DE112018008122T5

DE112018008122T5 - Verbindungsstruktur, halbleitereinheit sowie verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE112018008122T5
Application number: DE112018008122.2T
Authority: DE
Inventors: Koji Yamazaki; Yoshio Tamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2021-07-22
Also published as: WO2020095411A1; JPWO2020095411A1; JP6509469B1; CN112997284A; US20210343676A1; US11764183B2

Abstract

Es wird eine Verbindungsstruktur angegeben, die zwischen einem Halbleiterelement und einem Substrat einzufügen ist, wobei die Verbindungsstruktur Folgendes aufweist: eine Sn-Phase; Cu-Legierungs-Partikel, die P in einer Menge von 1 Massen-% oder mehr und von weniger als 7 Massen-% enthalten; sowie Ag-Partikel, wobei die Cu-Legierungs-Partikel jeweils mit einer Cu₆Sn₅-Schicht beschichtet sind, wobei die Ag-Partikel jeweils mit einer Ag₃Sn-Schicht beschichtet sind, wobei die Cu-Legierungs-Partikel und die Ag-Partikel durch eine Cu₁₀Sn₃-Phase zumindest teilweise aneinander gebondet sind, wobei die Gesamtsumme von Zugabemengen der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel in Bezug auf die Verbindungsstruktur gleich 25 Massen-% oder größer und kleiner als 65 Massen-% ist und wobei ein Massenverhältnis der Zugabemenge der Ag-Partikel zu der Zugabemenge der Cu-Legierungs-Partikel gleich 0,2 oder größer und kleiner als 1,2 ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsstruktur, eine Halbleitereinheit sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derselben.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren gab es eine zunehmende Forderung in Bezug auf die Zuverlässigkeit von Halbleitereinheiten. Insbesondere gibt es einen großen Unterschied in Bezug auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Halbleiterelements und einer Leiterplatte, und demzufolge ist es erforderlich, die Zuverlässigkeit eines Verbindungsbereichs zu verbessern, der zwischen diesen eingefügt ist. In vielen Fällen wurden bisher als Halbleiterelement Elemente verwendet, die aus Silicium (Si), Galliumarsenid (GaAs) und dergleichen als Basismaterialien bestehen, und die Betriebstemperatur derselben liegt zwischen 100 °C und 125 °C.
Es ist erforderlich, dass ein Verbindungsmaterial, das für ein Verbinden dieser Halbleiterelemente mit der Leiterplatte verwendet werden soll, einen hohen Schmelzpunkt aufweist, der an ein Verbinden in mehreren Schritten, eine Rissbeständigkeit bei wiederholten thermischen Spannungen in Verbindung mit Start/Stopp sowie eine Kontaminationsbeständigkeit einer Halbleitereinheit angepasst werden kann. In Reaktion auf diese Anforderungen wird 95Pb-5Sn (Massen-%) als ein Verbindungsmaterial in einer Halbleitereinheit verwendet, bei der ein aus Si als Basismaterial bestehendes Halbleiterelement eingesetzt wird.
Darüber hinaus wird in einer Halbleitereinheit, bei der ein aus Galliumarsenid als Basismaterial bestehendes Halbleiterelement eingesetzt wird, 80Au-20Sn (Massen-%) als Verbindungsmaterial verwendet. 95Pb-5Sn, das eine große Menge an schädlichem Blei (Pb) enthält, bringt jedoch unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung der Umweltbelastung ein Problem mit sich. Darüber hinaus weist 80Au-20Sn, das eine große Menge an Edelmetall enthält, Probleme in Bezug auf steigende Preise für Edelmetalle und auf Vorräte derselben auf. Daher besteht eine hohe Nachfrage nach einem Verbindungsmaterial, das als Alternative für diese Verbindungsmaterialien dient.
Unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung wird dagegen als Halbleitereinheit der nächsten Generation engagiert eine Halbleitereinheit entwickelt, bei der ein aus Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) als Basismaterial bestehendes Halbleiterelement eingesetzt wird. Unter dem Gesichtspunkt einer Reduzierung von Leistungsverlusten wird die Betriebstemperatur dieser Halbleitereinheit mit 175 °C oder einer höheren Temperatur vorgegeben und soll in der Zukunft außerdem auf 300 °C erhöht werden. Daher ist es erforderlich, dass der zwischen dem Halbleiterelement und der Leiterplatte eingefügte Verbindungsbereich nicht reißt, auch wenn die Halbleitereinheit bei einer höheren Temperatur betrieben wird.
Daher ist es erforderlich, die Rissbeständigkeit des Verbindungsbereichs zu verbessern, wenn die Halbleitereinheit bei einer hohen Temperatur betrieben wird, während das Problem des herkömmlichen Verbindungsmaterials gelöst wird, das Blei oder ein Edelmetall enthält.
Im Hinblick auf die vorstehende Problematik ist in dem Patentdokument 1 als Verfahren zum Verbinden eines Halbleiterelements und eines Substrats in einer Halbleitereinheit ein Verbindungsverfahren angegeben, das die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen eines Verbindungsmaterials, das Cu-Partikel und Sn-Partikel enthält, auf eine Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements oder des Substrats; Herstellen eines Kontakts zwischen der Verbindungsoberfläche des Halbleiterelements und der Verbindungsoberfläche des Substrats, wobei das Verbindungsmaterial zwischen diesen eingefügt wird; sowie Erwärmen des Resultats bei einer Temperatur, die höher als der Schmelzpunkt von Sn ist, um zu bewirken, dass Cu und Sn des Verbindungsmaterials eine Flüssigphasen-Übergangssinterung durchlaufen, um dadurch das Verbindungsmaterial auf eine Zusammensetzung einzustellen, die Cu₆Sn₅ und Cu₃Sn enthält; sowie Erwärmen des Resultats, um Cu₆Sn₅ des Verbindungsmaterials in Cu₃Sn zu verwandeln, so dass dadurch der Anteil von Cu₃Sn erhöht wird.
STAND DER TECHNIK
Patentdokument
Patentdokument 1: JP 2014-199 852 A
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
In dem Patentdokument 1 wird jedoch der Einfluss des Zusammensetzungsverhältnisses der Cu-Partikel und der Sn-Partikel auf die Rissbeständigkeit eines Verbindungsbereichs nicht berücksichtigt. Die Fluidität von Sn wird verringert, wenn eine große Menge der Cu-Partikel hinzugefügt wird, und demzufolge besteht die Vorstellung, dass Hohlräume in Bereichen erzeugt werden, die mit den Partikeln abgedichtet sind. Wenn ein Thermoschock auf den Verbindungsbereich einwirkt, der die Hohlräume aufweist, ist es wahrscheinlich, dass Risse entstehen.
Ferner weist eine Cu-Sn-Legierung, die durch Cu₆Sn₅ repräsentiert wird, einen Zwei-Phasen-Trennungszustand auf, wenngleich es mit Blick auf ein Metall-Phasen-Diagramm einen Mischkristallbereich mit etwa 5 Massen-% Cu gibt. Wenn an der Cu₆Sn₅-Grenzschicht kein Sn mit einem niedrigen Schmelzpunkt vorhanden ist, bilden sich daher Hohlräume und können als Ausgangspunkte für Risse fungieren. Daher lässt sich nicht sagen, dass die Rissbeständigkeit des Verbindungsbereichs ausreichend ist, der mittels des Verbindungsverfahrens gemäß dem Patentdokument 1 gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verbindungsstruktur anzugeben, die auch während eines Betriebs der Halbleitereinheit bei einer hohen Temperatur eine hohe Verbindungszuverlässigkeit aufweist, wie beispielsweise eine Beständigkeit oder Festigkeit gegenüber der Entstehung von Rissen. Darüber hinaus besteht eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Halbleitereinheit, welche eine derartige Verbindungsstruktur aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben anzugeben.
Lösung für das Problem
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Verbindungsstruktur angegeben, die zwischen einem Halbleiterelement und einem Substrat einzufügen ist, wobei die Verbindungsstruktur Folgendes aufweist:

