DE112010003600T5

DE112010003600T5 - Verbindungsmaterial, Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung derHalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112010003600T5
Application number: DE112010003600T
Authority: DE
Inventors: Masahide Okamoto; Yuki Murasato; Osamu Ikeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2012-08-23
Also published as: WO2011030517A1; CN102473650B; KR101361252B1; KR20120027500A; US8525330B2; US20120098134A1; CN102473650A

Abstract

Beim Verbinden mit einem herkömmlichen Zn/Al/Zn-Hüllmaterial muss die Dicke eines Verbindungsteils weniger als das Doppelte eines vorhandenen Lots mit hohem Bleigehalt (etwa 100 μm) betragen, um eine Wärmebeständigkeit in dem Verbindungsteil mindestens auf dem Niveau des vorhandenen Lots zu erzielen. Darüber hinaus muss die Dicke einer Al-Schicht möglichst dick sein, um in vollem Umfang das Spannungsrelaxationsverhalten der Al-Schicht aufzuweisen. Eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement, einem Rahmen und einem Verbindungsteil, das das Halbleiterelement und den Rahmen miteinander verbindet, wird bereitgestellt, bei der eine Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil und dem Halbleiterelement bzw. eine Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil und dem Rahmen die Fläche einer Al-Oxidschicht haben, die mehr als 0% und weniger als 5% der gesamten Fläche der jeweiligen Grenzflächen beträgt.

Description

Hintergrund
sDie vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verbindungsmaterial und eine Halbleitervorrichtung.
Die schädlichen Wirkungen von Blei auf das menschliche Nervensystem und das hämatogene System sind nachgewiesen. In Europa sind die ELV-Richtlinie (Altfahrzeugrichtlinie), die die Verwendung von Blei in Fahrzeugen beschränkt, und die RoHS-Richtlinie (Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten), die die Verwendung von Blei in Elektro- und Elektronikgeräten verbietet, im Oktober 2000 bzw. im Juli 2006 in Kraft getreten. Üblicherweise enthielten die für elektrische Verbindungen von Bauteilen in Elektro- und Elektronikgeräten verwendeten Lötmittel bzw. Lote auch Blei. Je nach Schmelzpunkt werden Lote in drei Kategorien eingeteilt: Hochtemperaturlote, Mitteltemperaturlote und Niedertemperaturlote. Mitteltemperaturlote wie Lot auf Sn-Ag-Cu-Basis, Lot auf Sn-Cu-Basis und dergleichen und Niedertemperaturlote wie Lot auf Sn-Bi-Basis, Lot auf Sn-In-Basis und dergleichen sind entwickelt und in der Praxis angewendet worden und erfüllen die Anforderungen der ELV-Richtlinie und der RoHS-Richtlinie. Dabei beträgt der Bleigehalt dieser Lote 85% oder mehr, und ein bleifreies hochtemperaturbeständiges Verbindungsmaterial, das die Lote mit hohem Bleigehalt und einem hohen Schmelzpunkt ersetzen könnte, ist noch nicht entwickelt worden. Daher sind diese Lote mit hohem Bleigehalt von der Anwendung der vorstehend genannten ELV-Richtlinie und RoHS-Richtlinie ausgenommen. Die Lote mit hohem Bleigehalt enthalten jedoch 85 Gew.-% oder mehr Blei als Bestandteil und haben daher große Umweltauswirkungen verglichen mit dem durch die RoHS-Richtlinie verbotenen eutektischen Sn-Pb-Lot. Daher ist die Entwicklung eines alternativen Verbindungsmaterials anstelle der Lote mit hohem Bleigehalt dringend erwünscht.
Das Patentdokument 1 ( japanisches Patent 3850135 ) beschreibt „eine Zn-Hochtemperatur-Lötlegierung mit 1 bis 9 Massen-% Al, 0,05 bis 1 Massen-% Ge und dem Rest einschließlich Zn und unvermeidbare Verunreinigungen”.
Weiter beschreibt das Patentdokument 2 ( japanisches Patent 3945915 ) „eine Zn-Lötlegierung mit 1 bis 9 Massen-% Al, mehr als 0,05 Massen-% und weniger als 0,5 Massen-% Mg, 0,1 bis 8 Massen-% Ga und dem Rest einschließlich Zn und unvermeidbare Verunreinigungen”.
Weiter beschreibt das Patentdokument 3 ( japanische Patent-Offenlegungsschrift 2008-126272 ) „ein Verbindungsmaterial mit einer Legierungsschicht auf Al-Basis und Legierungsschichten auf Zn-Basis, die jeweils auf den äußeren Flächen der Legierungsschicht auf Al-Basis aufgebracht sind, und insbesondere ein Verbindungsmaterial mit einer Legierungsschicht auf Al-Basis mit einem Al-Gehalt von 99 bis 100 Gew.-% oder einer Legierungsschicht auf Zn-Basis mit einem Zn-Gehalt von 90 bis 100 Gew.-%”.
Hier wird ein Anwendungsbeispiel eines herkömmlichen hochtemperaturbeständigen Verbindungsmaterials anhand von 1 und 2 beschrieben. 1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung, und 2 zeigt einen Grat oder Austrieb, der aufgrund des Wiederaufschmelzens des Lots in der herkömmlichen Halbleitervorrichtung entstanden ist.
Wie in 1 gezeigt, wird die Halbleitervorrichtung 7 mit einem Verfahren hergestellt, das die Schritte Verbinden (Die-Bonden) eines Halbleiterelements 1 auf einem Rahmen 2 mit Lot 3, Draht-Bonden der Kontaktierung einer Zuleitung 5 und einer Elektrode des Halbleiterelements 1 miteinander mit einem Draht 4 und anschließendes Einschließen mit einem Siegelharz 6 oder Inertgas umfasst.
Die Halbleitervorrichtung 7 wird mit einem bleifreien Mitteltemperaturlot auf Sn-Ag-Cu-Basis auf ein gedrucktes Substrat aufschmelzgelötet. Der Schmelzpunkt des bleifreien Lots auf Sn-Ag-Cu-Basis ist mit etwa 220°C hoch. Daher wird angenommen, dass das Verbindungsteil beim Aufschmelzlöten auf bis zu 260°C erwärmt wird. Aus diesem Grund wird ein Lot mit hohem Bleigehalt mit einem Schmelzpunkt über 290°C verwendet, um ein Wiederaufschmelzen des Verbindungsteils (Die-Bonden) beim Aufschmelzlöten zu verhindern.
Die gegenwärtig entwickelten bleifreien Mitteltemperaturlote wie etwa ein Lot auf Sn-Ag-Cu-Basis oder dergleichen haben Schmelzpunkte von etwa 220°C. Bei Verwendung für das Die-Bonden eines Halbleiterelements wird das Lot geschmolzen, wenn eine Halbleitervorrichtung auf das gedruckte Substrat aufschmelzgelötet wird. Wenn der Umfang des Verbindungsteils mit Harz umgeben ist, kann das Schmelzen des Innenlots dazu führen, dass das Lot 3 aufgrund der Volumenausdehnung beim Schmelzen durch eine Grenzfläche zwischen dem Siegelharz 6 und dem Rahmen 2 austritt, wie in 2 gezeigt, d. h. es kommt zu einem ein sog. Grat- oder Austriebsphänomen. Aber auch wenn kein Austrieb erfolgt, neigt das Lot zum Auslaufen. Als Folge bildet sich ein großer Hohlraum 8 in dem erstarrten Lot, der dazu führen kann, dass eine Halbleitervorrichtung fehlerhaft ist. Als Kandidaten für ein alternatives Material sind Lote auf Au-Basis wie eine Legierung auf Au-Sn-Basis, eine Legierung auf Au-Si-Basis, eine Legierung auf Au-Ga-Basis oder dergleichen, Lote auf Zn- und Zn-Al-Basis sowie Lote auf Bi-, Bi-Cu- und Bi-Ag-Basis oder dergleichen beschrieben worden und werden weltweit im Hinblick auf den Schmelzpunkt untersucht.
Einem Lot auf Au-Basis mangelt es jedoch an Vielseitigkeit, was die Kosten angeht, da es mehr als 80 Gew.-% Au als Bestandteil enthält und zudem ein hartes und sprödes Lot ist. Ein Lot auf Bi-Basis weist eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 9 W/m·K auf, was niedriger ist als die von bekannten Loten mit hohem Bleigehalt. Daher kann angenommen werden, dass es schwierig ist, ein solches Lot für eine Leistungshalbleitervorrichtung, ein Leistungsmodul oder dergleichen anzuwenden, die eine hohe Wärmeabfuhr erfordern. Zudem ist das Lot hart und spröde. Ein Lot auf Zn-Basis und ein Lot auf Zn-Al-Basis weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 100 W/m·K auf, aber solche Lote (insbesondere das Lot auf Zn-Al-Basis) bewirken keine gute Benetzung. Außerdem sind diese Lote hart und haben einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Daher besteht das Problem, dass ein Halbleiterelement vermutlich aufgrund der Wärmebeanspruchung beim Abkühlen nach dem Verbinden bricht. Weil reines Zn außerdem hoch reaktiv ist, schreiten Grenzflächenreaktionen signifikant voran, wenn sich die Temperatur erhöht. Auch wenn eine gute Verbindung erzielt werden könnte, kann daher keine hohe Wärmebeständigkeit erhalten werden.
Weiter wird als ein Verbindungsmaterial, das die Probleme mit dem Lot auf Zn-Al-Basis angeht, das keine gute Vernetzung aufweist und hart ist, ein Verfahren unter Verwendung eines Zn/Al/Zn-Hüllmaterials beschrieben. Nach der Offenlegung sorgt eine oberflächliche Zn-Schicht für die Benetzbarkeit (Verbindungsfähigkeit), und eine innere Schicht aus Al als ein Weichmetall weist ein Spannungsrelaxationsverhalten auf, das ausreicht, um die Verbindungszuverlässigkeit sicherzustellen. Weiter betragen die Schmelzpunkte von Zn und Al 420°C bzw. 660°C, und der Schmelzpunkt eines durch Diffusion von Zn und Al erzeugten eutektischen Zn-Al (Zn-6Al) beträgt 382°C. Daher weist das Verbindungsmaterial einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Wärmebeständigkeit auf.
