的情况下，能够使基体1的弹性模量比较高，同时能够使热膨胀率比较低。由此，能够使基体1的由热造成的变形有效地降低。

在第1层14包含弹性模量比较低的铜的情况下，例如在使用钎料等施加热而将基体1接合在包含陶瓷等的半导体封装件等时，在弹性模量比较高的基板13与半导体封装件之间起到作为缓冲材料的作用。因此，能够降低在基板13以及半导体封装件产生裂纹的担忧。

在第1膜11以及第2膜12包含镍的情况下，能够有效地防止对基体1的上表面进行氧化等的腐蚀，同时能够在基板13和第1层14的上下配置热膨胀系数接近的材料或热膨胀系数相同的材料。因此，能够在对基体1施加了热的情况下，使由基板13与第1层14的热膨胀之差造成的基体1的翘曲等的变形有效地降低。

此外，在第1层14包含铜的情况下，在将基体1用银钎料等接合材料接合在封装件时，由于配置有第2膜12的镍，能够降低第1层14包含的铜和接合材料2包含的铜因热而进行结合的担忧。由此，与没有第2膜12的情况相比，即使施加了热，也能够使由形成铜的合金而造成接合材料2的熔点变化的担忧降低。

此外，基体1也可以预先使作为粘接剂20的接合材料2位于第2膜12的下表面12a。接合材料2能够在后述的半导体装置10中接合封装件3和基体1。粘接剂20可以作为基体1的一部分即接合材料2来设置，也可以位于封装件3的上表面。此外，还可以分别位于封装件3与基体1之间。预先使接合材料2配置于基体1，由此在将基体1作为半导体装置的封装件等的盖体而进行接合的情况下，能够降低另外准备接合材料的劳力，因此能够使生产率提高。接合材料2例如包含银-铜钎料。此外，也可以是包含Au-Sn的低熔点钎料、包含Sn-Ag-Cu的无铅焊料等。此外，接合材料2的厚度例如为0.05～0.5mm。接合材料2只要是能够将金属材料彼此接合的材料即可。另外，在除了接合材料2以外还与基体1为独立体地存在的情况下以及接合材料2不存在的情况下，粘接剂20可以是与接合材料2相同的材料，也可以是与接合材料2不同的材料。

此时，在第2膜12包含镍，并且接合材料2包含银-铜的情况下，与没有第2膜12的情况相比，即使施加了热，也能够降低由形成铜的合金而造成的接合材料2的熔点变化的担忧。

另外，图6的(a)示出将图4所示的实施方式的基体在烧成炉中在850℃下烧成大致2分钟的剖面照片。另外，基板13的材料为Kov，第1层14的材料为Cu，第2膜12的材料为Ni，接合材料2的材料为AgCu。此外，作为比较对象，图6的(b)是以往的实施方式，没有第2膜12。根据该结果，可知，在存在作为第2膜12的Ni层的图6的(a)中，AgCu与Cu是完全分离的状态。这是因为，作为第2膜12的材料的Ni存在于作为接合材料2的材料的AgCu与作为第1层14的材料的Cu之间，由此防止AgCu被Cu侵蚀。相对于此，在图6的(b)中，AgCu被Cu侵蚀，AgCu和Cu混合。若成为该状态，则AgCu的熔点变动，在与封装件的接合时会接合不均，有可能产生不能良好地保持接合状态等的问题。根据该结果可明确，与没有第2膜12的基体相比，存在Ni等的第2膜12的基体1能够使接合状态更良好。

<封装件的结构>

在图1～图3示出半导体装置10。此外，在图7以及图8示出基体1和粘接剂20为独立体的情况的基体1的剖视图。在这些图中，封装件3具备安装基板4、框体5以及基体(盖体)1。

安装基板4是在俯视时的形状为矩形形状的板状的构件，在上表面中央部具有用于安装半导体元件6的安装区域。此外，如图1所示，安装基板4在靠近上表面的安装区域的位置与半导体元件6电连接。所谓安装区域，是在俯视安装基板4的情况下被矩形形状的框体5包围的区域，意味着安装半导体元件6的区域。