eine Sn-Phase; Cu-Legierungs-Partikel, die P in einer Menge von 1 Massen-% oder mehr und von weniger als 7 Massen-% enthalten; sowie Ag-Partikel, wobei die Cu-Legierungs-Partikel jeweils mit einer Cu₆Sn₅-Deckschicht beschichtet sind, wobei die Ag-Partikel jeweils mit einer Ag₃Sn-Deckschicht beschichtet sind, wobei die Cu-Legierungs-Partikel und die Ag-Partikel durch eine Cu₁₀Sn₃-Phase zumindest teilweise aneinander gebondet sind, wobei eine Gesamtsumme von Zugabemengen der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel in Bezug auf die Verbindungsstruktur gleich 25 Massen-% oder größer und kleiner als 65 Massen-% ist und wobei ein Massenverhältnis der Zugabemenge der Ag-Partikel zu der Zugabemenge der Cu-Legierungs-Partikel gleich 0,2 oder größer und kleiner als 1,2 ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitereinheit angegeben, die Folgendes aufweist: ein Halbleiterelement; sowie ein Substrat, wobei das Halbleiterelement und das Substrat durch Einfügen der vorstehend erwähnten Verbindungsstruktur zwischen diesen miteinander verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinheit angegeben, das die folgenden Schritte aufweist: Herstellen einer Paste durch Mischen von Sn-Partikeln, Cu-Legierungs-Partikeln, die P in einer Menge von 1 Massen-% oder mehr und von weniger als 7 Massen-% enthalten, Ag-Partikeln und einem Lösungsmittel, wobei die Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel in Bezug auf eine Gesamtmenge der Sn-Partikel, der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel mit 25 Massen-% oder mehr und weniger als 65 Massen-% vorgegeben wird, wobei ein Massenverhältnis der Ag-Partikel zu den Cu-Legierungs-Partikeln mit 0,2 oder größer und kleiner als 1,2 vorgegeben wird; Aufbringen der Paste auf ein Substrat; Anordnen eines Halbleiterelements auf der Paste; Verflüchtigen des Lösungsmittels in der Paste durch Erwärmen auf eine Temperatur von 120 °C oder eine höhere Temperatur und von 200 °C oder eine niedrigere Temperatur; sowie Verbinden des Halbleiterelements und des Substrats miteinander durch Erwärmen auf eine Temperatur von 340 °C oder eine höhere Temperatur und eine niedrigere Temperatur als 450 °C.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Verbindungsstruktur angegeben werden, die auch während eines Betriebs der Halbleitereinheit bei einer hohen Temperatur eine hohe Verbindungszuverlässigkeit aufweist, wie beispielsweise eine hohe Beständigkeit gegenüber einer Entstehung von Rissen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann außerdem eine Halbleitereinheit, welche die Verbindungsstruktur mit der hohen Verbindungszuverlässigkeit aufweist, sowie ein Herstellungsverfahren für dieselbe angegeben werden.
Figurenliste
In den Figuren zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht einer Halbleitereinheit, die eine Verbindungsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform aufweist;
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitereinheit, die eine Verbindungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform aufweist;
3 eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Zustands der in einer Paste enthaltenen Ingredienzien;
4 eine schematische Ansicht zur Darstellung des Schritts, in dem die Paste bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinheit gemäß der ersten Ausführungsform auf ein Substrat aufgebracht wird;
5 eine schematische Ansicht zur Darstellung des Schritts, in dem ein Halbleiterelement bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinheit gemäß der ersten Ausführungsform auf der Paste angeordnet wird, die auf das Substrat aufgebracht wurde;
6 eine schematische Ansicht zur Darstellung des Schritts, in dem ein Lösungsmittel in der Paste bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinheit gemäß der ersten Ausführungsform durch Erwärmen verflüchtigt wird;
7 eine schematische Ansicht zur Darstellung des Schritts, in dem das Halbleiterelement und das Substrat bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinheit gemäß der ersten Ausführungsform durch Erwärmen miteinander verbunden werden;
8 ein ternäres Phasendiagramm von Ag-Sn-Cu;
9 eine graphische Darstellung, die einen Zusammenhang zwischen der Gesamtmenge von Cu-Legierungs-Partikeln und Ag-Partikeln und der Änderungsrate des Werts eines thermischen Widerstands für ein jeweiliges Ag/Cu-Massenverhältnis zeigt;
10 eine graphische Darstellung, die einen Zusammenhang zwischen der Gesamtmenge von Cu-Legierungs-Partikeln und Ag-Partikeln und der Änderungsrate des Werts eines thermischen Widerstands für einen jeweiligen P-Gehalt in den Cu-Legierungs-Partikeln zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
1 ist eine schematische Schnittansicht einer Halbleitereinheit, die eine Verbindungsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. Gemäß 1 weist die Halbleitereinheit eine Konfiguration auf, bei der ein Halbleiterelement 1 und ein Halbleitersubstrat 2 durch Einfügen einer Verbindungsstruktur 3 zwischen diesen miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstruktur 3 weist Folgendes auf: eine Zinn(Sn)-Phase 4, Kupfer(Cu)-Legierungs-Partikel 5, die Phosphor (P) in einer Menge von 1 Massen-% oder mehr und von weniger als 7 Massen-% aufweisen, sowie Silber(Ag)-Partikel 6.
Die Oberfläche von jedem der Cu-Legierungs-Partikel 5 ist mit einer Cu₆Sn₅-Deckschicht 7 beschichtet. Die Oberfläche von jedem der Ag-Partikel 6 ist mit einer Ag₃Sn-Deckschicht 8 beschichtet. Die Cu-Legierungs-Partikel 5 und die Ag-Partikel 6 sind durch eine Cu₁₀Sn₃-Phase 9 zumindest teilweise aneinander gebondet. Zwischen dem Halbleiterelement 1 und der Verbindungsstruktur 3 sind in der angegebenen Reihenfolge von der Seite des Halbleiterelements 1 aus eine Ag-Schicht 10 und eine Ag₃Sn-Grenzschicht 11 ausgebildet.
Zwischen dem Substrat 2 und der Verbindungsstruktur 3 sind in der angegebenen Reihenfolge von der Seite des Substrats 2 aus eine Cu-Schicht 12 und eine Cu₆Sn₅-Grenzschicht 13 ausgebildet. In der Verbindungsstruktur 3 sind darüber hinaus Hohlräume 14 vorhanden, die während des Prozesses zur Herstellung der Halbleitereinheit erzeugt werden. In der Verbindungsstruktur 3 sind ferner feine Cu-P-Verbindungs-Partikel, die während des Prozesses zur Herstellung der Halbleitereinheit erzeugt werden, in einer versprengten Weise verteilt. In der Verbindungsstruktur 3 gemäß der ersten Ausführungsform ist die Gesamtsumme von Zugabemengen der Cu-Legierungs-Partikel 5 und der Ag-Partikel in Bezug auf die Verbindungsstruktur 3 gleich 25 Massen-% oder größer und kleiner als 65 Massen-%, bevorzugt gleich 30 Massen-% oder größer und gleich 60 Massen-% oder kleiner. Wenn die Gesamtsumme von Zugabemengen der Cu-Legierungs-Partikel 5 und der Ag-Partikel 6 kleiner als 25 Massen-% ist, ist Sn für die Cu-Legierungs-Partikel 5 und die Ag-Partikel 6 nicht ausreichend, und es wird eine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt in der Verbindungsstruktur 3 beobachtet. Wenn die Gesamtsumme von Zugabemengen der Cu-Legierungs-Partikel 5 und der Ag-Partikel 6 dagegen gleich 65 Massen-% oder größer ist, wird eine große Anzahl von Hohlräumen in der Verbindungsstruktur 3 erzeugt, und es ist wahrscheinlich, dass Risse entstehen.
In der Verbindungsstruktur 3 gemäß der ersten Ausführungsform ist ein Massenverhältnis (Ag/Cu-Massenverhältnis) der Zugabemenge der Ag-Partikel 6 zu der Zugabemenge der Cu-Legierungs-Partikel 5 gleich 0,2 oder größer und kleiner als 1,2, bevorzugt gleich 0,3 oder größer und gleich 1,1 oder kleiner. Wenn ein Ag/Cu-Massenverhältnis kleiner als 0,2 oder gleich 1,2 oder größer ist, wird eine große Anzahl von Hohlräumen in der Verbindungsstruktur 3 erzeugt, und es ist wahrscheinlich, dass Risse entstehen.
Die Querschnittsdicke der Verbindungsstruktur 3 ist bevorzugt gleich 20 µm oder größer und gleich 150 µm oder kleiner, bevorzugter gleich 30 µm oder größer und gleich 130 µm oder kleiner. Wenn die Querschnittsdicke der Verbindungsstruktur 3 in die vorstehend erwähnten Bereiche fällt, weist die Verbindungsstruktur 3 wenig Hohlräume auf und kann eine ausgezeichnete Rissbeständigkeit aufweisen.
