TWI283463B - Members for semiconductor device - Google Patents

Description

1283463 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於使用於構成半導體裝置的吸熱裝置（heat

Slnk)、散熱基板、外殼的部件，特別係關於能進行良好的 樹脂接合的半導體裝置用部件、及使用該部件的半導體裝 置。 【先前技術】 對於構成半導體裝置用部件的其中之一的基板的材料， 要求在與其他的裝置用部件組合的情況時，在於組合界面 ’不會產生熱應力所引起的彎曲。因此，基板材料的熱膨 服率被要求與構成半導體元件或封裝物等的其他裝置用部 件的材料供大的差異。特別係隨著最近的半導體裝的小型 輕量化，作為散熱基板的材料，被要求熱傳導率高，同時 熱膨脹率與半導體元件或封裝物等無大的差異、並且輕量 的材料。 作為滿足這些要求的有希望的基板材料，以界及/或…^與 Cu為主成分的合金或複合體，即Cu-W或Cu_m〇合金或複合 體為眾所皆知。又，關於在使Sic呈粒子狀地分散於A1*A1 合金中的以Al-Si為主成分的合金或複合體；以及在使Sic呈 粒子狀地分散於Si或Si合金中的以Si-Sic為主成分的合金或 複合體也為眾所皆知。 再者’對於包含散熱基板的半導體裝置用部件，被要求 南度的对餘性’但由於構成這些的合金或複合體以裸材無 法獲得耐蚀性，故以往以來，在表面實施Ni或Au等的電鍍 86619 1283463 » 。這些的電鍍層係在以往以來所進行的基板材料與封裝物 等的材料之錫焊之際，為了保持濕潤性或接合強度所必要 的。 惟，在於近年，作為散熱基板與封裝物等的接合方法， 使用成本較錫焊低、且可在低溫進行接合之使用樹脂的接 合方法逐漸形成主流。在於以往的使用樹脂的封裝物等， 以轉接模等的方法將電鍍前的散熱基板與引線框等的其他 半導體裝置用部件接合後，實施電鍍。惟在近年，逐漸形 成使用預先在散熱基板等實施電鍍後，使用環氧系、聚醯 亞胺系等的液狀樹脂、薄片狀樹脂等加以接合於封裝基板 等的方法。 在該樹脂接合法的情況時，以往以來作為電鏡層通常所 使用的Ni或Αιι會產生一般與樹脂的接合性差，而無法獲得 必要的接合強度之問題。特別係在_ 6 5 °C與+1 5 0 °C的溫度交 互曝露的溫度循環試驗；溫度121°C、相對溼度（rh)1〇〇%、 2氣壓的狀態下加以曝露的PCT試驗；或溫度+ 131。〇、85RH% 、2氣壓的狀態下加以曝露的HAST試驗等的各種可靠性試 驗後，樹脂接合強度的劣化尤其顯著。 另一方面，作為樹脂接合性高的金屬材料，包含容易形 成自然氧化膜的A1及Cu。惟，在於A1及Cu，鬆散體材料的 自然氧化膜與樹脂的接合強度，特別係在上述的各種可靠 性試驗後的接合強度並不充分。又，Cu-W及Cu-Mo等的以 W及/或Mo與Cu為主成分的合金或複合體，局部地存有cu 的自然氧化膜生成面，但由於僅局部地存有Cu的自然氧化 86619 1283463 膜生成面’與樹脂的接合強度低’故以單獨無法獲得滿足 的樹脂接合強度。 田因此，嘗試改良AUtCu等的金屬材料的樹脂接合性，而 提出了各種的方法。例如，在日本特開昭61_295692號公報 及特開昭61-295693號公報揭示：藉由在殷鋼（invar)板或銅 包層殷鋼板的基材的一面蒸鍍或電鍍厚度為5〇〇 左右為 止的Α1等，再經由環氧樹脂等的絕緣層形成配線電路，來 改善基材與樹脂絕緣層的接合強度之方法。 