安装基板4也可以是绝缘材料，例如包含氧化铝质烧结体、莫来石质烧结体、碳化硅质烧结体、氮化铝质烧结体、氮化硅质烧结体或玻璃陶瓷等陶瓷材料。安装基板4并不限定于包含这些陶瓷材料。例如，可以包含环氧树脂、聚酰亚胺树脂以及聚酰胺树脂等树脂材料，也可以包含在这些树脂材料添加了玻璃布或无机物填料等的复合材料。安装基板4的大小，在俯视下，例如为5mm×5mm～50mm×50mm，厚度为0.3mm～3mm。此外，通过使安装基板4包含金属材料，从而能够设为将从半导体元件6产生的热效率优良地向封装件3的外部散热的构造。

框体5位于安装基板4的上表面。框体5是用于确保收容半导体元件6的空间的构件。框体5设置为包围安装区域。在框体5中，俯视时的内缘以及外缘的形状分别为矩形的框状。该矩形框状的框体5的各边设置为与安装基板4的各边平行。另外，框体5也可以在成为与盖体1对置的面的上表面设置有金属层。此外，在框体5一体地设置在安装基板4的上表面的情况下，也可以将包含陶瓷材料的框体5与安装基板4同时烧成而设置。此外，框体5也可以作为其他构件而设置在安装基板4的上表面。在该情况下，安装基板4包含陶瓷材料，金属层位于安装基板4的上表面。此外，框体5包含陶瓷材料，金属层位于框体5的下表面。另外，框体5和安装基板4也可以经由包含金(Au)-锡(Sn)的低熔点钎料等接合材料接合位于安装基板4的上表面的金属层以及位于框体5的下表面的金属层。

此外，作为框体5，例如能够使用铁、铜、镍、铬、钴或钨这样的金属材料。或者，能够使用包含这些金属的合金。框体5的大小在俯视下，例如为5mm×5mm～50mm×50mm，厚度为0.5mm～2mm。此外，框体5的高度例如为1mm～10mm。

基体(盖体)1通过钎料、焊料等接合材料2接合在框体5的上表面，使得堵塞框体5的内侧。基体1在俯视下为矩形状，在成为与框体5对置的面的下表面具有与成为与基体1对置的面的框体5的上表面接合的接合区域。

以上所示的本发明的一个实施方式涉及的封装件3是上述的那样的结构，由此能够良好地维持封装件3的密封状态。

<封装件以及基体的制造方法>

以下，对本发明的一个实施方式涉及的封装件3的制造方法进行说明。

安装基板4例如如果是包含氧化铝质烧结体的情况，则如下制作。首先，关于陶瓷生片，氧化铝以及氧化硅等的原料粉末和适当的有机粘合剂以及有机溶剂一同成型为片状，并制作成矩形片状。接着，关于包含陶瓷生片的层叠体，层叠多个陶瓷生片层叠而制作。另外，层叠体不一定需要层叠多个陶瓷生片，只要在作为安装基板4的机械强度等方面没有障碍，也可以仅为一层。然后，在1300～1600℃的温度下烧成这些陶瓷生片，由此制作安装基板4。

框体5例如如果是包含氧化铝质烧结体的情况，则与上述的安装基板4同样地制作。首先，关于陶瓷生片，将氧化铝以及氧化硅等原料粉末与适当的有机粘合剂以及有机溶剂一同成型为片状，并制作成矩形片状。接着，关于包含陶瓷生片的层叠体，层叠多个陶瓷生片而制作。然后，层叠体通过冲孔加工法在中央部设置贯通孔，由此成型为框状。进而，层叠体在上表面通过丝网印刷法等方法印刷成为金属层的金属膏而设置，该金属膏是将钨的粉末和有机溶剂以及有机粘合剂混合而制作出的。然后，在1300～1600℃的温度下烧成层叠体，由此成为框体5。另外，框体5不一定需要层叠多个陶瓷生片而形成，只要在作为框体5的机械强度等方面没有障碍，也可以仅为一层。然后，框体5通过玻璃接合材料、树脂接合材料等接合材料被接合在安装基板4的上表面。此外，框体5在包含与安装基板4同样的氧化铝质烧结体的情况下，也可以通过如下的方法与安装基板4一体地形成，即，框状的陶瓷生片层叠在成为安装基板4的陶瓷生片的上表面，并同时烧成这些陶瓷生片。