Wenn der Phosphor-Gehalt der Cu-Legierungs-Partikel 5 geringer als 1 Massen-% oder gleich 7 Massen-% oder höher ist, wird eine große Anzahl von Hohlräumen in der Verbindungsstruktur 3 erzeugt, und es ist wahrscheinlich, dass Risse entstehen. Der Phosphor-Gehalt der Cu-Legierungs-Partikel 5 ist bevorzugt gleich 2 Massen-% oder höher und gleich 6 Massen-% oder geringer. Die Form der Cu-Legierungs-Partikel 5 ist nicht speziell eingeschränkt, ist jedoch bevorzugt kugelförmig. Der mittlere Partikeldurchmesser der Cu-Legierungs-Partikel 5 ist bevorzugt gleich 5 µm oder größer und gleich 50 µm oder kleiner, bevorzugter gleich 7 µm oder größer und gleich 40 µm oder kleiner.
Wenn der mittlere Partikeldurchmesser der Cu-Legierungs-Partikel 5 in die vorstehend erwähnten Bereiche fällt, tritt ein Lösungsmittel leicht aus Zwischenräumen zwischen den Cu-Legierungs-Partikeln 5, den Ag-Partikeln 6 und den Sn-Partikeln aus, und eine Oxidschicht auf der Oberfläche von jedem der Cu-Legierungs-Partikel 5 wird mit dem Lösungsmittel leicht entfernt.
Daher kann sich eine Verbindung mit Sn bilden. Darüber hinaus ist die Dicke der Cu₆Sn₅-Deckschicht 7, mit der die Oberfläche von jedem der Cu-Legierungs-Partikel 5 beschichtet ist, nicht speziell eingeschränkt, ist jedoch bevorzugt gleich 3 µm oder größer und gleich 20 µm oder geringer.
Die Form der Ag-Partikel 6 ist nicht speziell eingeschränkt, ist jedoch bevorzugt kugelförmig. Der mittlere Partikeldurchmesser der Ag-Partikel 6 ist bevorzugt gleich 5 µm oder größer und gleich 50 µm oder kleiner, bevorzugter gleich 7 µm oder größer und gleich 40 µm oder kleiner. Wenn der mittlere Partikeldurchmesser der Ag-Partikel 6 in die vorstehend erwähnten Bereiche fällt, tritt ein Lösungsmittel leicht aus Zwischenräumen zwischen den Cu-Legierungs-Partikeln 5, den Ag-Partikeln 6 und den Sn-Partikeln aus, und eine Oxidschicht auf der Oberfläche von jedem der Ag-Partikel 6 wird mit dem Lösungsmittel leicht entfernt.
Daher kann sich eine Verbindung mit Sn bilden. Die Dicke der Ag₃Sn-Deckschicht 8, mit der die Oberfläche von jedem der Ag-Partikel 6 beschichtet ist, ist nicht speziell eingeschränkt, ist jedoch bevorzugt gleich 5 µm oder größer und gleich 30 µm oder geringer.
Wie hier verwendet, handelt es sich bei dem mittleren Partikeldurchmesser um einen Wert, der durch Verwendung einer Vorrichtung basierend auf einem in der JIS-Z-8825 beschriebenen Partikel durchmesser-Analyse-Laser-Beugungs-/Streuungsverfahren gemessen wird.
Die Dicke der Ag₃Sn-Grenzschicht 11 ist nicht speziell eingeschränkt, ist jedoch bevorzugt gleich 5 µm oder größer und gleich 30 µm oder geringer.
Die Dicke der Cu₆Sn₅-Grenzschicht 13 ist nicht speziell eingeschränkt, ist jedoch bevorzugt gleich 3 µm oder größer und gleich 20 µm oder geringer.
Wie hier verwendet, handelt es sich bei der Dicke von jeder von der Cu₆Sn_s-Deckschicht 7, der Ag₃Sn-Deckschicht 8, der Ag₃Sn-Grenzschicht 11 und der Cu₆Sn_s-Grenzschicht 13 um einen Wert, der durch Messen eines Querschnitts eines Verbindungsbereichs durch Verwendung eines Rasterelektronenmikroskop(REM)-Geräts gemessen wird.
Bei dem Halbleiterelement 1 kann es sich um ein übliches Halbleiterelement handeln, das aus Silicium (Si) als einem Basismaterial besteht, es handelt sich jedoch bevorzugt um ein Halbleiterelement mit großer Bandlücke, das aus einem Halbleitermaterial mit großer Bandlücke, wie beispielsweise Siliciumcarbid (SiC), einem Material auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) oder Diamant mit einer Bandlücke besteht, die großer als jene von Silicium ist. Die Ag-Schicht 10 ist auf dem Halbleiterelement 1 ausgebildet, um eine Verbindungseigenschaft mit der Verbindungsstruktur 3 sicherzustellen. Die Dicke der Ag-Schicht 10 ist nicht speziell eingeschränkt, solange die Verbindungseigenschaft mit der Verbindungsstruktur 3 sichergestellt werden kann.
Beispiele für ein Material für das Substrat 2 umfassen: Siliciumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumnitrid (AlN) sowie eine Kupfer-Molybdän-Legierung. Die Cu-Schicht 12 ist auf dem Substrat 2 ausgebildet, um eine Verbindungseigenschaft mit der Verbindungsstruktur 3 sicherzustellen. Die Dicke der Cu-Schicht 12 ist nicht speziell eingeschränkt, solange die Verbindungseigenschaft mit der Verbindungsstruktur 3 sichergestellt werden kann. Darüber hinaus ist es lediglich erforderlich, dass die Cu-Schicht 12 Cu als Hauptingredienz enthält, und die Cu-Schicht 12 kann eine Cu-Legierung enthalten, wie beispielsweise Cu-Mo, Cu-Cr, Cu-W, Cu-P, Cu-Sn oder Cu-Zn.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinheit beschrieben, die eine Verbindungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform aufweist. 2 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitereinheit, die eine Verbindungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform aufweist.
Zunächst werden Sn-Partikel, Cu-Legierungs-Partikel, die P in einer Menge von 1 Massen-% oder mehr und von weniger als 7 Massen-% enthalten, Ag-Partikel und ein Lösungsmittel gemischt, um eine Paste herzustellen (S1). 3 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung des Zustands der in der Paste enthaltenen Ingredienzien. Wie in 3 dargestellt, befinden sich Sn-Partikel 17, die Cu-Legierungs-Partikel 5 sowie die Ag-Partikel 6 in einer Paste 16 in einem Zustand, in dem sie in einem Lösungsmittel 18 verteilt sind.
Ein Verfahren zur Herstellung der Sn-Partikel 17, der Cu-Legierungs-Partikel 5 und der Ag-Partikel 6, das hier verwendet wird, ist nicht speziell eingeschränkt, und es kann ein bekanntes Verfahren verwendet werden, wie beispielsweise ein Zerstäubungsverfahren. Als ein Lösungsmittel 18 kann ein Lösungsmittel eingesetzt werden, das für eine bekannte Verbindungsmaterial-Paste verwendet wird, und Beispiele für dasselbe umfassen Terpineol, Diethylenglycolmonobutylether, Methylethylketon sowie Isophoron.
Das Lösungsmittel 18 ist in der Paste 16 bevorzugt in einem Bereich von 10 Massen-% oder mehr und von 30 Massen-% oder weniger enthalten. Die in der Paste 16 enthaltene Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel 5 und der Ag-Partikel 6 in Bezug auf die Gesamtmenge der Sn-Partikel 17, der Cu-Legierungs-Partikel 5 und der Ag-Partikel 6 ist gleich 25 Massen-% oder größer und kleiner als 65 Massen-%, bevorzugt gleich 30 Massen-% oder größer und gleich 60 Massen-% oder kleiner.
Wenn die Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel 5 und der Ag-Partikel 6 kleiner als 25 Massen-% ist, ist Sn für die Cu-Legierungs-Partikel 5 und die Ag-Partikel 6 nicht ausreichend, und es wird eine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt in der Verbindungsstruktur 3 beobachtet. Wenn die Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel 5 und der Ag-Partikel 6 dagegen gleich 65 Massen-% oder größer ist, wird eine große Anzahl von Hohlräumen in der Verbindungsstruktur 3 erzeugt, und es ist wahrscheinlich, dass Risse entstehen.
Ein Massenverhältnis (Ag/Cu-Massenverhältnis) der Ag-Partikel 6, die in der Paste 16 enthalten sind, zu den Cu-Legierungs-Partikeln 5, die in dieser enthalten sind, ist gleich 0,2 oder größer und kleiner als 1,2, bevorzugt gleich 0,3 oder größer und gleich 1,1 oder kleiner. Wenn das Ag/Cu-Massenverhältnis kleiner als 0,2 oder gleich 1,2 oder größer ist, wird eine große Anzahl von Hohlräumen in der Verbindungsstruktur 3 erzeugt, und es ist wahrscheinlich, dass Risse entstehen.
Als Nächstes wird die hergestellte Paste 16 auf die Cu-Schicht 12 des Substrats 2 aufgebracht (S2), wie in 4 dargestellt. Es ist lediglich erforderlich, dass die Aufbringungsdicke der Paste 16 in einer geeigneten Weise eingestellt wird, so dass die Verbindungsstruktur 3 eine gewünschte Querschnittsdicke aufweist. Das Verfahren zum Aufbringen der Paste 16 ist nicht speziell eingeschränkt, solange die Paste 16 mit einer gewünschten Aufbringungsdicke gleichmäßig aufgebracht werden kann, und Beispiele für dasselbe umfassen ein Aufbringungsverfahren unter Verwendung eines Rakels sowie ein Aufbringungsverfahren unter Verwendung einer Auftragsvorrichtung.