又，在日本特開平10-284643號公報揭示：藉由在Cu_w或 Cu-Mo合金施予由粒徑〇丨〜1〇 μιη的結晶粒子所组成的ai 披覆層，在該A1披覆層的表面形成厚度1〇〜8〇〇 a的氧化層 ，來改善樹脂接合強度的方法。 惟，由於隨著近年之半導體元件的高速化，來自於半導 體元件的發熱變得更大，故期望比起以往進一步提高基板 與封裝物之間的樹脂接合強度，特別係在HAST試驗等的可 罪性试驗後’減少樹脂接合強度的劣化。 專利文獻1 曰本特開昭61_295692號公報 專利文獻2 曰本特開昭61-295693號公報 專利文獻3 曰本特開平10-284643號公報 【發明内容】 本發明係有鑒於上述以往的情事而開發完成的發明，其 86619 1283463 目的在於提供具有優良的樹脂接合性的半導體裝置用部 件、及使用該部件的半導體裝置，其係針對由cu_w$

Cu-M。、A1-SlC、Sl_SlC等的合金或複合體所組成的半導體 裝置用部件’改善與樹脂接合之接合強度，即使在溫度循 壤試驗等的各種可靠性試驗後，也可維持高度的樹脂接合 強度者。 為了達到上述目的，本發明所提供的具有優良的樹脂接 合性的半導體裝置用部件的其中之—者，其係以w及，或以〇 與Cu為主成分的合金或複合體作為基材的半導體裝置用部 件，其特徵在於：在藉由樹脂接合該基材的至少其他的半 導體裝置用部件的面上包括由硬質碳膜所組成的披覆層。 前述以w及/或“。與以為主成分的合金或複合體，包括5〜 40重量％的Cu為佳。 又，本發明所提供的具有優良的樹脂接合性的半導體裝 置用的部件之另一者，其係以八^…為主成分的合金或複合 體作為基材的半導體裝置用部件，其特徵在於··在藉由樹 脂接合該基材的至少其他的半導體裝置用部件的面上包括 由硬質碳膜所組成的披覆層。又，前述以A1_Sic為主成分的 合金或複合體，包括10〜70重量％的Sic為佳。 進一步，本發明所提供的具有優良的樹脂接合性的半導 體裝置用的部件之另一者，其係以Si_Sic為主成分的合金或 複合體作為基材的半導體裝置用部件，其特徵在於：在藉 由樹脂接合該基材的至少其他的半導體裝置用部件的面上 包括由硬質碳膜所組成的披覆層。又，前述以s卜sic為主成 86619 1283463 合體的基材的表面，自ii約姐上

月匕夠長：向由以W_Cu、Mo_Cu、Al-SiC 或i SiC的其中一種為主成分的合金或複合體的基材所 組成的半島裝置用部件與樹脂的接合強度，並且即使在溫 度循環試驗等的各種可#性試驗後，樹脂接合強度的劣化 也小，而可維持高度的樹脂接合強度。具有如此優炎的樹 脂接著特性係由於硬質碳膜與樹脂成分的反應速度極小 之故。 針對由該f更質碳膜所組成的披覆膜的膜層厚度，理想為 〇·1〜10 μιη的範圍，更理想為〇5 μιη的範圍。在硬質 碳膜的膜層厚度未滿〇. 1 μπι時無法獲得高度的樹脂接著強 度，作成〇·5 μιη以上可獲得特別期望的樹脂接著強度。又， 由於一旦硬質碳膜的膜層厚度超過丨〇 μιη，則會使生產性降 低’故不理想。因硬質碳膜具有強大的壓縮應力，所以當 膜層厚度變大時則應力變強，變得容易自基材剝離，故期 望作成1 · 5 μιη以下的膜層厚度。 對於形成硬質碳膜，能夠使用例如電漿CVD法或離子束 蒸鍍法。電漿CVD法係藉由高頻放電、直流放電、微波放 電等的作用，將包括碳的原料作成電漿，將之堆積在基材 表面的方法。利用此電漿CVD法，會有因以電漿敲擊基材 所以能使表面活性化，且比起熱CVD法能以較低的溫度來 形成膜的優點。又，離子束蒸鍍法係將曱烷等的碳氯化合 物在離子源作成電漿’以引出電極系統加以加速而作成離 子束，照射於基材表面而堆積的方法。該離子束蒸艘法具 有由於加速能量大，故比起通常的蒸鍍，碳可侵入至基材 86619 -11 - 1283463 内部’與基材的接著性良好之優點。 