Zitierliste
Patentliteratur

Patentdokument 1: Japanisches Patent 3850135
Patentdokument 2: Japanisches Patent 3945915
Patentdokument 3: Japanische Patent-Offenlegungsschrift 2008-126272

Zusammenfassung der Erfindung
Bei dem in Patentdokument 1 und 2 beschriebenen Lot auf Zn-Al-Basis wird, weil das Lot Al als einen Bestandteil enthält, beim Schmelzen des Lots gleichzeitig eine Al-Oxidschicht auf dessen Oberfläche gebildet. Daher kann keine ausreichende Benetzung erzielt werden, ohne die Oxidschicht mechanisch zu zerbrechen. Auch wenn eine Verbindung erreicht werden könnte, erfolgt in diesem Fall die Verbindung nur sehr lokal, so dass die erzielbare Verbindungsfestigkeit sehr gering und für den praktischen Einsatz des Lots nicht geeignet ist.
Andererseits haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung das in Patentdokument 3 beschriebene Verbindungsfahren, bei dem ein Zn/Al/Zn-Hüllmaterial verwendet wird, untersucht und verifiziert, dass das Hüllmaterial die Verbindungsfähigkeit und Verbindungszuverlässigkeit liefert. Es wurde jedoch festgestellt, dass dessen Dicke an einem Verbindungsteil weniger als das Doppelte der Dicke (etwa 100 μm) des vorhandenen Lots betragen muss, damit das Verbindungsteil eine Wärmebeständigkeit aufweist, die der Wärmebeständigkeit des vorhandenen Lots mit hohem Bleigehalt mindestens gleichwertig ist. Weiter muss die Dicke der Al-Schicht möglichst groß ausgeführt werden, um in vollem Umfang das Spannungsrelaxationsverhalten der Al-Schicht aufzuweisen. Daher gibt es keine Alternative zur Verringerung der Dicke der Zn-Schicht auf 10 bis 20 μm. Es wurde festgestellt, dass, wenn die Dicke der Zn-Schicht geringer ist, eine Oberfläche eines zu verbindenden Elements auf einer Zn-Schicht des Zn/Al/Zn-Hüllmaterials haften muss, um eine ausreichende Verbindungsfähigkeit zu erhalten, wofür das zu verbindende Element beim Verbinden mit einer Last von etwa 2 g/mm² druckbeaufschlagt werden muss. Die Notwendigkeit einer Druckbeaufschlagung beim Verbinden ist auch in Patentdokument 3 beschrieben. Wenn eine Druckbeaufschlagung auch mit einer geringen Last beim Verbinden nötig ist, erhöhen sich die Kosten für die Massenfertigung signifikant, weshalb seine Anwendung für einige Produkte schwierig werden könnte.
Bei einem herkömmlichen Verbindungsverfahren mit dem Zn/Al/Zn-Hüllmaterial besteht das Problem, dass das Hüllmaterial beim Verbinden druckbeaufschlagt werden muss.
Weiter können die Verbindungsfähigkeit und die Verbindungszuverlässigkeit durch Verbinden mit dem in Patentdokument 3 beschriebenen Zn/Al/Zn-Hüllmaterial erreicht werden, aber eine Verbindungstemperatur von mindestens 382°C oder im praktischen Gebrauch 390 bis 400°C oder mehr ist erforderlich, auch wenn eine eutektische Zn-Al-Verbindung verwendet wird. Beim Abkühlen des verbundenen Verbindungsteils beträgt die Temperatur, bei der das Verbindungsteil schließlich erstarrt, 382°C, der Schmelzpunkt der eutektischen Zn-Al-Phase. Der Temperaturunterschied zwischen 382°C und der Raumtemperatur ist sehr groß, nämlich 382 – 25 = 357°C. Normalerweise erfolgt das Die-Bonden in einer Halbleitervorrichtung, für die das Zn/Al/Zn-Hüllmaterial hauptsächlich verwendet wird, durch Verbinden eines Halbleiterelements (Si-Chip) mit einem Rahmen aus Cu oder einer Cu-Legierung. Weil der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Si und Cu oder einer Cu-Legierung sehr groß ist, kann ein großer Temperaturunterschied zwischen der Erstarrungstemperatur des Lots und der Raumtemperatur zum Zerbrechen des Halbleiterelements führen, da die durch den vorstehenden Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugte Wärmebeanspruchung nicht verringert werden kann. Außerdem müssen, wenn die Verbindungstemperatur mit 390 bis 400°C oder mehr hoch ist, die peripheren Elemente einschließlich der Materialien des Si-Chips und des zu verbindenden Rahmens eine Wärmebeständigkeit von mindestens 400°C oder mehr aufweisen, was den Auswahlbereich für die zu verbindenden Elemente einschränkt.
Die repräsentativen Aspekte der vorliegenden hierin offengelegten Erfindung sind nachstehend kurz beschrieben.

(1) Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verbindungsmaterial eine Al-Schicht und erste bzw. zweite Zn-Schichten, die jeweils auf den Hauptflächen der Al-Schicht aufgebracht sind, wobei das Dickenverhältnis der Al-Schicht im Hinblick auf die erste oder zweite Zn-Schicht weniger als 0,59 beträgt.
(2) Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung ein Halbleiterelement, einen Rahmen und ein Verbindungsteil, das das Halbleiterelement und den Rahmen miteinander verbindet, wobei das Verbindungsteil aus einer Zn-Al-Legierung besteht, und eine Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil und dem Halbleiterelement bzw. eine Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil und dem Rahmen haben jeweils die Fläche einer Al-Oxidschicht, die mehr als 0% und weniger als 5% der Fläche der jeweiligen Grenzfläche beträgt.
(3) Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit den Schritten Einbringen eines Verbindungsmaterials zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element und Verbinden des ersten Elements und des zweiten Elements miteinander durch Erwärmen und Schmelzen des Verbindungsmaterials, wobei das Verbindungsmaterial eine Al-Schicht und Zn-Schichten umfasst, die jeweils auf den Hauptflächen der Al-Schicht aufgebracht sind, und in dem Verbindungsschritt das Verbinden durch vollständiges Schmelzen der Al-Schicht und der Zn-Schichten des Verbindungsmaterials erfolgt.

Die vorliegende Erfindung bietet vorteilhafte Wirkungen dahingehend, dass ein Bonden ohne Druckbeaufschlagung möglich ist und dass ein Verbindungsmaterial mit guten Spannungsrelaxationseigenschaften erhalten werden kann.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie in den anliegenden Zeichnungen gezeigt, ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung.
2 zeigt einen Grat oder Austrieb, der aufgrund des Wiederaufschmelzens des Lots in der in 1 gezeigten Halbleitervorrichtung entstanden ist.
3 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmaterials nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmaterials nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Beispiel für den Querschnitt eines Verbindungsmaterials nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine Tabelle mit der Dicke der jeweiligen Schichten eines Verbindungsmaterials in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt den Querschnitt eines durch ein Verbindungsmaterial gebildeten Verbindungsteils in der in 7 gezeigten Halbleitervorrichtung.
9 zeigt eine Tabelle mit den Testergebnissen für die Benetzbarkeit, das Spannungsrelaxationsverhalten und die Notwendigkeit einer Druckbeaufschlagung beim Verbinden der in 7 gezeigten Halbleitervorrichtung, zusammen mit den Ergebnissen für Vergleichsbeispiele.
10 zeigt ein Diagramm mit einem Teil der Ergebnisse einer Temperaturwechselprüfung als Referenz für die Bestimmung der in 9 gezeigten Ergebnisse für das Spannungsrelaxationsverhalten, zusammen mit den Ergebnissen für Vergleichsbeispiele.
11 zeigt ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine Metallkappe, die in das Verbindungsmaterial in der in 11 gezeigten Halbleitervorrichtung integriert ist.
13 zeigt eine Tabelle mit den Testergebnissen für die Benetzbarkeit und die Notwendigkeit einer Druckbeaufschlagung beim Verbinden der in 11 gezeigten Halbleitervorrichtung, zusammen mit den Ergebnissen für Vergleichsbeispiele.
14 zeigt ein Verbindungsmaterial, das als Bondhügel einer Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
15 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Halbleitervorrichtung, die mit einem herkömmlichen Lot mit hohem Bleigehalt verbunden ist.
16 zeigt einen Grat oder Austrieb, der aufgrund des wiederaufgeschmolzenen Lots in der in 15 gezeigten Halbleitervorrichtung entstanden ist.
17 zeigt ein Verfahren zum Walzplattieren.
18 zeigt ein Verfahren zum Pressformen.
19 zeigt ein Beispiel für den Querschnitt eines Verbindungsmaterials nach der vorliegenden Erfindung.
20 zeigt eine Tabelle mit den Versuchsbedingungen für Verbindungsmaterialien nach der vorliegenden Erfindung.
21 zeigt ein Beispiel für den Querschnitt einer mit einem Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung verbundenen Halbleitervorrichtung.
22 zeigt den Querschnitt eines durch ein Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung gebildeten Verbindungsteils.
23 zeigt eine Tabelle mit den Versuchsergebnissen für eine Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
24 zeigt eine Tabelle mit den Versuchsergebnissen für eine Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
25 zeigt ein Beispiel für eine Metallkappe, die in das Verbindungsmaterial in der in 24 gezeigten Halbleitervorrichtung integriert ist.
26 zeigt ein Beispiel für den Querschnitt einer mit einem Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung verbundenen Halbleitervorrichtung.
27 zeigt ein Beispiel für den Querschnitt und den montierten Aufbau einer mit einem Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung verbundenen Halbleitervorrichtung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In allen Zeichnungen zur Illustration der Ausführungsformen sind ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen, um auf eine Wiederholung ihrer Beschreibung zu verzichten.