基体1例如在基板13包含铁-镍-钴合金、第1膜11以及第2膜12包含镍、第1层14包含铜、接合材料2包含银-铜钎料的情况下，按第1膜11、基板13、第1层14、第2膜12、以及接合材料2的顺序使其重合，用压接机进行压接而作为金属包层材料，加工为给定的大小。在该情况下，预先考虑各材料的压缩率，并决定准备的各结构的厚度，使得基体1成为给定的厚度。或将铁-镍-钴合金和铜进行压接而作为金属包层材料，加工为给定的大小，然后对该包层材料的上表面以及下表面实施镍镀覆。进而，在作为第2膜12的镍配置银-铜钎料等接合材料2的情况下，也可以将接合材料2配置在镍的下方，然后通过烧成炉等使接合材料熔融而与镍接合。

<半导体装置的结构>

图1～图3示出本发明的一个实施方式涉及的半导体装置10。在这些图中，半导体装置10除了本发明的一个实施方式涉及的封装件3以外，还具备基体(盖体)1以及半导体元件6。

本发明的一个实施方式涉及的半导体装置10通过如下而完成，即，在上述的封装件3的安装区域安装半导体元件6，并与封装件3的第1电极部电连接。半导体元件6经由包含Au-Sn的低熔点钎料、包含Sn-银(Ag)-铜(Cu)的无铅焊料等的接合材料而被安装在设置于安装区域的金属部。作为半导体元件6的例子，除了IC、LSI之外，还可列举功率器件用的半导体元件等。

此外，在半导体装置10中，在将半导体元件6安装在安装区域的状态下，在框体5的上表面接合固定基体1，以作为盖体来密封半导体元件6。此时，框体5的上表面和盖体的接合区域通过粘接剂20或包含接合材料2的粘接剂20接合。该粘接剂20例如除了上述的银-铜以外，还可以是包含Au-Sn的低熔点钎料、包含Sn-Ag-Cu的无铅焊料等。

在粘接剂20包含银以及铜的情况下，在第2膜12为镍等金属时第2合金层22的生成变得容易。因此，如前所述，能够降低第1层14的材料和粘接剂20的材料因接合时的热而进行结合的担忧。

在粘接剂20接合封装件3的框体5和基体1的情况下，通过缝焊法等进行接合。在该情况下，对基体1局部地施加热，而变得容易引起热膨胀以及热收缩。此时，在第1层14以及第2膜12包含金属材料的情况下，在基体1中，在第1层14的下方配置有第2膜12时，因焊接时等的热而第1合金层21位于第1层14和第2膜12之间。如图5以及图8所示，由于第1合金层21设置于第1层14与接合材料2(粘接剂20)之间，从而能够降低第1层14的材料和接合材料2(粘接剂20)的材料因接合时的热而进行结合的担忧。由此，能够降低接合材料2的熔点变动的担忧，并且能够使由接合材料的熔点变动而造成的焊接时的接合偏差等降低。

此外，在第2膜12以及接合材料2包含金属材料的情况下，在基体1中，在第2膜12的下方配置有接合材料2时，因焊接时等的热，在第2膜12与接合材料2之间形成第2合金层22。如图5所示，由于第2合金层22位于第1层14与接合材料2之间，从而能够降低第1层14的材料和接合材料2的材料因接合时的热而进行结合的担忧。由此，能够降低接合材料2的熔点变动的担忧，并且能够抑制由接合材料的熔点变动造成的焊接时的接合偏差等。