將電漿CVD法與離子束電鍍法加以比較時，在將原料作 成電漿的這-點相同’但在電漿⑽法，因並非將電漿作 為離子束而取出，而係直接堆積於位在相同空間内的基材 上所以成膜迅速，故生產性飛躍地提昇。即，電漿法 的膜形成速度係離子束蒸鍍法的3倍以上，每批的處理數係 數倍〜數十倍。又，由於電漿CVD法與離子束蒸鍍法均能 夠在基材溫度20(TC以下形成硬質碳膜，能夠在低溫形成膜 ，故不會有使基材變質之虞。 形成硬質破膜的披覆層的基材係以往以來作為基板材料 等所使用的以W及/或Mo與Cu為主成分的合金或複合體、以 Al-SiC為主成分的合金或複合體、或以Si_Sic為主成分的合 金或複合體之其中一種。以W及/或]Vio與Cu為主成分的合金 或複合體係例如日本特開昭59-21032號公報或特開昭 5 9_46050號公報等所記載者。又，以A1-Sic為主成分的合金 或複合體係日本特開平10-335538號公報所記載者。以 Si-SiC為主成分的合金或複合體係日本特開平11 — 166214號 公報所記載者。 針對這些的硬質碳膜的製造方法，以W及/或Mo與Cu為主 成分的合金或複合體，係可藉由在W粉末及/或Mo粉末加入 Cu粉末後加以燒結，在所獲得的骨架上滲透Cu之滲透法； 或藉由將W粉末及/或Mo粉末與Cu粉末的成形體加以燒結 的燒結法來製造。又，以Al-SiC為主成分的合金或複合體係 可藉由鑄造法、使A1浸潰於SiC的壓片的浸潰法、將A1粉末 86619 -12- 1283463 與Sic粉末或Al-SiC合金或複合體的粉末的成形體加以燒結 的燒結法來製造。又’以S i - S i C為主成分的合金或複合體係 可藉由鏵造法、使Si浸潰於SiC的預成型的浸潰法、將si粉 末與SiC粉末或Al-SiC合金或複合體的粉末的成形體加以燒 結的燒結法來製造。 這些的合金或複合體係兼具有近似半導體元件或封裝物 等的材料之熱膨脹率、及優良的熱傳導率。例如，在以W及 /或Mo與Cu為主成分的合金或複合體的情況時，cu的含有量 在5〜40重量％的範圍，而熱膨脹係數通常為5〜i2xi〇-6/°c 。在以Al-SiC為主成分的合金或複合體的情況時，sic含有 T為10〜70重量％的範圍’而熱膨脹係數為8〜2〇xi〇-6/°c 。在以S1-S1C為主成分的合金或複合體的情況時，在廣大的 組成領域内可獲得熱膨脹係數為5 xi〇-6rc以下者，並且特 別係Si含有量在1〇〜35重量％的範圍可獲得2〇〇 w/m · κ以 上的高度熱傳導率者。 另一方面，由Si、Ge、GaAs等所組成的現在泛用性使用 之半導體元件的熱膨脹係數係3〜4 X 1 (r6/°c左右，又接合於 基板所使用的封合部件的熱膨脹係數，以現在泛用性使用 的陶瓷封合物為4〜10 X 1(Γ6/1左右，以陶瓷封合物為7〜13 xi〇_6/°C左右。由這些的關係可得知，以冒及/或]^〇與（^為 王成分的合金或複合體的(：^含有量，5〜4〇重量％的範圍為 佳，以Al-SiC為主成分的合金或複合體的Sic含有量，〜 7〇重量％的範圍為佳，以Sl_SlC為主成分的合金或複合體的 Si含有量，10〜3 5重量％的範圍為佳。 86619 -13- 1283463 將表面粗糙度控制在以JIS規定之Rmax(最大高度）為〇 ι 〜2〇 μπι的範圍作為形成硬質碳膜的披覆層之基材的表面 特性為佳。當表面粗楗度在Rmax小於0.1 μηι時，則即使在 其表面形成硬質碳膜的披覆層，也不易獲得充分的固著效 果。又，在Rmax大於20 μιη的情況時，由於氧氣等的吸著氣 體變多，在形成披覆膜時所釋放出的氣體量變多，故不易 獲知形成膜時所須的真空度，或使基材與披覆膜的密著性 變低。