5 zeigt ein Beispiel für den Querschnitt eines Verbindungsmaterials nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Zn-Schicht (nachstehend auch als Zn bezeichnet) 101, eine Al-Schicht (nachstehend auch als Al bezeichnet) 102 und eine Zn-Schicht (nachstehend auch als Zn-Schicht bezeichnet) 101 werden in dieser Reihenfolge laminiert.
Hierbei beträgt die Dicke der mittleren Al-Schicht vorzugsweise mehr als 10 μm und weniger als 50 μm. Wie nachstehend beschrieben, ist das Dickenverhältnis der Al-Schicht vorzugsweise größer als das Dickenverhältnis zwischen der Zn-Schicht, der Al-Schicht und der Zn-Schicht von 1:0,52:1. Weil die Gesamtdicke mindestens 48 μm oder mehr betragen muss, um die Verbindungszuverlässigkeit zu gewährleisten, muss die Dicke der Al-Schicht mindestens 10 μm betragen. Das heißt, wenn die Dicke der Al-Schicht 10 μm oder mehr beträgt, wird die Gesamtdicke der Zn/Al/Zn-Schichten (Dicke eines Verbindungsteils) 48 μm oder mehr, so dass die Verbindungszuverlässigkeit gewährleistet werden kann. Wenn die Dicke der Al-Schicht weniger als 50 μm beträgt, kann die Al-Schicht durch eine Reaktion zwischen der Zn-Schicht und der Al-Schicht aufgrund der beim Verbinden einwirkenden Wärmebeanspruchung (Verbindungstemperatur und Verbindungszeit) vollständig aufgelöst werden.
Das Dickenverhältnis der Al-Schicht ist vorzugsweise größer als das Dickenverhältnis zwischen den Zn/Al/Zn-Schichten von 1:0,52 bis 0,59:1. Liegt das Dickenverhältnis zwischen den Zn/Al/Zn-Schichten innerhalb des vorstehenden Bereichs, beträgt der Al-Gehalt des Verbindungsteils 9 Massen-% oder mehr, wenn das Al vollständig verschwunden ist, wodurch das Verhältnis der Al-reichen Zn-Al-Phase in dem Verbindungsteil mehr als 20% der Zn-6Al-Phase ausmacht. Dementsprechend verhindert dies die Ausbreitung von Rissen und verbessert dadurch die Spannungsrelaxationseigenschaften, das heißt die Verbindungszuverlässigkeit. Wenn die Dicke der Al-Schicht größer als das Dickenverhältnis von 1:0,59:1 wird, steigt außerdem der Al-Gehalt des Verbindungsteils über 10 Massen-%. In diesem Fall verschwindet die Al-Schicht bei der Verbindungstemperatur von 420°C nicht vollständig, und daher ergibt sich ein Problem, dass die Temperatur weiter erhöht werden muss.
3 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmaterials nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verbindungsmaterial nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Laminieren einer Zn-Schicht 101a, einer Al-Schicht 102a und einer Zn-Schicht 101a in dieser Reihenfolge und anschließendes Walzen oder Walzplattieren der laminierten Struktur hergestellt. Beim Walzen mit einer Walze 103 werden die Zn-Schicht 101a und die Al-Schicht 102a miteinander verbunden und gleichzeitig durch die Presskraft weitgehend verformt. Folglich werden die auf der Zn-Schicht 101a und der Al-Schicht 102a gebildeten Oxidschichten aufgebrochen und beide Schichten werden über eine neu entstandene Oberfläche metallisch verbunden. Bei den nachstehend beschriebenen Arbeitsbeispielen 1 bis 30 wurde ein Verbindungsmaterial (Zn/Al/Zn-Hüllmaterial) nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit dem vorstehenden Verfahren hergestellt.
4 zeigt ein Beispiel für ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmaterials nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verbindungsmaterial nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch durch Laminieren einer Zn-Schicht 101b, einer Al-Schicht 102b und einer Zn-Schicht 101b in dieser Reihenfolge und anschließendes Pressformen der laminierten Struktur hergestellt werden. Wenn dieses laminierte Material mit einer Pressformmaschine 104 formgepresst wird, werden die Zn-Schicht 101b und die Al-Schicht 102b miteinander verbunden und gleichzeitig durch die Presskraft weitgehend verformt. Folglich werden die auf der Zn-Schicht 101b und der Al-Schicht 102b gebildeten Oxidschichten aufgebrochen und beide Schichten werden über eine neu entstandene Oberfläche metallisch verbunden. Wenn das Pressformen so durchgeführt wird, dass keine Wärmebeanspruchung bis zu einer Temperatur erfolgt, bei der die Diffusion von Zn und Al auffällig wird, erreicht das Al die äußeren Flächen durch Diffusion der äußeren Zn-Schicht nicht, und daher kann eine gute Benetzung beim Verbinden erreicht werden.
Mit einem nach dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellten Zn/Al/Zn-Hüllmaterial wurde das Die-Bonden in einer Halbleitervorrichtung durchgeführt. Im Einzelnen umfasst die Halbleitervorrichtung ein Halbleiterelement, einen Rahmen, mit dem das Halbleiterelement verbunden ist, eine Zuleitung, deren eines Ende als externer Anschluss dient, einen Draht, der das andere Ende der Zuleitung und eine Elektrode des Halbleiterelements miteinander verbindet, und Harz zum Einschließen des Halbleiterelements und des Drahtes, wobei das Zn/Al/Zn-Hüllmaterial verwendet wurde, um das Halbleiterelement und den Rahmen miteinander zu verbinden. Beim Verbinden wurde eine Wärmebeanspruchung mit einer Verbindungstemperatur von 400°C oder höher für eine Verbindungszeit von 2 Minuten oder länger ausgeübt, so dass die Al-Schicht verschwindet und das Verbindungsteil in seiner Gesamtheit vollständig schmilzt. Weil das Verbindungsteil als Ganzes geschmolzen ist, konnte eine ausreichende Benetzung ohne Druckbeaufschlagung erreicht werden. Nach dem Verbinden bestand der größte Teil des Verbindungsteils aus einer Zn-Al-Zn-Legierung (in einigen Fällen war eventuell noch eine Zn-Phase vorhanden), in einer Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil und der Halbleitervorrichtung und in einer Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil und dem Rahmen gab es praktisch keine Al-Oxidschichten und die Fläche der Al-Oxidschicht in den jeweiligen Grenzschichten war kleiner als 5% der gesamten Fläche der jeweiligen Grenzflächen. Weil das in den Grenzflächen vorliegende Al-Oxid die Benetzung von Metallen verhindert, wurden Abschnitte, in denen Al-Oxid vorliegt, nicht metallisch verbunden. Wenn daher die Fläche, in der Al-Oxid vorliegt, weniger als 5% der gesamten Grenzfläche ausmacht, kann eine ausreichende Haftfestigkeit erhalten werden.
Weil der größte Teil des Verbindungsteils aus einer Zn-Al-Legierung besteht (in einigen Fällen ist eventuell noch eine Zn-Phase vorhanden), ist außerdem ein Teil mit dem niedrigsten Schmelzpunkt eutektisches Zn-6Al von 382°C. Das heißt, es wird angenommen, dass das Verbindungsteil eine Wärmebeständigkeit von 380°C aufweist. Obwohl die Al-Schicht verschwunden ist, liegen zudem keine harten und spröden intermetallischen Verbindungen in der Zn-Al-Legierungsphase vor (Zn und Al bilden keine intermetallischen Verbindungen), und das Verbindungsteil weist gute Spannungsrelaxationseigenschaften auf, das heißt eine gute Verbindungszuverlässigkeit.
Insbesondere ist die Dicke der Al-Schicht vorzugsweise größer als das Dickenverhältnis von 1:0,52 bis 0,59:1 zwischen den Zn/Al/Zn-Schichten des Verbindungsmaterials, so dass der Al-Gehalt des Verbindungsteils mehr als 9 Massen-% und weniger als 10 Massen-% beträgt, wenn das Al vollständig verschwunden ist. Indem die Al-Schicht dicker als 1:0,52:1 gemacht wird, wird der Al-Gehalt des Verbindungsteils größer als 9 Massen-%, wenn das Al vollständig verschwunden ist, wodurch das Verhältnis der Al-reichen Zn-Al-Phase in dem Verbindungsteil mehr als 20% der Zn-6Al-Phase ausmacht, was die Ausbreitung von Rissen verhindert und dadurch die Spannungsrelaxationseigenschaften, das heißt die Verbindungszuverlässigkeit, verbessert. Wenn die Dicke der Al-Schicht größer als 1:0,59:1 wird, steigt der Al-Gehalt des Verbindungsteils über 10 Massen-%. In diesem Fall verschwindet die Al-Schicht bei der Verbindungstemperatur von 420°C nicht vollständig, und daher muss die Temperatur weiter erhöht werden.
Ähnliche Ergebnisse konnten auch erzielt werden, wenn ein Verbindungsmaterial (Zn/Al/Zn-Hüllmaterial) nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für das Die-Bonden der Halbleitervorrichtung verwendet wurde.
Im Einzelnen umfasst die Halbleitervorrichtung ein Halbleiterelement, ein Substrat, mit dem das Halbleiterelement verbunden ist, eine Zuleitung, deren eines Ende als externer Anschluss dient, einen Draht, der das andere Ende der Zuleitung und eine Elektrode des Halbleiterelements miteinander verbindet, und eine Metallkappe, die das Halbleiterelement und den Draht hermetisch einschließt, wobei das Zn/Al/Zn-Hüllmaterial verwendet wurde, um das Substrat und die Metallkappe miteinander zu verbinden. Beim Verbinden wurde eine Wärmebeanspruchung mit einer Verbindungstemperatur von 400°C oder höher für eine Verbindungszeit von 2 Minuten oder länger ausgeübt, so dass die Al-Schicht verschwindet und das Verbindungsteil in seiner Gesamtheit vollständig schmilzt. Weil das Verbindungsteil als Ganzes geschmolzen ist, konnte eine ausreichende Benetzung ohne Druckbeaufschlagung erreicht werden. Nach dem Verbinden bestand der größte Teil des Verbindungsteils aus einer Zn-Al-Zn-Legierung (in einigen Fällen war eventuell noch eine Zn-Phase vorhanden), in einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Verbindungsteil und in einer Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil und der Metallkappe gab es praktisch keine Al-Oxidschichten und die Fläche der Al-Oxidschicht in den jeweiligen Grenzschichten war kleiner als 5 der gesamten Fläche der jeweiligen Grenzflächen. Daher kann eine ausreichende Haftfestigkeit erzielt werden.