Wie in 5 dargestellt, wird als Nächstes das Halbleiterelement 1 auf der Paste 16 angeordnet, die auf der Cu-Schicht 12 des Substrats 2 aufgebracht wurde, so dass die Ag-Schicht 10 des Halbleiterelements 1 in Kontakt mit der Paste 16 gebracht wird (S3). Um das Halbleiterelement 1 mit einer hohen Genauigkeit auf der Paste 16 anzuordnen, kann eine Vorrichtung verwendet werden, die in der Lage ist, die obere Oberfläche der Paste 16 automatisch zu erkennen, zum Beispiel eine von Athlete FA Corporation hergestellte Chip-Montagevorrichtung.
Wie in 6 dargestellt, wird als Nächstes ein Laminat, welches das Halbleiterelement 1, die Paste 16 und das Substrat 2 aufweist, auf eine Temperatur von 120 °C oder eine höhere Temperatur und von 200 °C oder eine niedrigere Temperatur erwärmt, um das Lösungsmittel 18 zu verflüchtigen, so dass dadurch das Lösungsmittel 18 aus der Paste 16 entfernt wird (S4). Ein erhaltener pastöser Trockenkörper 19 besteht aus den Sn-Partikeln 17, den Cu-Legierungs-Partikeln 5 und den Ag-Partikeln 6.
Das Erwärmen kann in irgendeiner beliebigen Atmosphäre durchgeführt werden, wie beispielsweise einer Vakuum-Atmosphäre, einer atmosphärischen Atmosphäre oder einer inerten Gasatmosphäre, es ist jedoch erforderlich, das Erwärmen so durchzuführen, dass die Sn-Partikel 17 nicht schmelzen. Es ist lediglich erforderlich, dass die Erwärmungstemperatur in Abhängigkeit von dem Siedepunkt des Lösungsmittels 18 in einem Bereich von 120 °C oder mehr und von 200 C oder weniger in einer geeigneten Weise vorgegeben wird.
Wie in 7 dargestellt, wird das Laminat, welches das Halbleiterelement 1, den pastösen Trockenkörper 19 sowie das Substrat 2 aufweist, schließlich auf eine Temperatur von 340 °C oder eine höhere Temperatur und eine niedrigere Temperatur als 450 °C erwärmt, um das Halbleiterelement 1 und das Substrat 2 durch Einfügen der Verbindungsstruktur 3 zwischen diesen miteinander zu verbinden (S5). In diesem Schritt schmelzen die Sn-Partikel 17, wenn die Erwärmungstemperatur 232 °C erreicht. Wenn die Sn-Partikel 17 geschmolzen sind, bildet sich an der Grenzschicht zu der Ag-Schicht 10 des Halbleiterelements 1 die Ag₃Sn-Grenzschicht 11, und an der Grenzschicht zu der Cu-Schicht 12 des Substrats 2 bildet sich die Cu₆Sn_s-Grenzschicht 13.
Gleichzeitig bildet sich die Cu₆Sn₅-Deckschicht 7 derart, dass sie die Oberfläche von jedem der Cu-Legierungs-Partikel 5 bedeckt, und die Ag₃Sn-Deckschicht 8 bildet sich derart, dass sie die Oberfläche von jedem der Ag-Partikel 6 bedeckt. In den Cu-Legierungs-Partikeln 5 ist gelöster Sauerstoff in nicht geringer Menge vorhanden. Dieser Sauerstoff verschlechtert die Verbindungseigenschaften. Wenn jedoch die Cu₆Sn₅-Deckschicht 7 ausgebildet ist, wirkt der in den Cu-Legierungs-Partikeln 5 enthaltene P als ein Desoxidationsmittel und reagiert vorzugsweise mit Sauerstoff, so dass ein Phosphoroxid gebildet wird. Dieses Phosphoroxid wird verdampft, wenn die Erwärmungstemperatur 270 °C erreicht.
Es ist möglich, dass ein Teil des in den Cu-Legierungs-Partikeln 5 enthaltenen P nicht mit Sauerstoff reagiert und in der Verbindungsstruktur 3 als feine Cu-P-Verbindungs-Partikel ausfällt. Wenn der P-Gehalt der Cu-Legierungs-Partikel 5 gleich 1 Massen-% oder höher und geringer als 7 Massen-% ist, wird die Verbindungszuverlässigkeit nicht nachteilig beeinflusst. Wenn die Erwärmungstemperatur danach 340 °C oder eine höhere Temperatur und eine geringere Temperatur als 450 °C erreicht, tritt ein Phasenübergang zwischen der Cu₆Sn₅-Deckschicht 7 und der Ag₃Sn-Deckschicht 8 auf, so dass sich die Cu₁₀Sn₃-Phase 9 bildet.
Die Cu-Legierungs-Partikel 5 und die Ag-Partikel 6 werden durch die Cu₁₀Sn₃-Phase 9 zumindest teilweise aneinander gebondet, und demzufolge werden die Hohlräume 14 reduziert, die als Ausgangspunkte für Risse fungieren. Im Ergebnis ist es weniger wahrscheinlich, dass in der Verbindungsstruktur 3 Risse entstehen, auch wenn die Halbleitereinheit bei einer hohen Temperatur betrieben wird.
In der Halbleitereinheit, welche die Verbindungsstruktur 3 aufweist, die in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt wird, ist es auch während eines Betriebs bei hoher Temperatur weniger wahrscheinlich, dass Risse entstehen, und die Halbleitereinheit weist eine hohe Zuverlässigkeit auf.
Im Vorstehenden wurde die Art eines Verbindens des Halbleiterelements und des Substrats miteinander beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann zum Beispiel auch auf eine Art eines Verbindens des Halbleiterelements und eines Leiterrahmens miteinander, eine Art eines Verbindens des Substrats und von Kühlrippen miteinander und dergleichen angewendet werden. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Fall beschränkt, in dem ein Halbleiterelement und ein Substrat miteinander verbunden werden, und es kann eine Mehrzahl von Halbleiterelementen und Elementen auf einem Substrat angeordnet werden und gleichzeitig miteinander verbunden werden.
Beispiele
Beispiel 1
Sn-Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 µm, Cu-Legierungs-Partikel mit einem P-Gehalt von 5 Massen-% und einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 µm, Ag-Partikel sowie als ein Lösungsmittel dienendes Terpineol wurden miteinander gemischt, um eine Paste herzustellen.
In diesem Fall wurde die Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel in Bezug auf die Gesamtmenge der Sn-Partikel, der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel mit 50 Massen-% vorgegeben, und das Ag/Cu-Massenverhältnis wurde mit 0,67 vorgegeben (die Zahl wurde auf die zweite Dezimalstelle abgerundet). Darüber hinaus wurde die Menge des Lösungsmittels in Bezug auf die Paste mit 20 Massen-% vorgegeben. Die Sn-Partikel, die Cu-Legierungs-Partikel und die Ag-Partikel, die hier verwendet wurden, wurden mittels eines Zerstäubungsverfahrens hergestellt, und die Formen derselben waren sämtlich kugelförmig.
Eine Edelstahl-Metallmaske mit einer Öffnungsabmessung von 10 mm x 10 mm wurde auf einem direkt gebondeten Kupfer(DBC)-Substrat mit einer Abmessung von 20 mm x 20 mm angeordnet. Danach wurde die im Vorstehenden hergestellte Paste durch Verwendung eines Rakels mit einer Dicke von 150 µm auf das Resultat aufgebracht. Als DBC-Substrat wurde ein DBC-Substrat mit einer Struktur verwendet, bei der eine Cu-Schicht mit einer Dicke von 0,4 mm auf jeder Oberfläche einer Keramik (Si₃N₄) mit einer Dicke von 0,6 mm ausgebildet war.
Auf der auf dem DBC-Substrat aufgebrachten Paste wurde ein Halbleiterelement, bei dem eine Ag-Schicht mit einer Dicke von 7 µm auf der einen Oberfläche eines Siliciumcarbids (SiC) mit einer Abmessung von 10 mm x 10 mm und einer Dicke von 0,3 mm ausgebildet war, derart angeordnet, dass eine obere Oberfläche der Paste und die Ag-Schicht in Kontakt miteinander gebracht wurden.
Als Nächstes wurde ein Laminat, welches das DBC-Substrat, die Paste und das Halbleiterelement aufwies, in einem Vakuum-Reflow-Ofen auf 180 °C erwärmt, um das Terpineol in der Paste zu verflüchtigen.
Anschließend wurde das Laminat, welches das DBC-Substrat, den pastösen Trockenkörper und das Halbleiterelement aufwies, in dem Vakuum-Reflow-Ofen mit einer Temperaturerhöhungsrate von 30 °C/Min. auf 340 °C erwärmt und dann auf natürliche Weise abgekühlt, um eine Halbleitereinheit zu erhalten.
Um den Erzeugungsstatus von Hohlräumen in einer Verbindungsstruktur der erhaltenen Halbleitereinheit zerstörungsfrei zu untersuchen, wurde eine seitliche Oberfläche der Verbindungsstruktur durch Verwendung eines Scanning Acoustic Tomograph (SAT) (FineSAT III, hergestellt von Hitachi Power Solutions Co., Ltd.) beobachtet. Das beobachtete Bild wurde durch Verwendung einer Binarisierungs-Software (Photoshop, produziert von Adobe Systems Incorporated) binarisiert, um einen prozentualen Anteil von Hohlräumen zu berechnen.
Jene mit einem prozentualen Anteil von Hohlräumen von weniger als 10 % wurden mit einer zufriedenstellenden Anfangsverbindungseigenschaft bewertet (o), und jene mit einem prozentualen Anteil von Hohlräumen von 10 % oder mehr wurden mit einer nicht zufriedenstellenden Anfangsverbindungseigenschaft bewertet (x). Die Resultate sind in Tabelle 1 gezeigt.
Beispiele 2 bis 4 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3

