專利名稱：釬料、使用該釬料的半導(dǎo)體裝置的裝配方法、以及半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫釬料(brazing filler metal)，用于半導(dǎo)體元件的芯片焊接(die bonding)和電子零件的裝配，尤其是涉及一種不含鉛(Pb)的高溫釬料。
背景技術(shù)：
當(dāng)高頻元件或半導(dǎo)體元件被芯片焊接在引線框架(lead frame)或類似物上以裝配一半導(dǎo)體裝置或電子零件時(shí)，使用熔點(diǎn)大約為300℃的Au-型釬料或Pb-型釬料，其中以Au/20％重量的Sn(20％重量的Sn，且其余為Au)代表Au-型釬料，以Pb/5％重量的Sn(5％重量的Sn，且其余為Pb)代表Pb-型釬料。
使用熔點(diǎn)大約為300℃的釬料用于芯片焊接的原因是當(dāng)在240℃至260℃的溫度和不超過10秒的加熱時(shí)間的條件下，將裝配的半導(dǎo)體裝置安裝在印刷電路板上時(shí)，上述釬料能用以防止在芯片焊接時(shí)使用的釬料重熔而造成性能降低。而且，在電子零件的裝配中，使用該釬料，可使在上一步驟中使用的該釬料不會在隨后進(jìn)行釬焊步驟(在220℃至260℃)時(shí)再次熔化。
然而，這種Au-型釬料具有價(jià)格昂貴的問題，Pb-型釬料具有污染環(huán)境的問題。因而，需要一種不含Pb的釬料，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠并且可以在300℃至340℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行釬焊，其熔化溫度為260℃或更高，并且具有良好的潤濕性。
為了滿足上述要求，設(shè)計(jì)一種包含0.005％到5.0％重量的Fe和Ni中至少其中之一的焊接材料，并且優(yōu)選包含0.1％至20％重量的Ag、或0.05％至9％重量的Cu、或0.1％至15％重量的Ag，和0.05％至5％重量的Cu，并且還包含0.1％至15％重量的Sb，其余主要為Sn(參看日本專利公開No.Tokukai2001-144111)。
此外，還設(shè)計(jì)有另一種用于芯片焊接的焊接材料，該材料包含11.0％至20.0％重量的Sb、0.01％至0.2％重量的P，并且優(yōu)選包括0.005％至5.0％重量的Cu和Ni中至少其中之一，其余為Sn以及附帶的雜質(zhì)(參看日本專利公開No.Tokukai2001-284792)。
一些設(shè)計(jì)解決了Sn/Sb型焊料(solder)抗熱疲勞性能不佳的缺點(diǎn)，并且減小了當(dāng)半導(dǎo)體裝置通過焊接安裝在一印刷電路板上時(shí)，置于高溫條件下的芯片焊接部分的電阻變化。
另外，為改善焊料的潤濕性，在半導(dǎo)體元件和焊料的焊接面(此后，稱作“半導(dǎo)體元件的芯片焊接面”)上設(shè)置一多層次金屬層，諸如Cr-Ni-Ag或Ti-Cu-Ag。當(dāng)使用Sn/Sb型的焊料作為芯片焊接焊料時(shí)，位于多金屬層的最外層表面的Ag與焊接材料一起熔化，過度地降低了焊接材料的熔點(diǎn)(參看日本專利公開No.Tokukai2001-196393中第0006段)。為解決該問題，設(shè)計(jì)了一種方法，其中在半導(dǎo)體裝置的芯片焊接面上依次形成一第一金屬涂層和一第二金屬涂層，該第二金屬涂層是一種包含錫或銻的涂層，并且使用Sn/Sb型焊料作為焊料(參看日本專利公開No.Tokukai2001-196393中的第0008段)。