Weil der größte Teil des Verbindungsteils aus einer Zn-Al-Legierung besteht (in einigen Fällen ist eventuell noch eine Zn-Phase vorhanden), ist außerdem ein Teil mit dem niedrigsten Schmelzpunkt eutektisches Zn-6Al von 382°C. Das heißt, es wird angenommen, dass das Verbindungsteil eine Wärmebeständigkeit von 380°C aufweist. Obwohl die Al-Schicht verschwunden ist, liegen zudem keine harten und spröden intermetallischen Verbindungen in der Zn-Al-Legierungsphase vor (Zn und Al bilden keine intermetallischen Verbindungen), und das Verbindungsteil weist gute Spannungsrelaxationseigenschaften auf, das heißt eine gute Verbindungszuverlässigkeit. Insbesondere ist die Dicke der Al-Schicht vorzugsweise größer als das Dickenverhältnis von 1:0,52 bis 0,59:1 zwischen den Zn/Al/Zn-Schichten des Verbindungsmaterials, so dass der Al-Gehalt des Verbindungsteils mehr als 9 Massen-% beträgt, wenn das Al vollständig verschwunden ist. Indem die Al-Schicht dicker als 1:0,52:1 gemacht wird, beträgt der Al-Gehalt des Verbindungsteils mehr als 9 Massen-% und weniger als 10 Massen-%, wenn das Al vollständig verschwunden ist, wodurch das Verhältnis der Al-reichen Zn-Al-Phase in dem Verbindungsteil mehr als 20% der Zn-6Al-Phase ausmacht, was die Ausbreitung von Rissen verhindert und dadurch die Spannungsrelaxationseigenschaften, das heißt die Verbindungszuverlässigkeit, verbessert. Wenn die Dicke der Al-Schicht größer als 1:0,59:1 wird, steigt der Al-Gehalt des Verbindungsteils über 10 Massen-% In diesem Fall verschwindet die Al-Schicht bei der Verbindungstemperatur von 420°C nicht vollständig, und daher muss die Temperatur weiter erhöht werden.
Ähnliche Ergebnisse sind bei Verwendung eines Verbindungsmaterials (Zn/Al/Zn-Hüllmaterial) nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten worden.
Ein Verbindungsmaterial (Zn/Al/Zn-Hüllmaterial) nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch verwendet werden, um ein Halbleiterelement und ein Substrat in einer Halbleitervorrichtung miteinander zu verbinden. In diesem Fall wurden ähnliche Wirkungen wie bei Verwendung des Verbindungsmaterials zum Die-Bonden in einer Halbleitervorrichtung oder zum Verbinden eines hermetisch eingeschlossenen Abschnitts in einer Halbleitervorrichtung erhalten.
Erste Ausführungsform
6 zeigt eine Tabelle mit der Dicke der jeweiligen Schichten der in diesem Arbeitsbeispiel verwendeten Hüllmaterialien (Hüllmaterialien 1 bis 8). Das Hüllmaterial 1 weist zum Beispiel eine 19 μm dicke Zn-Schicht, eine 10 μm dicke Al-Schicht und eine 19 μm dicke Zn-Schicht auf. Die Dicken der anderen Hüllmaterialien sind in ähnlicher Weise angegeben. Hier stehen die Hüllmaterialien 1 bis 4 für die in dem Arbeitsbeispiel für die vorliegende Erfindung verwendeten Verbindungsmaterialien, während die Hüllmaterialien 5 bis 7 für die als Vergleichsbeispiele verwendeten Verbindungsmaterialien stehen.
Die in dem nachstehend beschriebenen Arbeitsbeispiel verwendeten Zn/Al/Zn-Hüllmaterialien wurden mit einem in 3 oder 4 gezeigten Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmaterials hergestellt.
Arbeitsbeispiele 1 bis 12
7 zeigt ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Halbleitervorrichtung 11 umfasst ein Halbleiterelement 1, einen Rahmen 2, mit dem das Halbleiterelement 1 verbunden ist, eine Zuleitung 5, deren eines Ende als externer Anschluss dient, einen Draht 4, der das andere Ende der Zuleitung 5 mit einer Elektrode des Halbleiterelements 1 verbindet, und ein Siegelharz 6, das das Halbleiterelement 1 und den Draht 4 einschließt, wobei das Halbleiterelement 1 und der Rahmen 2 über ein Verbindungsteil 10 miteinander verbunden sind.
Ein nach einem in 3 oder 4 gezeigten Herstellungsverfahren hergestelltes Verbindungsmaterial wurde zwischen dem Halbleiterelement 1 und dem Rahmen 2 angeordnet, und die Halbleitervorrichtung 11 wurde über das Verbindungsteil 10 einem Die-Bonden mit dem in 3 oder 4 gezeigten Verbindungsmaterial unterzogen.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der in 7 gezeigten Halbleitervorrichtung 11 beschrieben. Die Halbleitervorrichtung 11 wurde mit den folgenden Schritten hergestellt: Anordnen eines mit einem in 3 oder 4 gezeigten Herstellungsverfahren hergestellten Verbindungsmaterials auf den mit Ni, Ni/Ag oder Ni/Au plattierten Rahmen 2, Laminieren des Halbleiterelements 1 mit einer Größe von 5 mm² darauf und anschließendes Erwärmen bei 400 bis 420°C für 2 bis 5 Minuten in einer N₂-Atmosphäre zum Die-Bonden ohne Druckbeaufschlagung. Ein Querschnitt des mittels Die-Bonden erhaltenen Verbindungsteils (Zn-Al-Legierung) 10 ist in 8 gezeigt. Weil die Al-Schicht des Verbindungsmaterials (Zn/Al/Zn-Hüllmaterial) mit einer Dicke von weniger als 50 μm dick ist, ist die Al-Schicht beim Verbinden durch eine Reaktion zwischen Zn und Al aufgrund des Erwärmens verschwunden, und das Verbindungsteil ist vollständig geschmolzen. Folglich konnten der Rahmen 2 und das Halbleiterelement 1 ohne Druckbeaufschlagung verbunden werden. Nach dem Erwärmen wechselte das Verbindungsteil 10 zu einer Zn-Al-Legierungsphase. Danach wurden das Halbleiterelement 1 und die Zuleitung 5 mit dem Draht 4 drahtgebondet und mit dem Siegelharz 6 bei 180°C eingeschlossen.
9 zeigt eine Tabelle mit den Testergebnissen für die Spannungsrelaxationseigenschaften auf der Grundlage der Risswachstumsrate in dem Querschnitt des Verbindungsteils bei der jeweiligen Anzahl der Temperaturwechselzyklen bei –55°C/150°C (15 Minuten/15 Minuten). Die Prüfung wurde für die Benetzbarkeit beim Die-Bonden und das Die-Banden selbst nur für jedes der in 4 gezeigten Hüllmaterialien 1 bis 4 durchgeführt. Ein Teil der Ergebnisse der Temperaturwechselprüfung als Referenz für die Bewertung der in 9 gezeigten Ergebnisse für das Spannungsrelaxationsverhalten ist in 10 gezeigt, zusammen mit denen für die Vergleichsbeispiele 1 bis 18.
Die Testergebnisse für die Benetzbarkeit wurden in drei Kategorien eingeteilt mit „o” entsprechend einer Benetzung von 90% oder mehr bezogen auf die Fläche (25 mm²) des Halbleiterelements, „Δ” entsprechend einer Benetzung von mehr als 75% und weniger als 90% und „X” entsprechend einer Benetzung von weniger als 75%. Die Testergebnisse für das Spannungsrelaxationsverhalten wurden in drei Kategorien eingeteilt mit „o” entsprechend einer Risswachstumsrate unter dem vorhandenen Pb-1,5Ag-5Sn-Lot, „Δ” entsprechend einer Risswachstumsrate von weniger als 125% des vorhandenen Pb-1,5Ag-5Sn-Lots und „X” entsprechend einer Risswachstumsrate von mehr als 125% des Pb-1,5Ag-5Sn-Lots. „-” gibt an, dass das Verbindungsmaterial nicht verbunden werden konnte und daher eine Bewertung der Temperaturwechselprüfung, das heißt des Spannungsrelaxationsverhaltens, nicht möglich war.
Nach den Testergebnissen konnte beim Verbinden mit dem Verbindungsmaterial der Hüllmaterialien 1 bis 4 (Zn/Al/Zn) eine Benetzbarkeit von 90% oder mehr erzielt werden. Beim Spannungsrelaxationsverhalten zeigte das Hüllmaterial 1, das mit einer Gesamtdicke von 50 μm dünn ist, eine Risswachstumsrate von 100 bis 125% bezogen auf das vorhandene Pb-1,5Ag-5Sn-Lot und wurde daher als „Δ” eingestuft, während jedes der Hüllmaterialien 2 bis 4 eine geringere Risswachstumsrate als das vorhandene Pb-1,5Ag-5Sn-Lot aufwies und daher als „o” eingestuft wurde.
Andererseits musste bei den Vergleichsbeispielen 1 bis 9 (in 6 gezeigte Hüllmaterialien 5 bis 7) das Aneinanderhaften einer Verbindungsfläche eines zu verbindenden Elements und einer Zn-Schicht des Zn/Al/Zn-Hüllmaterials bewirkt werden, um eine ausreichende Verbindungsfähigkeit zu erhalten, wofür die Hüllmaterialien beim Verbinden mit einer Last von 1,75 g/mm² druckbeaufschlagt werden mussten. Alle so hergestellten Probekörper wurden hinsichtlich der Benetzbarkeit und des Spannungsrelaxationsverhaltens mit „o” eingestuft.
