TWI620614B - 半導體封裝用預形體及半導體裝置 - Google Patents
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Abstract
提供一種耐熱性優異之高可靠性及高品質的半導體封裝用預形體。
本發明之半導體封裝用預形體係以金屬或合金為主材料，該金屬或合金含有Sn或Sn合金、Cu或Cu合金，進一步含有至少2重量%之Cu與Sn的金屬間化合物。
Description
本發明係關於一種半導體封裝用預形體。
近年來進行著SiC半導體元件的開發。SiC半導體元件相較於Si半導體元件，其絕緣破壞電場強度高，能隙較寬，因此作為控制大量電力之功率元件而受到矚目。SiC半導體元件即使於超過Si半導體元件極限之150℃以上的高溫下亦可作動，而理論上認為即使於500℃以上亦可作動(參照專利文獻1)。
該等功率元件係於長時間持續高溫作動狀態，且伴隨從高溫作動狀態至低溫停止狀態之大幅度溫度變化等之嚴苛環境下使用。因此，具有半導體元件以及與其連接之連接構件的半導體裝置中，對於形成兩者接合之接合部，除了要求長期維持高接合強度以外，亦要求優異耐熱性。
而為了保護半導體元件，係使用收納於外殼並藉由外殼內部所填充之樹脂製封裝材構成封裝層而封裝的半導體裝置形態。
目前，樹脂製封裝材構成之封裝層的耐熱溫
度維持在150℃以下，當達到SiC半導體元件作動溫度之超過150℃的高溫時，封裝層將劣化而於封裝層產生縫隙，不利於確保半導體裝置之耐久性。因此，於現狀下，SiC半導體元件不得不於其作動溫度不超過封裝層耐熱溫度之範圍內使用，而於充分發揮SiC半導體元件性能上有所限制。
進一步，亦有使用Sn為主體之焊料(Sn系焊料)作為金屬封裝材代替樹脂製封裝材之例。但是，Sn系焊料之熔融溫度約為200~230℃，因此作為功率元件之封裝材使用時，對於其耐熱性仍有不滿。
又，使用Sn系焊料時，於持續高溫作動狀態與伴隨從高溫作動狀態至低溫停止狀態之大幅度溫度變化的嚴苛環境下，將產生孔隙而影響產品之可靠性。
專利文獻1：日本特開2011-80796號公報
本發明之課題在於提供一種耐熱性優異之高可靠性及高品質的半導體封裝用預形體。
為了解決前述課題，本發明之半導體封裝用預形體係以金屬或合金為主材料，該金屬或合金含有Sn或Sn合金及Cu或Cu合金，進一步含有至少2重量%之Cu
與Sn的金屬間化合物。
如以上所述，根據本發明，可提供一種耐熱性優異之高可靠性及高品質的半導體封裝用預形體。
1‧‧‧半導體封裝用預形體
1a‧‧‧半導體封裝用多層預形體
11‧‧‧第1層
12‧‧‧第2層
1n‧‧‧第n層
21‧‧‧半導體元件
22‧‧‧電子電路
23‧‧‧端子
24‧‧‧配線部
300‧‧‧封裝層
301‧‧‧空隙
500‧‧‧基板
501‧‧‧接合部
6‧‧‧金屬粉末
[圖1]顯示本發明之半導體封裝用預形體之一例的圖。
[圖2]顯示SAC305表面張力之圖。
[圖3]本發明之半導體封裝用預形體與SAC305的表面張力比較圖。
[圖4]顯示本發明之半導體裝置製造方法之一例的圖。
[圖5]顯示本發明之半導體裝置之一例的圖。
[圖6]顯示本發明之半導體封裝用多層預形體之一例的圖。
[圖7]顯示本發明之半導體封裝用多層預形體之另一例的圖。
[圖8]顯示使用壓延法之半導體封裝用預形體製造方法之一例的圖。
本說明書中，提到「金屬」、「金屬粒子」、「金屬成分」、「Sn」及「Cu」時，不只表示單一金屬元素，亦包含含有複數金屬元素之合金。
參照圖1進行說明。半導體封裝用預形體1由
第1層11所構成。第1層11以金屬或合金為主材料。該金屬或合金包含Sn或Sn合金及Cu或Cu合金。當Sn或Sn合金與Cu或Cu合金之重量合計為100重量%時，Cu或Cu合金含量較佳為1重量%至80重量%之範圍，但不限定於此。進一步含有至少2重量%之Sn與Cu的金屬間化合物CuxSny。
如前述，由於半導體封裝用預形體1含有Sn或Sn合金，因此將於Sn之熔點230℃左右開始熔融。熔融之Sn與Cu發生固相擴散而形成金屬間化合物CuxSny。由於Cu將固相擴散，而無須將溫度提高至Cu之熔點。因此可在不造成基板或電子構件等損傷之溫度下形成封裝層。雖因半導體封裝用預形體1之Cu含量、Cu粒子之大小而異，但於本實施形態中，具體來講，可於約280℃下形成。
又，所形成封裝層具有金屬間化合物CuxSny(以Cu3Sn與Cu6Sn5為典型)。Cu3Sn之熔點約為676℃，Cu6Sn5之熔點約為415℃，因此可提高加熱熔融而凝固後之封裝層的再熔融溫度。
例如，SAC305(96.5%Sn-3.0%Ag-0.5%Cu)加熱熔融時，熔融之Sn因表面張力而凝聚，發揮形成球狀之作用力。此時若加壓，熔融之SAC305將不停留於原處而朝周圍流出。