Jede Halbleitereinheit wurde in der gleichen Weise wie beim Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die Verbindungstemperatur in jene in Tabelle 1 gezeigten Temperaturen abgeändert wurde. Der Erzeugungsstatus von Hohlräumen in der Verbindungsstruktur der erhaltenen Halbleitereinheit wurde in der gleichen Weise wie beim Beispiel 1 bewertet. Die Resultate sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

	Verbindungstemperatur	prozentualer Anteil von Hohlräumen	Anfangs-Verbindungseigenschaft	Vorhandensein oder Fehlen der Cu₁₀Sn₃-Phase
Vergleichsbeispiel 1	300 °C	50 %	×	fehlt
Vergleichsbeispiel 2	330 °C	40 %	×	fehlt
Beispiel 1	340 °C	8 %	o	vorhanden
Beispiel 2	380 °C	6 %	o	vorhanden
Beispiel 3	400 °C	5 %	o	vorhanden
Beispiel 4	440 °C	7 %	o	vorhanden
Vergleichsbeispiel 3	450 °C	52 %	×	fehlt

Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, war die Anfangsverbindungseigenschaft bei einer Verbindungstemperatur niedriger als 340 °C nicht zufriedenstellend. Der Grund dafür ist wie folgt vorstellbar. Wenn sich einhergehend mit dem Erwärmen eine Cu₆Sn₅-Deckschicht, eine Ag₃Sn-Deckschicht, eine Cu₆Sn₅-Grenzschicht sowie eine Ag₃Sn-Grenzschicht bildeten, trat eine Volumenverminderung von etwa 10 % auf, so dass sich Hohlräume bildeten.
Bei einer Verbindungstemperatur von 340 °C oder höher und niedriger als 450 °C wurden die Hohlräume abrupt reduziert, und die Anfangsverbindungseigenschaft war zufriedenstellend. Bei einer Analyse der Zusammensetzung eines Querschnitts von jeder dieser Verbindungsstrukturen war eine Cu₁₀Sn₃-Phase zwischen der Cu₆Sn₅-Deckschicht und der Ag₃Sn-Deckschicht ausgebildet.
Der Grund dafür ist wie folgt vorstellbar. Bei einer Verbindungstemperatur von 340 °C oder höher trat ein Phasenübergang zwischen der Cu₆Sn₅-Deckschicht und der Ag₃Sn-Deckschicht auf, und die Cu₁₀Sn₃-Phase sowie eine Sn-reiche geschmolzene Phase (eutektische Sn-Cu-Ag-Phase) wurden gebildet. Der Mechanismus, durch den die Cu₁₀Sn₃-Phase gebildet wird, ist auch aus einem 8 gezeigten ternären Phasendiagramm von Ag-Sn-Cu abzulesen.
Bei einer Verbindungstemperatur von 450 °C war die Anfangsverbindungseigenschaft nicht zufriedenstellend. Bei einer Analyse der Zusammensetzung eines Querschnitts dieser Verbindungsstruktur wurde keine Cu₁₀Sn₃-Phase beobachtet. Der Grund dafür ist wie folgt vorstellbar. Auf der Oberfläche von jedem der Cu-Legierungs-Partikel wurde eine Cu₃Sn-Deckschicht anstelle der Cu₆Sn₅-Deckschicht gebildet, und der vorstehend erwähnte Phasenübergang trat nicht auf.
Beispiel 5 bis 13 und Vergleichsbeispiele 4 bis 22
Jede Halbleitereinheit wurde in der gleichen Weise wie beim Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel sowie das Ag/Cu-Massenverhältnis geändert wurden, wie in den Tabellen 2 und 3 gezeigt, und die Verbindungstemperatur auf 400 °C abgeändert wurde.
Aus der erhaltenen Halbleitereinheit wurde eine Verbindungsstruktur ausgeschnitten und durch dynamische Differenzkalorimetrie (DDK) (Differential Scanning Calorimetry (DSC)) auf 300 °C erwärmt. Somit wurde bestimmt, ob ein Schmelz-Peak mit einem Schmelzpunkt von 210 °C bis 240 °C, der aus der Sn-Phase abgeleitet wird, auftrat oder nicht auftrat. Jene mit einem detektierten Schmelz-Peak wurden so bewertet, dass sie eine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt aufwiesen, und jene ohne einen detektierten Schmelz-Peak wurden so bewertet, dass sie keine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt aufwiesen.
Insbesondere dann, wenn die Verbindungsstruktur in der Atmosphäre mit einer Temperaturerhöhungsrate von 10 °C/Min. von Raumtemperatur auf 300 °C erwärmt wurde und der Schmelz-Peak-Wert bis zu einer Temperatur von 210 °C bis 240 °C kleiner als 20 mJ/mg war, wurde bestimmt, dass es keine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt gab. Wenn der Schmelz-Peak-Wert gleich 20 mJ/mg oder höher war, wurde bestimmt, dass es eine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt gab. Die Resultate sind in den Tabellen 2 und 3 gezeigt.
Der Erzeugungsstatus von Hohlräumen in der Verbindungsstruktur der erhaltenen Halbleitereinheit wurde in der gleichen Weise wie beim Beispiel 1 bewertet. Die Resultate sind in den Tabellen 2 und 3 gezeigt.
Darüber hinaus wurde der Anfangswert des thermischen Widerstands der Halbleitereinheit mittels eines Laser-Flash-Verfahrens gemessen. Als Simulation eines Betriebs der Halbleitereinheit bei einer hohen Temperatur wurde die Halbleitereinheit als Nächstes in einem Zyklus mit einer Wärmeschockprüfvorrichtung vom Typ mit einem Flüssigkeitstank während 30 Sekunden bei 175 °C gehalten, nachdem sie während 30 Sekunden bei 50 °C gehalten wurde, und dieser Vorgang wurde mit 100000 Zyklen wiederholt.
Nach 100 000 Zyklen wurde der Wert des thermischen Widerstands gemessen, und eine Änderungsrate in Bezug auf den Anfangswert des thermischen Widerstands wurde gemäß dem folgenden Ausdruck berechnet. Die Resultate sind in den Tabellen 2 und 3 gezeigt. Bei einer Änderungsrate des Werts des thermischen Widerstands von 10 % oder mehr kann bestimmt werden, dass die Rissbeständigkeit der Halbleitereinheit während eines Betriebs bei einer hohen Temperatur nicht zufriedenstellend ist.