惟，由於通常當Rmax變得較8 μηι大時，則在接合樹 脂時’於樹脂與基材表面之間容易產生空隙，使得樹脂接 合強度的誤差變大，故更理想係將基材表面的Rmax作成〇」 〜8 μιη的範圍内。 又’為了滿足上述基材的表面粗糙度的條件，而期望將 在基材表面所產生的孔之深度作成1〇〇 μηι以下。這是由於 當孔的深度較100 μιη深時，則前述基材表面的吸著氣體量 ’並且不易在基材上以均等的厚度形成披覆層，故在披覆 層表面容易產生凹陷，又，用來接合的樹脂變得無法充分 地迁迴進入’不易保持充分的樹脂接合強度之故。 再者，在由以W及/或Mo與Cu為主成分的合金或複合體、 以Al_SiC為主成分的合金或複合體、或以s“Sic為主成分的 合金或複合體所組成的基材，為了對於基材賦予耐蝕性、 確保與硬質碳膜的接合強度，而能夠在其表面預先形成Ni 等的電鍍層。具體而言，以1〜2 μιη的膜層厚度，實施電解 Ni電鍍、或無電解Ni_P*Ni-B電鍍。 又’為了提昇硬質碳膜的密著性，而亦可在設於基材或 86619 -14- 1283463 其表面㈣等的電鏟層與硬質碳膜之間形成中間層。作為 中間層，例如’可舉出非晶形$、多結晶碎、Ge、SiC等。 作為中間層的膜層厚度，5〜5⑼nm4佳。在此膜層厚度未 滿5 nm ’則不易完全覆蓋基材表面，無法顯著地顯現中間 層的效果。膜層厚度的上限亦可為數㈣，但當考量生產性 時’則500 ηιη以下為佳。 在中間層的形成方法，能夠利用例如，PVD法或CVD法等 口的所有《膜形成方法。在該情況時，中間層的形成 與硬質碳膜的形成，係在於相同的真空槽或多層式的真空 裝置’不會使裝置㈣真空返回到大氣壓，而連續地進行 為有效的。藉此，由於基材不會與大氣接觸，故可期待中 間層與硬質碳膜之間的密著性的提昇。 作為在本發明的基材表面用於設有硬質碳膜的半導體裝 置用邵件與封裝物等的其他部件的接合之樹脂，能夠舉出 ••添加有銀填充料或硅石等的陶瓷填充料的環氧樹脂、為 了降低楊氏模數而添加有矽樹脂的環氧樹脂、未進行這些 添加的環氧樹脂、進行了前述添加的聚醯亞胺樹脂、未進 行添加的聚酸亞胺樹脂、進行了前述的添加的盼酸樹脂、 未進行添加的酚醛樹脂、進行了前述的添加的聚酯樹脂、 未進行添加的聚酯樹脂、進行了前述的添加的矽樹脂、未 進行添加的矽樹脂等。 能夠使用在本發明的基材表面設有硬質碳膜的部件，來 提供半導體裝置。例如，如圖1所示，在基材1的全面形成 86619 •15- 1283463 厚度1〜2 μιη的Ni電鍍層3後，在包括元件搭載部的一面， 利用電漿CVD法來形成硬質碳（DLC)膜2的披覆層。硬質碳 膜的氫含有量，通常在3〇〜4〇 atni%的範圍。在此基材1的 叹有硬質碳膜2的一面之中央部，如圖2所示，搭載半導體 元件4後’使用環氧樹脂7來將設有該硬質碳膜2的一面之 外緣邵與陶瓷封合物5的表面接合。再者，圖2的圖號以係 形成在陶瓷封合物5的裏面的銲錫隆起（bump)，圖號a係 將半導體元件4與陶瓷封合物5加以電連接的錫焊隆起。 實施例 製造包括下逑表1所示的組成的各複合體，作為半導體裝 置用邵件的基材材料。即，c卜w複合體及Cu_M。複合體係 利用滲透法來製造，使得密度實質上形成1〇〇%。八“丨。複 合體係利用燒結法來製造。又，複合體㈣用渗透法 來製造。 將這些的複合體，加工成縱lOOmmX橫25mmX厚2匪 ·· 的板狀’在表面實施研磨加工或噴射⑽⑷加I，表面粗 糙度在Rmax為0.5〜1〇〇 "…认#㈤ 、 WO μιη的靶圍，分別加工成如下述表i 所π的值。