特別是，當(dāng)半導(dǎo)體元件熱輸出量較大時(shí)，使用一種含Sn5％重量的Sb型焊料以得到高的可靠性。然而這時(shí)存在一個問題，即由于半導(dǎo)體裝置工作時(shí)產(chǎn)生熱或施加壓力，多金屬層中的諸如Ni和Cu的中間金屬層與焊料反應(yīng)，生成一硬脆的金屬間化合物層，斷裂從該層得到進(jìn)一步發(fā)展(參看日本專利No.3033378中第0005至0006段)。為了解決該問題，在此描述一種Sn/Sb型焊料的使用，其通過在半導(dǎo)體元件的芯片焊接面上形成一Cr、Ti、Mo、W、Zr和Hf的最外層或在金屬層上設(shè)置一表面金屬層，該表面金屬層包括從Sn、Sb、Au、Ag、Pt、Ni、Cu、Zn、Al、Co、Fe和Pb組成的組群中選出的至少一種金屬(參看日本專利No.3033378中的第0010至0011段)。
依照上述的兩種方法，可以防止焊料的熔點(diǎn)過分降低，或可以防止生成硬脆的金屬間化合物層。然而，仍然會產(chǎn)生一個新的問題即芯片焊接之后，在焊料層的半導(dǎo)體元件側(cè)上會產(chǎn)生許多空洞?？斩吹某霈F(xiàn)破壞了長期的穩(wěn)定性。
此前提供的Sn/Sb型釬料中，存在下述缺點(diǎn)β’相中的大顆粒易于沉積并且在元件和焊接部分中易于出現(xiàn)裂縫，并且當(dāng)半導(dǎo)體元件的芯片焊接面上設(shè)置有上述特殊涂層時(shí)，形成有空洞；這些缺點(diǎn)至今仍未克服。因而，不能認(rèn)為Sn/Sb型釬料是完美的。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況，本發(fā)明的目的是提供一種新的Sn/Sb型釬料，其不含Pb并且適用于芯片焊接半導(dǎo)體元件或裝配電子零件。
為解決上述問題，依照本發(fā)明的第一方面，一種釬料包括5％至20％重量的Sb和0.01％至5％重量的Te，其余為Sn以及附帶的雜質(zhì)。并且，為改善釬料的熱循環(huán)性，可以在釬料中添加總重量為0.01％到5％的Ag、Cu、Fe和Ni中至少其中之一。
依照本發(fā)明的第二方面，一種釬料包括5％至20％重量的Sb、0.01％至5％重量的Te、和0.001％至0.5％重量的P，其余為Sn和附帶的雜質(zhì)。并且，為改善釬料的熱循環(huán)性，可以在釬料中加入總重量0.01％至5％的Ag、Cu、Fe和Ni中至少其中之一。
依照本發(fā)明的第三方面，提供一種半導(dǎo)體裝置的裝配方法，其中通過使用一種釬料來芯片焊接半導(dǎo)體元件，以裝配一半導(dǎo)體裝置。其中使用依照本發(fā)明的第一或第二方面的釬料作為該釬料。
依照本發(fā)明的第四方面，通過使用依照本發(fā)明的第一或第二方面的該釬料裝配一半導(dǎo)體裝置。
具體實(shí)施例方式
為解決上述問題，依照本發(fā)明的第一方面，一種釬料包括5％至20％重量的Sb和0.01％至5％重量的Te，其余為Sn以及附帶的雜質(zhì)。為了細(xì)化產(chǎn)生的β’相，加入Te以防止出現(xiàn)裂縫。Te的濃度設(shè)定為重量的0.01％至5％是因?yàn)槿绻摑舛鹊陀?.01％重量，則無法獲得足夠的細(xì)化β’相的效果，并且如果該濃度超過5％重量，則不會獲得進(jìn)一步的細(xì)化β’相的效果，而僅僅增加了成本。
Sb的濃度設(shè)定為5％至20％重量是因?yàn)槿绻摑舛鹊陀?％，則該液相溫度就低于240℃，該釬料不能承受芯片焊接之后的后續(xù)步驟中使用的260℃加工溫度。如果其濃度超過20％重量，則該液相溫度超過320℃，340℃的芯片焊接溫度變得不足。如果在釬料中添加總量為0.01％到5％重量的Ag、Cu、Fe和Ni中至少其中之一并且分散開，則可以進(jìn)一步改善釬料的熱循環(huán)性。
依照本發(fā)明的第二方面，一種釬料，其包括5％至20％重量的Sb、0.01％至5％重量的Te、0.001％至0.5％重量的P，其余為Sn和附帶的雜質(zhì)。Sb和Te的添加量的范圍的原因與本發(fā)明的第一方面相同。加入P是為了進(jìn)一步改善潤濕性，這樣在芯片焊接時(shí)不會在半導(dǎo)體元件和釬料之間不易出現(xiàn)空洞。如果P的濃度小于0.001％重量，則不能得到這樣的效果，并且如果加入超過0.5％重量的P，則很難實(shí)現(xiàn)低成本鑄造。