圖2係將SAC305形成漿狀塗布於玻璃板並加熱後之圖。a為昇溫至130℃，b為昇溫至249℃之狀態。當SAC305於a之130℃時，散布於玻璃板表面。但於b之
249℃時熔融且因表面張力而凝聚。此時若施加壓力，熔融之SAC305將流出。
通常使用Sn系之焊料時，為了抑制熔融之Sn的表面張力並提高可濕性，係使用添加焊劑形成漿狀者。焊劑係於燒成時蒸發為氣體，或於燒成後藉由洗淨去除。
對此，添加焊劑之預形體於燒成時，焊劑不易蒸發。又，焊劑蒸發為氣體之痕跡形成孔隙，而有導致品質降低之情形。
但是，半導體封裝用預形體1含有金屬間化合物CuxSny。因此，熔融之Sn的表面張力將降低。又，金屬間化合物CuxSny形成物理障礙，而抑制熔融之Sn的流動性。
進一步，半導體封裝用預形體1含有Cu。因此，熔融之Sn的表面張力將進一步降低。又，Cu粒子除了於物理上阻礙熔融之Sn流出以外，亦由於熔融之Sn將消費於與Cu接觸之固相擴散，而進一步抑制Sn之流動性。
如同先前所述，半導體封裝用預形體1可抑制熔融之Sn的表面張力。因此不須添加焊劑，而減少孔隙之產生。又，可抑制熔融之Sn的流動性而於目標位置形成封裝層。
如前述，藉由含有金屬間化合物及含有Cu而使表面張力降低之情形示於圖3。圖3之a、b及c分別表示藉由下列組成，以圖8所示之製造方法(後述)製造之半導體封裝用預形體，於約240℃下燒成時之狀態。
a：SAC305粉末。
b：含有金屬間化合物約10~20重量%之Cu與Sn的合金粉末。
c：以SAC305粉末30重量%、b記載之Cu與Sn的合金粉末35重量%以及Cu粉末35重量%之比率混合之粉末。
使用a時，可觀察到熔融之Sn由於表面張力而凝聚之情形。相對於此，使用b及c時，可觀察到熔融之Sn的表面張力降低而防止凝聚之情形。
又，半導體封裝用預形體1含有金屬間化合物CuxSny。藉由使Sn與Cu間存在金屬間化合物，Sn與Cu直接接觸之面積減少，而抑制擴散速度，緩和相互擴散之不均勻，結果將可抑制克根達孔(Kirkendall void)的產生。
封裝層製造方法之一例表示於圖4。於半導體元件上放置半導體封裝用預形體1，進行加熱‧加壓而形成封裝層。半導體封裝用預形體1由於流動性受到抑制，因此幾乎不朝周圍流出，而可於目標位置形成封裝層。
加熱溫度與時間根據半導體封裝用預形體1之組成等而異，於本實施形態中，係逐漸提高溫度，於約280℃保持1~20分鐘。
藉由前述製造方法製造之半導體裝置之一例表示於圖5。例如當電子電路22為感測電路時，若以封裝層固定，則將喪失作為感測電路之機能。但是，藉由使用半導體封裝用預形體1形成封裝層，可防止封裝材流入半導體元件下部而確保空隙301。因此，相較於習知技術，可較簡便地製作感測電路而降低製造成本。
圖6為表示半導體封裝用多層預形體1a之圖。半導體封裝用多層預形體1a至少含有第1層11與第2層12。又，圖7為表示本發明相關之半導體封裝用多層預形體1a的另一例之圖。因應用途與目的，可積層複數n之預形體(11、12、‧‧‧‧‧1n)。例如，可藉由積層具有電磁波遮蔽效果之薄片、有助於放熱之薄片等，而賦予各種作用效果。其結果，可提高半導體封裝用多層預形體1a整體之機能。
本發明之半導體封裝用預形體1，典型來講，可藉由將金屬粉末以壓延處理而薄片化之粉末壓延法而得到。粉末壓延法本身習知有多種，本發明中，可適用該等之習知技術。圖8表示可適用之典型例。圖8中，以R1及R2之相對方向旋轉的壓延滾筒31與32之間供給金屬粉末6，以壓延滾筒31與32對金屬粉末6施加壓力，可得到半導體封裝用預形體1。將半導體封裝用預形體1積層並進一步壓延，可得到半導體封裝用多層預形體1a。預形體各別之厚度、半導體封裝用預形體全體之厚度係因應用途與目的而適當調整。
以上參照附圖詳細說明本發明，但本發明不限定於該等，若為本業界人士，則可根據其基本技術思想以及啟發而想出各種變形例，乃自明之理。
Claims (3)
- 一種半導體封裝用預形體，其係以金屬或合金為主材料之半導體封裝用預形體，該金屬或合金含有Sn或Sn合金及Cu或Cu合金，進一步含有至少2重量%之Cu與Sn的金屬間化合物，該半導體封裝用預形體係藉由混合之金屬粉末而得到，該混合之金屬粉末係包含含有金屬間化合物之包含Cu與Sn的合金粉末、以及Cu粉末。
- 一種半導體封裝用多層預形體，其係至少具有第1層與第2層之半導體封裝用多層預形體，該第1層由請求項1之半導體封裝用預形體所構成。
- 一種半導體裝置，其具備半導體元件；與該半導體元件電連接之配線部；以及封裝該半導體元件之封裝層；該封裝層使用請求項1之半導體封裝用預形體或請求項2之半導體封裝用多層預形體而形成。
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