Änderungsrate (%) des Werts des thermischen Widerstands = (Anfangswert des thermischen Widerstands - Wert des thermischen Widerstands nach 100 000 Zyklen)/Anfangswert des thermischen Widerstands x 100 Tabelle 2

	Ag-Parti kel (Massen-%)	Cu-Legierungs - Partikel (Massen-%)	Sn-Partikel (Massen-%)	Cu-Legierungs-Partikel + Ag-Partikel (Massen-% )	Ag/Cu-Massenverhältnis	P-Gehalt (Massen-% ) in Cu-Legieru ngs-Partikeln	Vorhanden - sein oder Fehlen der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt	Anfangs -verbindungseigenschaft	Änderungsrate (%) des Werts des thermischen Widerstands
Beispiel 5	10,0	15,0	75	25	0,67	5	fehlt	o	7
Beispiel 6	20,1	29,9	50	50	0,67	5	fehlt	o	6
Beispiel 7	25,3	37,7	37	63	0,67	5	fehlt	o	6
Beispiel 8	4,2	20,8	75	25	0,20	5	fehlt	o	8
Beispiel 9	8,3	41,7	50	50	0,20	5	fehlt	o	7
Beispiel 10	10,5	52,5	37	63	0,20	5	fehlt	o	7
Beispiel 11	13,1	11,9	75	25	1,10	5	fehlt	o	9
Beispiel 12	26,2	23,8	50	50	1,10	5	fehlt	o	8
Beispiel 13	33,0	30,0	37	63	1,10	5	fehlt	o	8