通過加入P而能夠抑制空洞出現(xiàn)的原因在于，發(fā)明者認(rèn)為當(dāng)釬料熔化時(shí)，氧優(yōu)先和P反應(yīng)，以避免在熔化體表面上形成一氧化膜，從而改善了潤濕性。正如在本發(fā)明第一方面的釬料中，如果在釬料中加入總量為0.01％至5％重量的Ag、Cu、Fe和Ni中至少其中之一并且分散開，則可以更進(jìn)一步改善釬料的熱循環(huán)性。
使用本發(fā)明第一和第二方面的釬料時(shí)，可以使用傳統(tǒng)的步驟和條件而不需任何改變。使用本發(fā)明的釬料制造的半導(dǎo)體裝置具有和使用由傳統(tǒng)的金基合金制成的釬料或由鉛基合金制成的釬料制造的半導(dǎo)體裝置同樣的可靠度或更高的可靠度。
下面將通過實(shí)例的形式更加詳細(xì)的描述本發(fā)明。
實(shí)例1至20通過常壓熔化爐，使用各自具有99.9％純度的Sn、Sb和Te制成Sn合金錠，其組分顯示在表1中，然后，將該合金錠擠壓成1mm的直徑以制成金屬絲型樣品。
為評估合金的潤濕性，在340℃下在氮?dú)饬髦袑⒃摻饘俳z壓在銅板上，熔化后，該金屬絲在氮?dú)庵芯徛鋮s。為了在β’相變粗的更嚴(yán)峻的條件下評估潤濕性，進(jìn)行緩慢的冷卻。
壓在銅板上并且緩慢冷卻的部分的截面被研磨并拋光，以觀察形成的β’相的尺寸。結(jié)果，β’相的尺寸均不會超過20μm。這認(rèn)為是加入Te的結(jié)果。
為評估焊接的可靠性，通過在硅芯片焊接面上沉淀Au制備一空白芯片(dummy chip)，并通過使用直徑1mm的樣品和芯片焊接機(jī)，將該空白芯片焊接在銅引線框架上。接著，通過使用環(huán)氧樹脂對該空白芯片進(jìn)行模制。在-50℃至150℃的溫度范圍內(nèi)使用該模制品進(jìn)行500個循環(huán)的溫度循環(huán)試驗(yàn)。此后，揭開樹脂，觀察焊接部分。當(dāng)該芯片或焊接部分上沒有裂縫時(shí)，評估為“優(yōu)”；或當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，評估為“劣”。結(jié)果顯示在表1中。
將部分模制品安裝在一安裝板上，以檢測在該安裝的芯片或焊接部分是否有任何異常，以及在釬料中是否有空洞。結(jié)果，在所有的樣品中均沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，并且沒有證實(shí)有任何空洞。
表1

從表1可以看出依照本發(fā)明的Sn合金的焊接可靠性沒有問題。
實(shí)例21至80使用各自具有99.9％純度的Sn、Sb、Te和P的原料通過常壓熔化爐得到Sn合金錠，其組分顯示在表2至5中。然后，將該合金錠擠壓成1mm的直徑以制成金屬絲型樣品。
為評估得到的合金的潤濕性，在340℃下在氮?dú)饬髦袑⒃摻饘俳z壓在銅板上，熔化后，該金屬絲在氮?dú)庵芯徛鋮s。為了在β’相變粗的更嚴(yán)峻的條件下評估潤濕性，進(jìn)行緩慢的冷卻。
壓在銅板上并且緩慢冷卻的部分的截面被研磨并拋光，以觀察形成的β’相的尺寸。結(jié)果，類似于實(shí)例1至20，β’相均不會超過20μm。這認(rèn)為是加入Te的結(jié)果。
為評估焊接的可靠性，通過在硅焊接面上沉淀Au制備一空白芯片，使用直徑1mm的樣品和芯片焊接機(jī)將該空白芯片焊接在銅引線框架上。接著，通過使用環(huán)氧樹脂對該空白芯片進(jìn)行模制。在-50℃至150℃的溫度范圍內(nèi)使用該模制品進(jìn)行500個循環(huán)的溫度循環(huán)試驗(yàn)。此后，揭開樹脂，觀察焊接部分。當(dāng)該芯片或焊接部分上沒有裂縫時(shí)，評估為“優(yōu)”；或當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，評估為“劣”。結(jié)果顯示在表2至5中。