在所獲得的各基材的表面，利用電紅仰法來 形成具有下述表1所示的膜層厚度之硬質碳（DLC)膜的披 覆膜’作成本發明的試料卜17。又，作為比較例，針對 試料1 8，利用電解鎧雷祐才Α w + 衣％鍍來在基材表面形成Ni層；及針對 試料1 9 ’利用蒸錢法夾太f & $ ' 又凌來在基材表面形成八丨層，來代替形 上述DLC膜。 86619 * 16 - 1283463 為了測定如此所製作的各試料之樹脂接合強度，而根據 JIS K 6850進行評價。所使用的樹脂係含有7〇重量％的銀填 充料之液狀裱氧樹脂，如第3圖所示，在2個試料基板a的各 如▲佈上述環氧樹脂B形成厚度25 μηι，藉由此環氧樹 脂Β來接合2個試料基板Α彼此，在18〇<t下加以硬化丨小時。 當環氧樹脂B硬化後，在15(rc實施24小時的乾燥，來作成 試驗片。 針對如此所獲得的JISK 685〇的各試驗片，與其初期強度 一同在溫度循環試驗後、PCT試驗（Pressure Col 了叫後 、及hast試驗（Hlghly Aeeelerated Stress Test)後分別測 定接合強度’將其結果-併顯示於下述表1。再者，溫度循 環試驗係將在150°c的環境中曝露30分鐘及在65。〇中曝露

3〇分鐘的循環進行1000循環。pCT試驗係作成Η〗它X l〇〇%RHX2 atm的不飽和型之pcT試驗，進行3〇〇小時。又 ’ hast試驗係在131t X85%RHX2迦的戟驗條件下，進 行300小時。 上述接合強度的測定，係使用精密萬能試驗機（咖咐啦） 來進行。即，如圖3所示，以試驗機的牵引具握持設在接合 有2個試料基板A的試驗片的兩端之牵引部c，一邊注意試驗 片的長軸與奪引具的中心線形成在一直線上，一邊以 mm/mm的速度’將試驗片朝長軸方向拉引。記錄試驗片遭 破壞時的最大荷重，以試驗片的樹脂接著部分的面積除以 該值，作為接合強度。 86619 -17- 1283463 表1 試料 基板材料 (wt%) Rmax (/zm) DLC膜 (//m) 樹脂接合強度（kgf/mm2). 初期 溫度循環後 PCT後 HAST 後 10%Cu-W 5 1.0 1.8 1.5 1.3 1.3 15%Cu-W 5 1.0 1.9 1.5 1.3 1.3 20%Cu-W 5 1.0 1.8 1.5 1.3 1.3 10%Cu-Mo 5 1.0 1.9 1.5 1.3 1.3 15%Cu-Mo 5 1.0 1.9 1.5 1.3 1.3 20%Cu-Mo 5 1.0 1.8 1,5 1.3 1.3 30%Al-SiC 5 1.0 1·8 1.5 1.3 1.3 20%Si-SiC 5 1.0 1.8 1.5 1.3 1.3 之 10%Cu-W 0.05 1.0 1.5 1.2 1.1 ------ 1.0 10%Cu-W 1 1.0 1.6 1.4 1.2 1.1 10%Cu-W 10 1.0 1.7 1.4 1.2 1.1 10%Cu_W 30 1.0 1.7 1.3 1.2 1.0 10%Cu-W 5 0.05 1.5 1.4 1.1 1.0 J4 10%Cu-W 5 0.1 1.6 1.4 1.2 "—----- J5 10%Cu-W 5 2 1,7 1.5 1.4 10%Cu-W 5 5 1.5 1.3 1.2 ----— 1.0 10%Cu-W 5 15 1.5 1.3 1.0 --------- — 1.0 10%Cu-W 5 Ni/1.0 1.4 0.9 0.7 ------- ----- 0.4 之 10%Cu-W 5 Al/1.0 1.8 1.1 0.9 "—-— (注）表中的賦予*的試料係比較例。 作為樹脂接合強度，被基本要求者係樹脂接合時的初期 86619 -18 - 1283463 具體例的概 圖1係顯示本發明之半導體裝置用部件的 略剖面圖。 圖係頌7F將圖1的半導體裝置用部件與封裝物樹脂接合 的半導體裝置的概略剖面圖。 圖3係顯不設在基材表面的披覆層與樹脂接合強度的關 係的圖表。 【圖式代表符號說明】 1 基材 2 硬質碳膜 3 Ni電鍍膜 4 半導體元件 5 陶瓷;封合物 6 a 銲錫隆起 6 b 鲜錫隆起 7 環氧樹脂 A 基板 B 環氧樹脂 c 牵引部 86619