Tabelle 3

	Ag-Partikel (Massen-%)	Cu-Legierungs-Partikel (Massen-%)	Sn-Partikel (Massen-%)	Cu-Legierungs-Partikel + Ag-Partikel (Massen-%)	Ag/Cu-Massenverhältnis	P-Gehalt (Massen-%) in Cu-Legierungs-Partikeln	Vorhandensein oder Fehlen der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt	Anfangsverbindungseigenschaft	Änderungsrate (%) des Werts des thermischen Widerstands
Vergleichsbeispiel 4	2,0	3,0	95	5	0,67	5	vorhanden	o	35
Vergleichsbeispiel 5	4,0	6,0	90	10	0,67	5	vorhanden	o	33
Vergleichsbeispiel 6	9,2	13,8	77	23	0,67	5	vorhanden	o	20
Vergleichsbeispiel 7	26,1	38,9	35	65	0,67	5	fehlt	×	18
Vergleichsbeispiel 8	28	42	30	70	0,67	5	fehlt	×	24
Vergleichsbeispiel 9	3,3	19,7	77	23	0,17	5	vorhanden	×	40
Vergleichsbeispiel 10	3,6	21,4	75	25	0,17	5	fehlt	×	38
Vergleichsbeispiel 11	7,3	42,7	50	50	0,17	5	fehlt	×	34
Vergleichsbeispiel 12	9,2	53,8	37	63	0,17	5	fehlt	×	28
Vergleichsbeispiel 13	9,4	55,6	35	65	0,17	5	fehlt	×	32
Vergleichsbeispiel 14	3,8	19,2	77	23	0,20	5	vorhanden	o	23
Vergleichsbeispiel 15	10,8	54,2	35	65	0,20	5	fehlt	×	18
Vergleichsbeispiel 16	12,0	11,0	77	23	1,10	5	vorhanden	o	24
Vergleichsbeispiel 17	34,0	31,0	35	65	1,10	5	fehlt	×	20
Vergleichsbeispiel 18	12,5	10,5	77	23	1,20	5	vorhanden	×	24
Vergleichsbeispiel 19	13,6	11,4	75	25	1,20	5	fehlt	×	17
Vergleichsbeispiel 20	27,3	22,7	50	50	1,20	5	fehlt	×	18
Vergleichsbeispiel 21	34,4	28,6	37	63	1,20	5	fehlt	×	20
Vergleichsbeispiel 22	35,5	29,5	35	65	1,20	5	fehlt	×	40

Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich, wurde in dem Fall, in dem die 5 Massen-% P enthaltenden Cu-Legierungs-Partikel verwendet wurden, bei Vorgabe der Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel mit 25 Massen-% oder mehr und weniger als 65 Massen-% und bei Vorgabe des Ag/Cu-Massenverhältnisses mit 0,2 oder größer und kleiner als 1,2 eine Halbleitereinheit erhalten, bei der in der Verbindungsstruktur keine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt beobachtet wurde und die eine zufriedenstellende Anfangsverbindungseigenschaft und Rissbeständigkeit aufwies.
Wie aus der Tabelle 3 ersichtlich, wurde dagegen auch in dem Fall, in dem die 5 Massen-% P enthaltenden Cu-Legierungs-Partikel verwendet wurden, bei Vorgabe der Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel mit weniger als 25 Massen-% oder mit 65 Massen-% oder mehr oder bei Vorgabe des Ag/Cu-Massenverhältnisses mit kleiner als 0,2 oder 1,2 oder größer in der Verbindungsstruktur eine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt beobachtet, und die Anfangsverbindungseigenschaft war nicht zufriedenstellend, und darüber hinaus war die Rissbeständigkeit in jedem Fall nicht zufriedenstellend.
Beispiele 14 bis 19 und Vergleichsbeispiele 23 bis 36
Jede Halbleitereinheit wurde in der gleichen Weise wie beim Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel sowie der P-Gehalt in den Cu-Legierungs-Partikeln geändert wurden, wie in den Tabellen 4 und 5 gezeigt, und die Verbindungstemperatur auf 400 °C abgeändert wurde.

Das Vorhandensein oder das Fehlen der Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt und der Erzeugungsstatus von Hohlräumen in der Verbindungsstruktur sowie die Änderungsrate des Werts des thermischen Widerstands der erhaltenen Halbleitereinheit wurden in der gleichen Weise wie beim Beispiel 5 bewertet. Die Resultate sind in den Tabellen 4 und 5 gezeigt. Tabelle 4

	Ag-Partikel (Massen-%)	Cu-Legierungs-Partikel (Massen-%)	Sn-Partikel (Massen-%)	Cu-Legierungs-Partikel + Ag-Partikel (Massen-%)	Ag/Cu-Massenverhältnis	P-Gehalt (Massen-%) in Cu-Legierungs-Partikeln	Vorhandensein oder Fehlen der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt	Anfangsverbindungseigen - schaft	Änderungsrate (%) des Werts des thermischen Widerstands
Beispiel 14	10,0	15,0	75	25	0,67	1	fehlt	o	9
Beispiel 15	20,1	29,9	50	50	0,67	1	fehlt	o	8
Beispiel 16	25,3	37,7	37	63	0,67	1	fehlt	o	8
Beispiel 17	10,0	15,0	75	25	0,67	6,5	fehlt	o	8
Beispiel 18	20,1	29,9	50	50	0,67	6,5	fehlt	o	7
Beispiel 19	25,3	37,7	37	63	0,67	6,5	fehlt	o	9

Tabelle 5

	Ag-Partikel (Massen-%)	Cu-Legierungs-Partikel (Massen-%)	Sn-Partikel (Massen-%)	Cu-Legierungs-Partikel + Ag-Partikel (Massen-%)	Ag/Cu-Massenverhältnis	P-Gehalt (Massen-%) in Cu-Legierungs-Partikeln	Vorhandensein oder Fehlen der Phase mit niedrigem Schmelzpunkt	Anfangsverbindungseigenschaft	Änderungs rate (%) des Werts des thermischen Widerstands
Vergleichsbeispiel 23	9,2	13,8	77	23	0,67	0,8	vorhanden	×	25
Vergleichsbeispiel 24	10,0	15,0	75	25	0,67	0,8	fehlt	×	20
Vergleichsbeispiel 25	20,1	29,9	50	50	0,67	0,8	fehlt	×	18
Vergleichsbeispiel 26	25,3	37,7	37	63	0,67	0,8	fehlt	×	19
Vergleichsbeispiel 27	26,1	38,9	35	65	0,67	0,8	fehlt	×	30
Vergleichsbeispiel 28	9,2	13,8	77	23	0,67	1	vorhanden	o	22
Vergleichsbeispiel 29	26,1	38,9	35	65	0,67	1	fehlt	×	24
Vergleichsbeispiel 30	9,2	13,8	77	23	0,67	6,5	vorhanden	o	20
Vergleichsbeispiel 31	26,1	38,9	35	65	0,67	6,5	fehlt	×	18
Vergleichsbeispiel 32	9,2	13,8	77	23	0,67	7	vorhanden	o	25
Vergleichsbeispiel 33	10,0	15,0	75	25	0,67	7	fehlt	×	17
Vergleichsbeispiel 34	20,1	29,9	50	50	0,67	7	fehlt	×	19
Vergleichsbeispiel 35	25,3	37,7	37	63	0,67	7	fehlt	×	21
Vergleichsbeispiel 36	26,1	38,9	35	65	0,67	7	fehlt	×	28