將部分模制品安裝在安裝板上，以檢測在該安裝芯片或焊接部分中是否有任何異常，并且在釬料中是否有空洞。結(jié)果，在所有的樣品中均沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，并且沒有證實(shí)有任何空洞。
表2


表3

本發(fā)明還用于私人醫(yī)師。當(dāng)立即需要高精確性的結(jié)果時(shí)，該設(shè)備提供合同血樣分析實(shí)驗(yàn)室的選擇。該設(shè)備的速度和精確性將醫(yī)師提供它們在相同訪問期間能夠使用的信息，并且節(jié)省了接下來的訪問的時(shí)間和電話呼叫。
下面的表2比較了本發(fā)明的一些優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)在可購買獲得的血細(xì)胞比容和血色素設(shè)備。

表2-本發(fā)明的一些優(yōu)點(diǎn)和可通過購買獲得的血細(xì)胞比容和血色素設(shè)備的比較。
本發(fā)明相對現(xiàn)有設(shè)備在下面的領(lǐng)域中的每一個都有顯著改進(jìn)便攜性——設(shè)備中的部件小、耐用且重量輕。目標(biāo)重量小于10磅，這小于自動細(xì)胞計(jì)數(shù)器的重量的三分之一。

從表2至表5可以看出依照本發(fā)明的Sn合金的焊接可靠性沒有問題。
實(shí)例81至100使用各自為99.9％純度的Sn、Sb、Te、P、Ag、Cu、Fe和Ni的原料通過常壓熔化爐得到Sn合金錠，其組分顯示在表6中。然后，將該合金錠擠壓成1mm的直徑以制成金屬絲型樣品。
為評估得到的合金的潤濕性，在340℃下在氮?dú)饬髦袑⒃摻饘俳z壓在銅板上，熔化后，該金屬絲在氮?dú)庵芯徛鋮s。為了在β’相變粗的更嚴(yán)峻的條件下評估潤濕性，進(jìn)行緩慢的冷卻。
壓在銅板上并且緩慢冷卻的部分的截面被研磨并拋光，以觀察形成的β’相的尺寸。結(jié)果，類似于實(shí)例1至20，β’相均不會超過20μm。這認(rèn)為是加入Te的結(jié)果。
為評估焊接的可靠性，通過在硅焊接面上沉淀Ni和Sb制備一具有金屬膜的空白芯片，使用直徑1mm的樣品和芯片焊接機(jī)將具有金屬膜的空白芯片焊接在銅引線框架上。接著，通過使用環(huán)氧樹脂對該空白芯片進(jìn)行模制。在-50℃至150℃的溫度范圍內(nèi)使用該模制品進(jìn)行500個循環(huán)的溫度循環(huán)試驗(yàn)。其后，揭開樹脂，觀察焊接部分。當(dāng)該芯片或焊接部分上沒有裂縫，評估為“優(yōu)”；或當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，評估為“劣”。結(jié)果顯示在表6中。
將部分模制品安裝在安裝板上，以檢測在該安裝的芯片或焊接部分中是否有任何異常，并且在釬料中是否有空洞。結(jié)果，在所有的樣品中均沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，并且沒有證實(shí)有任何空洞。
表6


從表6可以看出依照本發(fā)明的Sn合金的焊接可靠性沒有問題。
對照實(shí)例1至20使用各自具有99.9％純度的Sn、Sb、Te、和P的原料通過常壓熔化爐得到Sn合金錠，其組成顯示在表7和表8中。然后，將該合金錠擠壓成1mm的直徑以制成金屬絲型樣品。
為評估得到的合金的潤濕性，在340℃下在氮?dú)饬髦袑⒃摻饘俳z壓在銅板上，熔化后，該金屬絲在氮?dú)庵芯徛鋮s。為了在β’相變粗的更嚴(yán)峻的條件下評估潤濕性，進(jìn)行緩慢的冷卻。
壓在銅板上并且緩慢冷卻的部分的截面被研磨并拋光，以觀察形成的β’相的尺寸。結(jié)果，β’相的尺寸均在100μm左右。