Weil sich auf der Oberfläche einer geschmolzenen Zn-Al-Legierung eine starre Al-Oxidschicht gebildet hatte, zeigte bei den Vergleichsbeispielen 10 bis 12 (Zn-6Al-5Ge) jedes der Vergleichsbeispiele eine Benetzung von weniger als 75% bezogen auf den Rahmen. Folglich lag fast keine Benetzung vor, weshalb das Spannungsrelaxationsverhalten nicht untersucht werden konnte. Bei den Vergleichsbeispielen 13 bis 15 (Zn) konnte eine Benetzung von 90% oder mehr erzielt werden, indem eine Verbindung bei einer Temperatur von 420°C, dem Schmelzpunkt von Zn, oder höher hergestellt wurde. Einige Halbleiterelemente brachen jedoch aufgrund der nicht erfolgten Verringerung der Wärmebeanspruchung wegen des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement und dem Rahmen aus Cu beim Abkühlen nach dem Verbinden. Beispiele, bei denen es nicht zum Bruch kam, wurden der Temperaturwechselprüfung unterzogen. Als Ergebnis trat ein Bruch der Halbleiterelemente auf. Bei den Vergleichsbeispielen 16 bis 18 (vorhandenes Pb-1,5Ag-5Sn) wurden sowohl die Benetzbarkeit als auch das Spannungsrelaxationsverhalten als „o” eingestuft. Obwohl bei dieser Untersuchung eine Last von 0,02 g/mm² beim Verbinden ausgeübt wurde, kann eine Verbindung auch ohne Druckbeaufschlagung erreicht werden. Die Vergleichsmaterialien enthalten jedoch 93,5 Massen-% Blei.
Wie vorstehend beschrieben und entsprechend den Arbeitsbeispielen 1 bis 12 wurde festgestellt, dass bei Verwendung eines Verbindungsmaterial (in 3 oder 4 gezeigt) nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Die-Bonden der Halbleitervorrichtung 11 eine dünne Al-Schicht mit einer Dicke von weniger als 50 μm in einer Reaktion zwischen Zn und Al während des Erwärmens beim Verbinden verschwindet, wodurch das Verbindungsteil vollständig schmilzt und eine Verbindung ohne Druckbeaufschlagung erreicht werden kann.
Arbeitsbeispiele 13 bis 24
11 zeigt ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 11 gezeigt, werden die Arbeitsbeispiele 13 bis 24 mit einem in 3 oder 4 gezeigten Verbindungsmaterial als Vergussmaterial der Halbleitervorrichtung 21 verbunden, die ein hermetisches Einschließen erfordert. Die Halbleitervorrichtung 21 umfasst ein Halbleiterelement 1, ein Modulsubstrat 23, mit dem das Halbleiterelement 1 verbunden ist, eine Zuleitung 5, deren eines Ende als externer Anschluss dient, und einen Draht 4, der das andere Ende der Zuleitung 5 und eine Elektrode des Halbleiters 1 verbindet, wobei der Halbleiter 1 und der Draht 4 hermetisch eingeschlossen wurden, das Halbleiterelement 1 und die Chip-Komponenten wurden mit einem bleifreien Lot 3 auf Sn-Basis, einem leitfähigen Klebstoff, einem Pulververbundstoff aus Cu-Pulver/Lot auf Sn-Basis oder dergleichen mit dem Modulsubstrat 23 verbunden und ein Verbindungsmaterial 10a wurde zwischen dem Modulsubstrat 23 und der Metallkappe 22 angeordnet und durch Erwärmen bei 400 bis 420°C für 2 bis 5 Minuten ohne Druckbeaufschlagung verbunden. Weil die Dicke der Al-Schicht in dem Verbindungsmaterial (Zn/Al/Zn-Hüllmaterial) mit unter 50 μm dünn ist, verschwindet die Al-Schicht durch eine Reaktion zwischen Zn und Al aufgrund des Erwärmens beim Verbinden. Folglich konnte eine Verbindung ohne Druckbeaufschlagung erreicht werden. Nach dem Erwärmen wechselte das Verbindungsteil 10a zu einer Zn-Al-Legierungsphase.
Die Metallkappe kann als eine in das Verbindungsmaterial 22a integrierte Metallkappe durch Walzplattieren einer Metalllegierung 24 wie etwa Kovar und Invar mit der Al-Schicht 102 und der Zn-Schicht 101 hergestellt werden, wie in 12 gezeigt.
Die Testergebnisse für die Benetzbarkeit der Arbeitsbeispiele 13 bis 24 (in 6 gezeigte Hüllmaterialien 1 bis 4) nach dem Einschließen sind in 13 gezeigt. Die Testergebnisse für die Benetzbarkeit wurden in zwei Kategorien eingeteilt mit „o” entsprechend einer ausreichenden Benetzung zur Aufrechterhaltung der Luftdichtigkeit bezogen auf eine Dichtfläche und „X” entsprechend einer Benetzung, die aufgrund eines Hohlraums, eines Risses oder dergleichen nicht ausreicht, um die Luftdichtigkeit aufrechtzuerhalten. Nach den Testergebnissen konnte beim Verbinden mit den Verbindungsmaterialien der Hüllmaterialien 1 bis 4 (Zn/Al/Zn) eine Benetzbarkeit von 90% oder mehr erreicht werden.
Andererseits musste bei den Vergleichsbeispielen 19 bis 24 (in 6 gezeigte Hüllmaterialien 5 und 6) das Aneinanderhaften einer Fläche eines zu verbindenden Materials und einer Zn-Schicht des Zn/Al/Zn-Hüllmaterials bewirkt werden, um eine ausreichende Verbindungsfähigkeit zu erhalten, wofür das Hüllmaterial beim Verbinden mit einer Last von 1,75 g/mm² druckbeaufschlagt werden musste. Alle so hergestellten Probekörper zeigten eine Benetzbarkeit von „o”. Die Vergleichsbeispiele 25 bis 27 (Zn-6Al-5Ge) konnten wegen unzureichender Benetzung und Hohlräumen nicht hermetisch eingeschlossen werden, weil sich auf der Oberfläche einer geschmolzenen Zn-Al-Legierung eine starre Al-Oxidschicht gebildet hatte.
Wie vorstehend beschrieben, zeigen die Arbeitsbeispiele 13 bis 24, dass durch Verwendung des Verbindungsmaterials 10a nach dieser Ausführungsform als Dichtmittel für die Halbleitervorrichtung 21 eine dünne Al-Schicht mit einer Dicke von 50 μm bewirkt, dass Zn und Al aufgrund des Erwärmens beim Verbinden miteinander reagieren, wodurch die Al-Schicht verschwindet und das Verbindungsteil vollständig schmilzt, so dass eine Verbindung ohne Druckbeaufschlagung erreicht werden kann.
Zweite Ausführungsform
14 zeigt ein Verbindungsmaterial (in 3 oder 4 gezeigt) nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das als Bondhügel 10 einer Halbleitervorrichtung 31 verwendet wird, die eine Flip-Chip-Montage erfordert. Die Halbleitervorrichtung 31 umfasst ein Halbleiterelement 1 und ein Substrat 34, auf dem das Halbleiterelement 1 befestigt ist, wobei das Halbleiterelement 1 und das Substrat 34 über ein Verbindungsmaterial 10b miteinander verbunden sind.
Die Halbleitervorrichtung 31 wurde durch Anordnen des Verbindungsmaterials 10b zwischen der Kontaktfläche eines Substrats 34 mit einem Cu-Draht 35, der eine Ni- oder Ni/Au-Plattierung 36 erhalten hat, und einer Elektrode des Halbleiterelements 1 mit einem Al-Draht 32, der eine Zn-Plattierung 33 erhalten hat, und anschließendes Verbinden bei 380°C ohne Druckbeaufschlagung hergestellt.
Bei anderen Arbeitsbeispielen kann durch Verwendung des Verbindungsmaterials 10b nach dieser Ausführungsform als Bondhügel der Halbleitervorrichtung 31 ebenfalls eine Verbindung ohne Druckbeaufschlagung erreicht werden.
Dritte Ausführungsform
19 zeigt ein Beispiel für den Querschnitt eines Verbindungsmaterials nach der vorliegenden Erfindung. Das Verbindungsmaterial umfasst eine Zn-Schicht 301 und eine Legierungsschicht auf Al-Basis 302 und wird durch Laminieren der Zn-Schicht (auch einfach als Zn bezeichnet) 301, der Legierungsschicht auf Al-Basis (auch einfach als Legierung auf Al-Basis bezeichnet) 302 und der Zn-Schicht (auch einfach als Zn bezeichnet) 301 in dieser Reihenfolge hergestellt. Weil die mittlere Legierungsschicht auf Al-Basis eines oder mehr Metalle, ausgewählt aus der Gruppe mit Mg, Sn, Ge, Bi und In, enthält, wird hierbei eine Legierung auf Zn-Al-Basis mit einem Schmelzpunkt unter 350°C gebildet, wenn die Legierung auf Al-Basis mit Zn reagiert. Wenn die Legierungsschicht auf Al-Basis Mg enthält, beträgt der Mg-Gehalt vorzugsweise 20 bis 50 Massen-%. Wenn die Legierungsschicht auf Al-Basis zusätzlich zu Mg auch Sn enthält, beträgt außerdem der Sn-Gehalt vorzugsweise 20 bis 50 Massen-%. Mit einer Legierungsschicht auf Al-Basis mit dieser Zusammensetzung kann eine Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis, eine Legierung auf Zn-Al-Mg-Sn-Basis, eine Legierung auf Zn-Al-Mg-Ge-Basis oder dergleichen mit einem niedrigen Schmelzpunkt an dem Verbindungsteil gebildet werden.