Wie aus der Tabelle 4 ersichtlich, wurde auch in dem Fall, in dem die 1 Massen-% oder 6,5 Massen-% P enthaltenden Cu-Legierungs-Partikel verwendet wurden, bei Vorgabe der Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel mit 25 Massen-% oder mehr und weniger als 65 Massen-% und bei Vorgabe des Ag/Cu-Massenverhältnisses mit 0,2 oder größer und kleiner als 1,2 eine Halbleitereinheit erhalten, bei der in der Verbindungsstruktur keine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt beobachtet wurde und die eine zufriedenstellende Anfangsverbindungseigenschaft und Rissbeständigkeit aufwies.
Wie aus der Tabelle 5 ersichtlich, wurde dagegen auch in dem Fall, in dem das Ag-/Cu-Massenverhältnis mit 0,67 vorgegeben war, bei Vorgabe der Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel mit weniger als 25 Massen-% oder mit 65 Massen-% oder mehr oder bei Verwenden der Cu-Legierungs-Partikel mit einem P-Gehalt von weniger als 1 Massen-% oder von 7 Massen-% oder mehr in der Verbindungsstruktur eine Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt beobachtet, und die Anfangsverbindungseigenschaft war nicht zufriedenstellend, und darüber hinaus war die Rissbeständigkeit in jedem Fall nicht zufriedenstellend.
Hierbei ist in 9 eine graphische Darstellung gezeigt, die durch graphisches Darstellen des jeweiligen Ag/Cu-Massenverhältnisses erhalten wird, wobei die vertikale Achse die Änderungsrate (%) des Werts des thermischen Widerstands in den Tabellen 2 und 3 repräsentiert und die horizontale Achse die Gesamtsumme (Massen-%) von Zugabemengen der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel in Bezug auf die Verbindungsstruktur repräsentiert. Darüber hinaus ist in 10 eine graphische Darstellung gezeigt, die durch graphisches Darstellen des jeweiligen P-Gehalts (Massen-%) in den Cu-Legierungs-Partikeln erhalten wird, wobei die vertikale Achse die Änderungsrate (%) des Werts des thermischen Widerstands in den Tabellen 4 und 5 repräsentiert und die horizontale Achse die Gesamtsumme (Massen-%) von Zugabemengen der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel in Bezug auf die Verbindungsstruktur repräsentiert.
Mit 9 und 10 wurde bestätigt, dass bei der Halbleitereinheit, bei der die P in einer Menge von 1 Massen-% oder mehr und von weniger als 7 Massen-% enthaltenden Cu-Legierungs-Partikel verwendet wurden, die Gesamtsumme von Zugabemengen der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel mit 25 Massen-% oder mehr und weniger als 65 Massen-% in Bezug auf die Verbindungsstruktur vorgegeben war und das Ag/Cu-Massenverhältnis mit 0,2 oder größer und kleiner als 1,2 vorgegeben war, die Änderungsrate des Werts des thermischen Widerstands geringer als 10 % war.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterelement
2: Substrat
3: Verbindungsstruktur
4: Sn-Phase
5: Cu-Legierungs-Partikel
6: Ag-Partikel
7: Cu₆Sn₅-Deckschicht
8: Ag₃Sn-Deckschicht
9: Cu₁₀Sn₃-Phase
10: Ag-Schicht
11: Ag₃Sn-Grenzschicht
12: Cu-Schicht
13: Cu₆Sn₅-Grenzschciht
14: Hohlraum
15: Cu-P-Verbindungs-Partikel
16: Paste
17: Sn-Partikel
18: Lösungsmittel
19: pastöser Trockenkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2014199852 A [0008]

Claims

Verbindungsstruktur, die zwischen einem Halbleiterelement und einem Substrat einzufügen ist, wobei die Verbindungsstruktur Folgendes aufweist: - eine Sn-Phase; - Cu-Legierungs-Partikel, die P in einer Menge von 1 Massen-% oder mehr und von weniger als 7 Massen-% enthalten; und - Ag-Partikel, - wobei die Cu-Legierungs-Partikel jeweils mit einer Cu₆Sn₅-Deckschicht beschichtet sind, - wobei die Ag-Partikel jeweils mit einer Ag₃Sn-Deckschicht beschichtet sind, - wobei die Cu-Legierungs-Partikel und die Ag-Partikel durch eine Cu₁₀Sn₃-Phase zumindest teilweise aneinander gebondet sind, - wobei die Gesamtsumme von Zugabemengen der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel in Bezug auf die Verbindungsstruktur gleich 25 Massen-% oder größer und kleiner als 65 Massen-% ist und - wobei das Massenverhältnis der Zugabemenge der Ag-Partikel zu der Zugabemenge der Cu-Legierungs-Partikel gleich 0,2 oder größer und kleiner als 1,2 ist.
Verbindungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsstruktur Cu-P-Verbindungs-Partikel aufweist, die in einer versprengten Weise verteilt sind.
Halbleitereinheit, die Folgendes aufweist: - ein Halbleiterelement; und - ein Substrat, wobei das Halbleiterelement und das Substrat durch Einfügen der Verbindungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2 zwischen diesen miteinander verbunden sind.
Halbleitereinheit nach Anspruch 3, - wobei die Halbleitereinheit eine Ag-Schicht und eine Ag₃Sn-Grenzschicht aufweist, die in der angegebenen Reihenfolge von der Seite des Halbleiterelements aus zwischen dem Halbleiterelement und der Verbindungsstruktur ausgebildet sind, und - wobei die Halbleitereinheit eine Cu-Schicht und eine Cu₆Sn_s-Grenzschicht aufweist, die in der angegebenen Reihenfolge von der Seite des Substrats aus zwischen dem Substrat und der Verbindungsstruktur ausgebildet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinheit, das die folgenden Schritte umfasst: - Herstellen einer Paste durch Mischen von Sn-Partikeln, Cu-Legierungs-Partikeln, die P in einer Menge von 1 Massen-% oder mehr und von weniger als 7 Massen-% enthalten, Ag-Partikeln und einem Lösungsmittel, wobei eine Gesamtmenge der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel in Bezug auf eine Gesamtmenge der Sn-Partikel, der Cu-Legierungs-Partikel und der Ag-Partikel mit 25 Massen-% oder mehr und weniger als 65 Massen-% vorgegeben ist, wobeidas Massenverhältnis der Ag-Partikel zu den Cu-Legierungs-Partikeln mit 0,2 oder größer und kleiner als 1,2 vorgegeben ist; - Aufbringen der Paste auf ein Substrat; - Anordnen eines Halbleiterelements auf der Paste; - Verflüchtigen des Lösungsmittels in der Paste durch Erwärmen auf eine Temperatur von 120 C oder eine höhere Temperatur und von 200 °C oder eine niedrigere Temperatur; und - Verbinden des Halbleiterelements und des Substrats miteinander durch Erwärmen auf eine Temperatur von 340 °C oder eine höhere Temperatur und eine niedrigere Temperatur als 450 °C.