在接合材料2包含银以及铜的情况下，在第2膜12为镍等金属时第2合金层22的生成变得容易，因此，如前所述，能够降低第1层14的材料和接合材料2的材料因接合时的热而进行结合的担忧。

此外，在第2膜12以及粘接剂20包含金属材料的情况下，在半导体装置10中，在第2膜12的下方配置有粘接剂20时，因焊接时等的热，在第2膜12与粘接剂20之间形成第3合金层23。如图8所示，由于第3合金层23位于第1层14与粘接剂20之间，从而能够降低第1层14的材料和粘接剂20的材料因接合时的热而进行结合的担忧。由此，能够降低粘接剂20的熔点变动的担忧，并且能够抑制由接合材料的熔点变动造成的焊接时的接合偏差等。

在粘接剂20包含银以及铜的情况下，在第2膜12为镍等金属时第3合金层23的生成变得容易，因此，如前所述，能够降低第1层14的材料和粘接剂20的材料因接合时的热而进行结合的担忧。

另外，本发明并不限定于上述的实施方式以及实施例，只要在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种变更。

-符号说明-

1：基体(盖体)；

11：第1膜；

12：第2膜；

13：基板；

14：第1层；

21：第1合金层；

22：第2合金层；

23：第3合金层；

20：粘接剂；

2：接合材料；

3：封装件；

4：安装基板；

5：框体；

6：半导体元件；

10：半导体装置。

Claims (13)

1.一种基体，其特征在于，具备：

基板；具有第1弹性模量；

第1膜，位于所述基板的上表面；

第1层，位于所述基板的下表面，具有比所述第1弹性模量低的第2弹性模量，并且具有第1热膨胀系数；以及

第2膜，位于所述第1层的下表面，包含与所述第1膜相同的材料，具有比所述第1热膨胀系数小的第2热膨胀系数，

所述第2膜与所述第1膜位于相互分离的位置。

2.根据权利要求1所述的基体，其特征在于，

所述基板包含铁-镍合金。

3.根据权利要求1或2所述的基体，其特征在于，

所述第1层包含铜。

4.根据权利要求1或2所述的基体，其特征在于，

在所述第1膜以及所述第2膜包含镍。

5.根据权利要求1或2所述的基体，其特征在于，

在所述第1层以及所述第2膜包含金属材料，

包含所述第1层所包含的金属材料和所述第2膜所包含的金属材料的合金的第1合金层位于所述第1层和所述第2膜之间。

6.根据权利要求1或2所述的基体，其特征在于，

所述基板的厚度大于所述第1层的厚度，

所述第1膜以及所述第2膜的厚度小于所述第1层的厚度。

7.根据权利要求1或2所述的基体，其特征在于，

所述基体还具备位于所述第2膜的下表面的接合材料。

8.根据权利要求7所述的基体，其特征在于，

所述第2膜以及所述接合材料分别包含金属材料，

包含所述第2膜所包含的金属材料和所述接合材料所包含的金属材料的合金的第2合金层位于所述第2膜和所述接合材料之间。

9.根据权利要求7所述的基体，其特征在于，

所述接合材料包含银以及铜。

10.一种半导体装置，其特征在于，具备：

封装件，在内部安装半导体元件；

权利要求1～5中任一项所述的基体，该基体位于所述封装件的上表面；以及

粘接剂，位于所述封装件与所述基体之间，并且接合所述封装件和所述基体。

11.根据权利要求10所述的半导体装置，其特征在于，

所述粘接剂包含银以及铜。

12.根据权利要求10或11所述的半导体装置，其特征在于，

在所述封装件与所述基体之间，

所述第2膜以及所述粘接剂分别包含金属材料，

包含所述第2膜所包含的金属材料和所述粘接剂所包含的金属材料的合金的第3合金层位于所述第2膜和所述粘接剂之间。

13.一种半导体装置，其特征在于，具备：

封装件，在内部安装半导体元件；以及

权利要求6～9中任一项所述的基体，该基体位于所述封装件的上表面。