17 zeigt ein Verfahren zum Walzplattieren für die Herstellung eines Verbindungsmaterials nach der vorliegenden Erfindung. Hier stehen 301a, 302a und 301a für eine Zn-Schicht, eine Legierungsschicht auf Al-Basis bzw. eine Zn-Schicht. Diese Schichten werden laminiert und mit einer Walze 303 gewalzt, das heißt ein Walzplattieren wird durchgeführt. Beim Walzen mit der Walze 303 werden die Zn-Schicht 301 und die Legierungsschicht auf Al-Basis 302a miteinander verbunden und gleichzeitig durch die Presskraft weitgehend verformt. Folglich werden die auf der Oberfläche der Zn-Schicht 301a und der Legierungsschicht auf Al-Basis 302a gebildeten Oxidschichten aufgebrochen und beide Schichten werden über eine neu entstandene Oberfläche metallisch verbunden.
18 zeigt ein Verfahren zum Pressformen zur Herstellung eines Verbindungsmaterials nach der vorliegenden Erfindung. Hier stehen 301b, 302b und 301b für eine Zn-Schicht, eine Legierungsschicht auf Al-Basis bzw. eine Zn-Schicht. Diese Schichten werden laminiert und mit einer Pressformmaschine 304 formgepresst. Beim Pressformen mit der Pressformmaschine 304 werden die Zn-Schicht 301b und die Legierungsschicht auf Al-Basis 302b miteinander verbunden und gleichzeitig durch die Presskraft weitgehend verformt. Folglich werden die auf der Oberfläche der Zn-Schicht 301b und der Legierungsschicht auf Al-Basis 302b gebildeten Oxidschichten aufgebrochen und beide Schichten werden über eine neu entstandene Oberfläche metallisch verbunden. Wenn das Pressformen so durchgeführt wird, dass keine Wärmebeanspruchung bis zu einer Temperatur erfolgt, bei der die Diffusion der Zn- und Al-Legierungen auffällig wird, erreichen die Bestandteile der Legierung auf Al-Basis die äußere Fläche durch Diffusion der äußeren Zn-Schicht nicht, und daher kann eine gute Benetzung beim Verbinden erreicht werden.
21 zeigt ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung, die mit einem Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung verbunden worden ist. Mit einem nach einem in 17 oder 18 gezeigten Herstellungsverfahren hergestellten Zn/Legierung auf Al-Basis/Zn-Hüllmaterial wird ein Die-Banden in einem Halbleiter durchgeführt. Im Einzelnen umfasst eine Halbleitervorrichtung 211 ein Halbleiterelement 201, einen Rahmen 202, der mit dem Halbleiterelement über ein Verbindungsmaterial 210 verbunden ist, eine Zuleitung 205, deren eines Ende als externer Anschluss dient, einen Draht 204, der das andere Ende der Zuleitung 205 und eine Elektrode des Halbleiterelements 201 miteinander verbindet, und ein Harz 206 zum Einschließen des Halbleiterelements 201 und des Drahtes 204, wobei das mit dem in 17 oder 18 gezeigten Herstellungsverfahren hergestellte Zn/Legierung auf Al-Basis/Zn-Hüllmaterial verwendet wurde, um das Halbleiterelement 201 und den Rahmen 202 miteinander zu verbinden.
Beim Verbinden reagieren die Legierungsschicht auf Al-Basis und die Zn-Schicht des Zn/Legierung auf Al-Basis/Zn-Hüllmaterials miteinander, wodurch das Verbindungsteil zu einer Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen wechselt. Weil der Schmelzpunkt der Legierung niedriger als 350°C ist, kann durch eine eutektische Verbindung der Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen eine Verbindung bei einer niedrigen Temperatur von 350°C erreicht werden. Außerdem zerbricht das Halbleiterelement nicht beim Abkühlen nach dem Verbinden. Weil das Verbindungsteil eine Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen enthält, sinkt außerdem der Schmelzpunkt unter 350°C, bleibt jedoch mindestens höher als 300°C. Daher weist das Verbindungsteil eine Wärmebeständigkeit von 300°C auf, was ausreicht, um dem Aufschmelzlöten bei 260°C in einem nachgeschalteten Prozess vollständig standzuhalten. Weiter liefert dieses Herstellungsverfahren auch die Wirkung, dass dank des Spannungsrelaxationsverhaltens der mittleren Legierungsschicht auf Al-Basis eine gute Verbindungszuverlässigkeit erreicht werden kann.
Ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung 211 wird beschrieben. Ein Verbindungsmaterial wird auf den mit Ni, Ni/Ag oder Ni/Au plattierten Rahmen aufgebracht, und das Halbleiterelement 201 mit einer Größe von 5 mm² wird darauf laminiert. Danach wird die laminierte Struktur in einer N₂-Atmosphäre bei 350°C für 2 Minuten unter Druckbeaufschlagung einem Die-Bonden unterzogen, um das Halbleiterelement 1 und den Rahmen 2 mit dem Lot 10 miteinander zu verbinden. 8 zeigt den Querschnitt eines Verbindungsteils der mit Lot verbundenen Halbleitervorrichtung 1. Durch das Erwärmen beim Verbinden reagieren die Legierungen auf Zn- und Al-Basis miteinander, so dass eine Verbindung bei einer niedrigen Temperatur von 350°C erreicht werden kann, und nach dem Verbinden wechselt das Verbindungsteil zu einer Legierungsphase auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen. Danach werden die Halbleitervorrichtung 1 und die Zuleitung 5 durch Drahtbonden mit dem Draht 4 miteinander verbunden und mit dem Siegelharz 6 bei 180°C eingeschlossen.
25 zeigt ein Konfigurationsdiagramm einer Halbleitervorrichtung 221, bei der ein Zn/Legierung auf Al-Basis/Zn-Hüllmaterial nach der vorliegenden Erfindung zum Verbinden und Die-Bonden eines hermetisch eingeschlossenen Abschnitts in der Halbleitervorrichtung verwendet wurde.
Im Einzelnen umfasst die Halbleitervorrichtung 221 ein Halbleiterelement 201, ein Substrat 223, das mit dem Halbleiterelement 201 über eine Legierung auf Zn/Al-Basis/Zn-Hüllmaterial nach der vorliegenden Erfindung verbunden ist, eine Zuleitung 205, deren eines Ende als externer Anschluss dient, einen Draht 204, der das andere Ende der Zuleitung 205 und eine Elektrode des Halbleiterelements 201 verbindet, und eine Metallkappe 222, die die Halbleitervorrichtung 201 und den Draht 204 hermetisch einschließt und mit dem Substrat 223 verbunden ist, wobei das Zn/Legierung auf Al-Basis/Zn-Hüllmaterial nach der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, um das Substrat 223 und die Metallkappe 222 miteinander zu verbinden.
Beim Verbinden reagieren die Legierungsschicht auf Al-Basis und die Zn-Schicht des Zn/Legierung auf Al-Basis/Zn-Hüllmaterials miteinander, wodurch das Verbindungsteil zu einer Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen wechselt. Weil der Schmelzpunkt der Legierung niedriger als 350°C ist, kann durch eine eutektische Verbindung der Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen eine Verbindung bei einer niedrigen Temperatur von 350°C erreicht werden. Weiter treten an dem Verbindungsteil der nach dieser Ausführungsform verbundenen Halbleitervorrichtung keine Risse auf. Weil das Verbindungsteil eine Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen enthält, sinkt außerdem der Schmelzpunkt unter 350°C, bleibt jedoch mindestens höher als 300°C. Daher weist das Verbindungsteil eine Wärmebeständigkeit von 300°C auf, was ausreicht, um dem Aufschmelzlöten bei 260°C in einem nachgeschalteten Prozess vollständig standzuhalten. Weiter liefert dieses Herstellungsverfahren auch die Wirkung, dass dank des Spannungsrelaxationsverhaltens der mittleren Legierungsschicht auf Al-Basis eine gute Verbindungszuverlässigkeit erreicht werden kann. Ähnliche Wirkungen können auch in einer Halbleitervorrichtung erzielt werden, die durch Die-Bonden mit dem Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung verbunden worden ist.
Die in 25 gezeigte Halbleitervorrichtung 221 wird mit einem Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung als Dichtmittel zum hermetischen Einschließen hergestellt. Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung 221 beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: hermetisches Einschließen des Halbleiterelements 201 und des Drahts 204, Verbinden des Halbleiterelements 201, des Chip-Elements und dergleichen mit dem Substrat 223 mit bleifreiem Lot 203 auf Sn-Basis, einem leitfähigen Klebstoff, einem Pulververbundmaterial aus Cu-Pulver/Lot auf Sn-Basis oder dergleichen, Anordnen des Verbindungsmaterials 210a zwischen dem Substrat 223 und der Metallkappe 222 und Verbinden durch Erwärmen des Verbindungsmaterials 210a bei 350°C für 2 Minuten unter Druckbeaufschlagung. Durch das Erwärmen beim Verbinden reagieren Zn und die Legierung auf Al-Basis miteinander, so dass eine Verbindung bei einer niedrigen Temperatur von 350°C erreicht werden kann. Nach dem Verbinden wechselt das Verbindungsteil zu einer Legierungsphase auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen.
Die Metallkappe 222 kann als eine in das Verbindungsmaterial 222a integrierte Metallkappe durch Walzplattieren einer Metalllegierung 224 wie etwa Kovar und Invar mit der Legierungsschicht auf Al-Basis 102 und der Zn-Schicht 301 hergestellt werden, wie in 25 gezeigt.
Weiter kann zum Verbinden des Halbleiterelements 201 und des Substrats 223 in der Halbleitervorrichtung 221 auch ein Zn/Legierung auf Al-Basis/Zn-Hüllmaterial nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Im Einzelnen kann die Halbleitervorrichtung 221 das Halbleiterelement 201 und das Substrat 223 umfassen, das mit dem Lot 203 mit dem Halbleiterelement 201 verbunden ist, verbunden mit einem Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung.