為評估焊接的可靠性，通過在硅焊接面沉淀Au制備一空白芯片，使用直徑1mm的樣品和芯片焊接機(jī)將該空白芯片焊接在銅鉛合金架上。接著，通過使用環(huán)氧樹脂對該空白芯片進(jìn)行模制。在-50℃至150℃的溫度范圍內(nèi)使用該模制品進(jìn)行500個循環(huán)的溫度循環(huán)試驗(yàn)。此后，揭開樹脂，觀察焊接部分。當(dāng)該芯片或焊接部分上沒有裂縫時(shí)，評估為“優(yōu)”；或當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，評估為“劣”。結(jié)果顯示在表7和表8中。
表7


表8

從表7和表8可以證實(shí)本發(fā)明的Sn合金的實(shí)用性。
如上所述，本發(fā)明第一方面的釬料包括5％至20％重量的Sb和0.01％到5％重量的Te，其余為Sn以及附帶的雜質(zhì)。結(jié)果，芯片焊接時(shí)產(chǎn)生的β’相可以被細(xì)化，防止產(chǎn)生裂縫。而且，如果在釬料中添加總量從0.01％到5％重量的Ag、Cu、Fe和Ni中至少其中之一并且分散開，可以進(jìn)一步改善釬料的熱循環(huán)性。
本發(fā)明第二方面的釬料包括5％至20％重量的Sb、0.01％到5％重量的Te、和0.001％到5％重量的P，其余為Sn以及附帶的雜質(zhì)。結(jié)果，改善了潤濕性，并且在芯片焊接時(shí)，半導(dǎo)體元件和釬料之間不容易出現(xiàn)空洞。如果在釬料中添加總量從0.01％到5％重量的Ag、Cu、Fe和Ni中至少其中之一并且分散開，可以更進(jìn)一步改善釬料的熱循環(huán)性。
依照本發(fā)明第三方面，使用依照本發(fā)明第一或第二方面的釬料的一種半導(dǎo)體裝置的裝配方法。通過使用本發(fā)明的釬料，可以低成本地得到高可靠性的半導(dǎo)體裝置。
依照本發(fā)明第四方面，使用依照本發(fā)明第一或第二方面的釬料而提供一種裝配的半導(dǎo)體裝置。通過使用本發(fā)明的釬料，該半導(dǎo)體裝置可以更經(jīng)濟(jì)并且具有高可靠性。
權(quán)利要求
1.一種釬料，其包括5％至20％重量的Sb和0.01％至5％重量的Te，其余為Sn以及附帶的雜質(zhì)。
2.一種釬料，其中在如權(quán)利要求1所述的釬料中添加總量為0.01％到5％重量的Ag、Cu、Fe和Ni中至少其中之一。
3.一種釬料，其包括5％至20％重量的Sb、0.01％至5％重量的Te、0.001％至0.5％重量的P，其余為Sn和不可避免的雜質(zhì)。
4.一種釬料，其中在如權(quán)利要求3所述的釬料中添加總量為0.01％至5％重量的Ag、Cu、Fe和Ni中至少其中之一。
5.一種半導(dǎo)體裝置的裝配方法，其中，使用一釬料來芯片焊接半導(dǎo)體元件以裝配半導(dǎo)體裝置，其中使用如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的釬料作為該釬料。
6.一種半導(dǎo)體裝置，其通過使用如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的釬料裝配而成。
全文摘要
在傳統(tǒng)的Sn/Sb型釬料中，其缺點(diǎn)在于β’相中的大顆粒易于沉淀并且在元件和焊接部分易于現(xiàn)裂縫，并且在半導(dǎo)體元件的芯片焊接面上涂敷上述特殊涂層時(shí)形成空洞。本發(fā)明的釬料包括5％至20％重量的Sb和0.01％至5％重量的Te，其余為Sn以及附帶的雜質(zhì)；或者，一種釬料包括5％至20％重量的Sb、0.01％至5％重量的Te、0.001％至0.5重量的P，其余為Sn和附帶的雜質(zhì)。
文檔編號B23K35/26GK1681620SQ0382194
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月19日
發(fā)明者森伸干, 森本圭 申請人:住友金屬礦山株式會社