Claims (1)

1. Ι28Μ6θΐ8867號專利申請案 f>月以日修(天)正替換頁 申請專利範圍替換本(96年2月） 拾、申請專利範圍： 1. 一種半導體裝置用部件，其係以W及/或Mo與為主成 分之合金或複合體作為基材者，於藉由樹脂接合該基材 之至少其他之半導體裝置用部件之面上有由硬質碳膜 所組成的披覆層。 2·如申請專利範圍第1項之半導體裝置用部件，其中前述 以W及/或Mo與Cu為主成分之合金或複合體係包括5〜 40重量％的Cu。 3. —種半導體裝置用部件，其係以A1_sic為主成分之合金 或複合體作為基材者，於藉由樹脂接合該基材之至少其 他之半導體裝置用部件之面上有由硬質碳膜所組成的 彼覆層。 4·如申請專利範圍第3項之半導體裝置用部件，其中前述以 Al-SiC為主成分之合金或複合體係包括1〇〜7〇重量％的 SiC。 5. —種半導體裝置用部件，其係以si_sic為主成分之合金 或複合體作為基材者，於藉由樹脂接合該基材之至少其 他之半導體裝置用部件之面上有由硬質碳膜所組成的 披覆層。 6·如申請專利範圍第5項之半導體裝置用部件，其中前述 以Si-SiC為主成分之合金或複合體係包括1〇〜35重量％ 的Si〇 7 ·如申明專利範圍第1至6項中任一項之半導體裝置用部 件’其中前述披覆層的厚度係〇」〜1〇 μηι。 86619-960216.doc 1283463 多年修(更)正替換頁 8·如申睛專利範圍第丨至6項中任一項之半導體裝置用部 件，其中前述基材之形成披覆層的面，其表面粗糙度 Rmax為 〇·1 〜20 μηι 〇 9_如申請專利範圍第7項之半導體裝置用部件，其中前述 基材之形成披覆層的面，其表面粗糙度Rniax為〇」〜2〇 μηι 〇 10. 如申請專利範圍第丨至6項中任一項之半導體裝置用部 件，其中存在於前述基材之形成披覆層的面之表面孔的 深度為100 μηι以下。 11. 如申請專利範圍第7項之半導體裝置用部件，其中存在 於前述基材之形成披覆層的面之表面孔的深度為1〇〇 μηι以下。 12. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置用部件，其中存在 於則述基材之形成披覆層的面之表面孔的深度為1〇〇 μηι以下。 13. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之半導體裝置用部 件’其中在前述基材之形成披覆層的面與該披覆層之間 包括Ni鍍層。 14·如申請專利範圍第7項之半導體裝置用部件，其中在前 述基材之形成披覆層的面與該披覆層之間包括Ni鑛層。 15·如申請專利範圍第8項之半導體裝置用部件，其中在前 述基材之形成彼覆層的面與該披覆層之間包括Ni鍍層。 16·如申請專利範圍第9項之半導體裝置用部件，其中在前 述基材之形成披覆層的面與該披覆層之間包括Ni鑛層。 86619-960216.doc -2- 1283463 丨和修(/J正替換黃 17. 一種半導體裝置，其特徵在於：使用如申請專利範圍第 1至16項中任一項的半導體裝置用部件者。 86619-960216.doc