Beim Verbinden reagieren die Legierungsschicht auf Al-Basis und die Zn-Schicht des Zn/Legierung auf Al-Basis/Zn-Hüllmaterials miteinander, wodurch das Verbindungsteil zu einer Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen wechselt. Weil der Schmelzpunkt der Legierung niedriger als 350°C ist, kann durch eine eutektische Verbindung der Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen eine Verbindung bei einer niedrigen Temperatur von 350°C erreicht werden. Außerdem zerbricht das Halbleiterelement beim Abkühlen nach dem Verbinden nicht und es treten keine Rissen an dem Verbindungsteil auf. Weil das Verbindungsteil eine Legierung auf Zn-Al-Mg-Basis oder dergleichen enthält, sinkt außerdem der Schmelzpunkt unter 350°C, bleibt jedoch mindestens hoher als 300°C. Daher weist das Verbindungsteil eine Wärmebeständigkeit von 300°C auf, was ausreicht, um dem Aufschmelzlöten bei 260°C in einem nachgeschalteten Prozess vollständig standzuhalten. Weiter liefert dieses Herstellungsverfahren auch die Wirkung, dass dank des Spannungsrelaxationsverhaltens der mittleren Legierungsschicht auf Al-Basis eine gute Verbindungszuverlässigkeit erreicht werden kann.
20 zeigt eine Tabelle mit den Testbedingungen für Verbindungsmaterialien nach der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Dicke, der Zusammensetzung der Al-Legierungsschicht und der Bemerkungen für die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Hüllmaterialien 8 bis 20. Das Hüllmaterial 8 weist eine 20 μm dicke Zn-Schicht, eine 40 μm dicke Al-Schicht und eine 20 μm dicke Zn-Schicht auf. Die Dicken der Hüllmaterialien 9 bis 19 sind in ähnlicher Weise angegeben. Als Legierungsschicht auf Al-Basis wurden vier Arten von Legierungsschichten einschließlich Al-44Mg, Al-34Mg-23Sn, Al-27Mg-36Ge und Al verwendet. Hier sind die Hüllmaterialien 8 bis 16 Verbindungsmaterialien nach der vorliegenden Erfindung, während die Hüllmaterialien 17 bis 19 zu Vergleichszwecken verwendete Verbindungsmaterialien sind. Bei den nachstehend beschriebenen Arbeitsbeispielen wurden alle Zn/Legierung auf Al-Basis/Zn-Hüllmaterialien mit dem in 17 gezeigten Walzplattierverfahren hergestellt.
23 zeigt eine Tabelle mit den Testergebnissen für die Benetzbarkeit und das Vorliegen oder Nichtvorliegen von Rissen im Chip nach dem Verbinden in einer Halbleitervorrichtung, die mit einem Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung verbunden ist. Die Arbeitsbeispiele 25 bis 51 zeigen die Benetzbarkeit und Rissbildung im Chip nach dem Verbinden, wenn die Halbleitervorrichtungen durch Die-Bonden mit Hüllmaterialien hergestellt wurden, bei denen es sich um Verbindungsmaterialien nach der vorliegenden Erfindung handelt. Die Vergleichsbeispiele 28 bis 36 zeigen die Benetzbarkeit und Rissbildung im Chip nach dem Verbinden, wenn die Halbleitervorrichtungen durch Die-Bonden mit den Hüllmaterialien 17 bis 19 hergestellt wurden, deren Zusammensetzung der Legierungsschicht auf Al-Basis aus Al besteht.
Die Testergebnisse für die Benetzbarkeit wurden in drei Kategorien eingeteilt mit „o” entsprechend einer Benetzbarkeit von 90% oder mehr bezogen auf die Fläche (25 mm²) des Halbleiterelements, „Δ” entsprechend einer Benetzbarkeit von weniger als 90% und mehr als 75% und „X” entsprechend einer Benetzbarkeit von weniger als 75%.
Als Ergebnis der Tests zeigten bei den Arbeitsbeispielen 25 bis 51, bei denen die Hüllmaterialien 8 bis 16 verwendet wurden, alle Hüllmaterialien mit jeder Art von Rahmenplattierung eine Benetzbarkeit von mehr als 90%. In gleicher Weise zeigten alle Hüllmaterialien mit jeder Art von Rahmenplattierung keine Rissbildung nach dem Verbinden.
Andererseits zeigten bei den Vergleichsbeispielen 28 bis 36, bei denen die Hüllmaterialien 17 bis 19 verwendet wurden, alle Vergleichsbeispiele 28 bis 36 eine Benetzbarkeit von mehr als 90% ähnlich den Arbeitsbeispielen 25 bis 51. Bei allen Vergleichsbeispielen trat jedoch Rissbildung nach dem Verbinden auf. Es wird angenommen, dass die hohe Erstarrungstemperatur der Vergleichsbeispiele 28 bis 36 in dem Verbindungsteil von 382°C (Schmelzpunkt von Zn-6Al) zum Auftreten von Rissbildung beiträgt.
Wie vorstehend beschrieben, wurde anhand der Arbeitsbeispiele 25 bis 51 festgestellt, dass durch Verwendung von Verbindungsmaterialien nach der vorliegenden Erfindung zum Die-Bonden der Halbleitervorrichtung eine Verbindung bei einer niedrigen Temperatur von 350°C erreicht werden kann, wodurch die Wärmebeanspruchung beim Abkühlen nach dem Verbinden verringert und der Bruch des Halbleiterelements verhindert werden können.
24 zeigt eine Tabelle mit den Testergebnissen für die Benetzbarkeit und das Vorliegen oder Nichtvorliegen von Rissen im Chip nach dem Verbinden in der in 25 gezeigten Halbleitervorrichtung 221, die mit Verbindungsmaterialien nach der vorliegenden Erfindung verbunden ist. Die Arbeitsbeispiele 52 bis 69 zeigen die Benetzbarkeit und Rissbildung im Chip nach dem Verbinden für die Halbleitervorrichtung 221, die mit Hüllmaterialien verbunden ist, bei denen es sich um Verbindungsmaterialien nach der vorliegenden Erfindung handelt. Die Vergleichsbeispiele 37 bis 42 zeigen die Benetzbarkeit und die Rissbildung im Chip nach dem Verbinden für eine Halbleitervorrichtung, die durch Verbinden entweder mit dem Hüllmaterial 210 oder 211, dessen Zusammensetzung der Legierungsschicht auf Al-Basis aus Al besteht, hergestellt worden ist.
Die Testergebnisse für die Benetzbarkeit wurden in zwei Kategorien eingeteilt mit „o” entsprechend einer ausreichenden Benetzung zur Aufrechterhaltung der Luftdichtigkeit bezogen auf die Dichtfläche und „X” entsprechend der Nichtaufrechterhaltung der Luftdichtigkeit aufgrund eines Hohlraums, eines Risses oder dergleichen.
Als Ergebnis der Tests zeigten bei den Arbeitsbeispielen 52 bis 69, bei denen die Hüllmaterialien 8 bis 13 verwendet wurden, alle Hüllmaterialien mit jeder Art von Rahmenplattierung eine Benetzbarkeit von mehr als 90%. In gleicher Weise zeigten alle Hüllmaterialien mit jeder Art von Rahmenplattierung außerdem keine Rissbildung in dem Verbindungsteil nach dem Verbinden.
Andererseits zeigten bei den Vergleichsbeispielen 37 bis 42, bei denen das Hüllmaterial 210 oder 211 verwendet wurde, alle Vergleichsbeispiele 37 bis 42 eine Benetzbarkeit von mehr als 90% ähnlich den Arbeitsbeispielen 52 bis 69. Bei allen Vergleichsbeispielen trat jedoch Rissbildung nach dem Verbinden auf. Es wird angenommen, dass die hohe Erstarrungstemperatur der Vergleichsbeispiele 37 bis 42 in dem Verbindungsteil von 382°C (Schmelzpunkt von Zn-6Al) zum Auftreten von Rissbildung beiträgt.
Wie vorstehend beschrieben, wurde anhand der Arbeitsbeispiele 52 bis 69 festgestellt, dass durch Verwendung eines Verbindungsmaterials nach der vorliegenden Erfindung als Dichtmittel für die Halbleitervorrichtung eine Verbindung bei einer niedrigen Temperatur von 350°C erreicht werden kann, wodurch die Wärmebeanspruchung beim Abkühlen nach dem Verbinden verringert und das Auftreten von Rissen nach dem Verbinden verhindert werden können.
27 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung, die mit einem Verbindungsmaterial nach der vorliegenden Erfindung verbunden worden ist. Die Halbleitervorrichtung 231 wird mit dem Verbindungsmaterial 210b nach der vorliegenden Erfindung als Bondhügel einer Halbleitervorrichtung verbunden, die eine Flip-Chip-Montage erfordert. Die Halbleitervorrichtung 231 umfasst ein Halbleiterelement 201 und ein Substrat 234, auf dem das Halbleiterelement 201 befestigt ist, wobei das Halbleiterelement 201 und das Substrat 234 durch das Verbindungsmaterial 210b miteinander verbunden sind.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung 231 beschrieben. Das Verbindungsmaterial 210b wurde zwischen einer Kontaktfläche des Substrats 234 mit einem Cu-Draht, der eine Ni- oder Ni/Au-Plattierung erhalten hat, und einer Elektrode des Halbleiterelements 201 mit dem Draht 232, der eine Zn-Plattierung erhalten hat, angeordnet, und das Verbinden erfolgte unter Druckbeaufschlagung bei 350°C.
Bei anderen Ausführungsformen kann durch Verwendung des Verbindungsmaterials 210b nach der vorliegenden Erfindung als Bondhügel der Halbleitervorrichtung das Verbinden auch bei einer niedrigen Temperatur von 350°C erreicht werden, wodurch die Wärmebeanspruchung nach dem Verbinden verringert und der Bruch der Halbleitervorrichtung oder die Rissbildung in dem Bondhügel verhindert werden können.
Die von den Erfindern bereitgestellte vorliegende Erfindung ist, wie vorstehend angegeben, in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene weitere Modifikationen, Verbesserungen, Kombinationen und dergleichen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.
Das heißt, obwohl die Anwendung der vorliegenden Erfindung unter Nennung des Die-Bondens einer Halbleitervorrichtung beschrieben worden ist, kann die vorliegende Erfindung auf verschiedene Halbleitervorrichtungen angewendet werden, die ein Die-Bonden erfordern. Solche Halbleitervorrichtungen können zum Beispiel eine Wechseldiode, Frontend-Module wie etwa ein IGBT-Modul und ein HF-Modul, ein Fahrzeug-Leistungsmodul und dergleichen sein.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen vorstehend unter Angabe eines Falls beschrieben worden sind, bei dem eine Halbleitervorrichtung auf ein Modulsubstrat aufschmelzgelötet wird, kann die vorliegende Erfindung weiter auch für einen Fall angewendet werden, bei dem eine Halbleitervorrichtung für eine MCM-Konfiguration (Multi-Chip-Modul) verwendet wird.
Eine Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann als eine Halbleitervorrichtung für ein Leistungsbauteil, einen Leistungstransistor, ein Leistungsmodul, LSI und dergleichen benutzt werden und insbesondere als eine Halbleitervorrichtung, die ein bleifreies Verbindungsteil zum Die-Bonden, hermetischen Einschließen, Flip-Chip-Bonden und dergleichen erfordert.
Die vorliegende Erfindung bietet vorteilhafte Wirkungen dahingehend, dass ein Bonden ohne Druckbeaufschlagung möglich ist und dass ein Verbindungsmaterial mit guten Spannungsrelaxationseigenschaften erhalten werden kann.
Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne von deren Gedanken oder wesentlichen Merkmalen derselben abzuweichen. Die vorliegende Ausführungsform ist daher in jeder Hinsicht als der Illustration dienend und nicht als einschränkend anzusehen, wobei der Umfang der Erfindung durch die anliegenden Ansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben ist, und alle Änderungen im Sinne und im Bereich der Gleichwertigkeit der Ansprüche gelten daher als hierin enthalten.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterelement
2: Rahmen
3: Lot
4: Draht
5: Zuleitung
6: Harz
7: Halbleitervorrichtung
8: Hohlraum
10, 10a, 10b: Verbindungsmaterial
11: Halbleitervorrichtung
21: Halbleitervorrichtung
22, 22a: Metallkappe
23: Modulsubstrat
24: Metalllegierung
31: Halbleitervorrichtung
32: Al-Draht
33: Zn-Plattierung
34: Substrat
35: Cu-Draht
36: Ni- oder Ni/Au-Plattierung
101: Zn-Schicht
102: Al-Schicht
103: Walze
104: Pressformmaschine
201: Halbleiterelement
202: Rahmen
203: Lot
204: Draht
205: Zuleitung
206: Harz
207: Halbleitervorrichtung
208: Hohlraum
210, 210a, 210b: Verbindungsmaterial
211: Halbleitervorrichtung
221: Halbleitervorrichtung
222, 222a: Metallkappe
223: Modulsubstrat
224: Metalllegierung
231: Halbleitervorrichtung
232: Draht aus einer Legierung auf Al-Basis
233: Zn-Plattierung
234: Substrat
235: Cu-Draht
236: Ni- oder Ni/Au-Plattierung
301: Zn-Schicht
302: Legierungsschicht auf Al-Basis
303: Walze
304: Pressformmaschine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3850135 [0003]
JP 3945915 [0004]
JP 2008-126272 [0005]

Claims

Verbindungsmaterial, umfassend eine Al-Schicht und erste bzw. zweite Zn-Schichten, die jeweils auf den Hauptflächen der Al-Schicht aufgebracht sind, wobei das Dickenverhältnis der Al-Schicht im Hinblick auf die ersten und zweiten Zn-Schichten weniger als 0,59 beträgt.
Verbindungsmaterial nach Anspruch 1, wobei das Dickenverhältnis der Al-Schicht im Hinblick auf die ersten und zweiten Zn-Schichten mehr als 0,52 beträgt.
Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement, einem Rahmen und einem Verbindungsteil, das das Halbleiterelement und den Rahmen miteinander verbindet, wobei das Verbindungsteil aus einer Zn-Al-Legierung besteht, und eine Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil und dem Halbleiterelement bzw. eine Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil und dem Rahmen haben jeweils die Fläche einer Al-Oxidschicht, die mehr als 0% und weniger als 5% der gesamten Fläche der jeweiligen Grenzflächen beträgt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Verbindungsteil durch Erwärmen eines Hüllmaterials mit einer Zn-Schicht, einer Al-Schicht und einer Zn-Schicht gebildet wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Dicke der Al-Schicht des Hüllmaterials mehr als 10 μm und weniger als 50 μm beträgt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Verbindungsteil durch Erwärmen des Hüllmaterials von der Al-Schicht befreit wird.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Verbindungsteil gebildet wird, ohne das Hüllmaterial mit Druck zu beaufschlagen.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das Verbindungsteil nur aus einer Zn-Al-Legierung besteht.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Dickenverhältnis zwischen einer Zn-Schicht, einer Al-Schicht und einer Zn-Schicht des Hüllmaterials 1:(0,52 bis 0,59):1 beträgt.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der Al-Gehalt des Verbindungsteils mehr als 9 Massen-% und weniger als 10 Massen-% beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, das Verfahren umfassend das Vorsehen eines Verbindungsmaterials zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element und das Verbinden des ersten Elements und des zweiten Elements miteinander durch Erwärmen und Schmelzen des Verbindungsmaterials, wobei das Verbindungsmaterial eine Zn-Schicht auf jeder der Hauptflächen einer Al-Schicht umfasst und in dem Verbindungsschritt das Verbinden durch vollständiges Schmelzen der Al-Schicht und der Zn-Schichten des Verbindungsmaterials erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Dickenverhältnis der Al-Schicht im Hinblick auf die Zn-Schicht weniger als 0,59 beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Verbindungsmaterial nach dem Verbinden eine Zn-Al-Schicht umfasst und der Al-Gehalt der Zn-Al-Schicht mehr als 9 Massen-% beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Verbindungsschritt durchgeführt wird, ohne die ersten und zweiten Elemente und das Verbindungsmaterial mit Druck zu beaufschlagen.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das erste Element ein Halbleiterelement und das zweite Element ein Rahmen ist.
Verbindungsmaterial, umfassend eine Legierungsschicht auf Al-Basis, bestehend aus einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe mit Mg, Sn, Ge, Ga, Bi und In, und eine Legierungsschicht auf Zn-Basis, die auf jeder der äußeren Flächen der Legierungsschicht auf Al-Basis aufgebracht ist.
Verbindungsmaterial nach Anspruch 16, wobei die Legierungsschicht auf Al-Basis Mg enthält und ihr Mg-Gehalt 20 bis 50 Massen-% beträgt.
Verbindungsmaterial nach Anspruch 17, wobei die Legierungsschicht auf Al-Basis Sn enthält und der Sn-Gehalt der Legierungsschicht auf Al-Basis 20 bis 50 Massen-% beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmaterials, das Verfahren umfassend das Laminieren auf der ersten Legierungsschicht auf Zn-Basis einer Legierungsschicht auf Al-Basis, bestehend aus einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe mit Mg, Sn, Ge, Ga, Bi und In, das Lamini eren einer zweiten Legierungsschicht auf Zn-Basis auf der Legierungsschicht auf Al-Basis und das Walzplattieren der laminierten Struktur.
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmaterials, das Verfahren umfassend das Laminieren auf einer ersten Legierungsschicht auf Zn-Basis einer Legierungsschicht auf Al-Basis, bestehend aus einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe mit Mg, Sn, Ge, Ga, Bi und In, das Laminieren einer zweiten Legierungsschicht auf Zn-Basis auf der Legierungsschicht auf Al-Basis und das Pressformen der laminierten Struktur.
Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement, einem Rahmen, mit dem das Halbleiterelement verbunden ist, einer Zuleitung, deren eines Ende als externer Anschluss dient, einem Draht, der das andere Ende der Zuleitung und eine Elektrode des Halbleiterelements miteinander verbindet, und Harz zum Einschließen des Halbleiterelements und des Drahtes, wobei ein Verbindungsmaterial, das die Halbleitervorrichtung und den Rahmen miteinander verbindet, eine Legierungsschicht auf Al-Basis, bestehend aus einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe mit Mg, Sn, Ge, Ga, Bi und In, und eine Legierungsschicht auf Zn-Basis aufweist, die auf jeder der äußeren Flächen der Legierungsschicht auf Al-Basis aufgebracht ist.
Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement, einem Substrat, mit dem das Halbleiterelement verbunden ist, einer Zuleitung, deren eines Ende als externer Anschluss dient, einem Draht, der das andere Ende der Zuleitung und eine Elektrode des Halbleiterelements miteinander verbindet, und einer Metallkappe, die das Halbleiterelement und den Draht hermetisch einschließt und mit dem Substrat verbindet, wobei ein Verbindungsmaterial, das das Substrat und die Metallkappe miteinander verbindet, eine Legierungsschicht auf Al-Basis, bestehend aus einem oder mehreren Metallen, ausgewählt aus der Gruppe mit Mg, Sn, Ge, Ga, Bi und In, und eine Legierungsschicht auf Zn-Basis aufweist, die auf jeder der äußeren Flächen der Legierungsschicht auf Al-Basis aufgebracht ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 22, wobei ein Verbindungsmaterial, das das Halbleiterelement und das Substrat miteinander verbindet, eine Legierungsschicht auf Al-Basis, die eines oder mehrere Metalle enthält, ausgewählt aus der Gruppe mit Mg, Sn, Ge, Ga, Bi und In, und eine Legierungsschicht auf Zn-Basis aufweist, die auf jeder der äußeren Flächen der Legierungsschicht auf Al-Basis aufgebracht ist.
Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement, wobei ein Verbindungsmaterial, das das Halbleiterelement und ein Substrat, auf dem das Halbleiterelement befestigt ist, miteinander verbindet, eine Legierungsschicht auf Al-Basis, die eines oder mehrere Metalle enthält, ausgewählt aus der Gruppe mit Mg, Sn, Ge, Ga, Bi und In, und eine Legierungsschicht auf Zn-Basis aufweist, die auf jeder der äußeren Flächen der Legierungsschicht auf Al-Basis aufgebracht ist.