半导体装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种半导体装置，其利用耐热性２００℃的连接方法，能够通过将Ｓｎ－（１～１０质量％）Ｃｕ－（０．０５～０．５质量％）Ｎｉ焊锡与Ｎｉ系层组合抑制界面反应和抑制在流过大电流时的半导体元件的连接部中的空洞形成，并且能够使用Ｓｎ系焊锡作为高铅焊锡的代替连接材料得到与高铅焊锡为同等的电和机械的特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用了无铅焊锡材料的半导体装置及其制造方法，特 别是涉及可在高温环境下放置的半导体装置、例如在将交流发电机的 交流输出变换为直流输出的车载用交流发电机中使用的半导体装置。
技术介绍
在作为可在高温环境下放置的半导体装置，将由例如用发动机的 旋转驱动力旋转的电子线圏感应的交流变换为直流的车辆用交流发电机中使用的半导体装置中，如专利文献l(日本专利特开平7 - 221235 号公报)、专利文献2 (日本专利特开平7- 161877号公报)、专利 文献3 (日本专利特开2002 - 142424号公报)、专利文献4(日本专 利特开2002 - 261210号公报)、专利文献5 (日本专利特开2002 -359328号公报)中所示，作成了降低基于半导体元件与电极的热膨胀 率的差的热应力以便耐受严格的温度循环的结构。此外，因为设置在 发动机附近，故对半导体装置要求200。C的耐热温度。因此，在半导 体元件的连接中使用例如固相线为300。C附近的高铅焊锡(例如包含 95重量％的Pb和5重量％的Sn的固相线为300°C 、液相线为314°C 的Pb - Sn合金)。但是，从环境保护的观点来看，越来越要求使用排除了环境危害 大的铅的连接材料的半导体装置。作为不包含铅的具有接近于高铅焊 锡的熔点的不使用铅的材料，有Au-20Sn(共晶，280°C )、 Au - 12Ge (共晶，356°C ) 、 Au-3.15Si (共晶，363。C )等的Au系材料，但其 成本极高。此外，在Au含有率比较少的Au-20Sn的情况下，由于 是硬焊锡，故在大面积的连接中不能起到充分的应力緩沖作用，存在 半导体元件容易破损的缺点。此外，熔点大于等于200。C的Sn-3Ag-0.5Cu等的Sn系中温焊 锡广泛地使用于将部件安装在基板上，在小于等于150。C下具有良好 的连接可靠性。但是，如果长时间地保持在大于等于200。C的使用环 境中，则在连接界面上进行界面反应，因空洞的形成和金属间化合物 层的生长等缘故，存在连接可靠性下降的问题。除此以外，即使在功 率模块或LED等中，起因于通电时的发热的连接界面上的空洞的形成 也引起了连接可靠性下降。Sn系焊锡的界面反应的方法，在专利文献6(日本专利第3152945 号公报)中净良告了，通过使用Cu: 0.1~2重量％、 Ni: 0.002 ~ 1重量 %、剩下的部分由Sn构成的Sn系焊锡，利用Cu的添加抑制^皮连接 材料的Cu的侵蚀，同时利用Ni添加可抑制连接界面中的Cu6Sn5、 Cu3Sn等的金属间化合物的生长的情况。此外，在专利文献7 (曰本 专利特开2002 - 280417号公报)中报告了，在焊锡凸点的形成中，在 被连接材料的表面上设置与Sn系焊锡反应而形成金属间化合物的两 种金属层，由于在该处连接Sn系焊锡球而在连接界面上形成薄的由包 含Sn的2~3种元素构成的金属间化合物层，从而可抑制界面反应的 情况。但是，在上述的现有技术中未考虑以下的方面，故难以应用于在 高温环境下使用的半导体装置或因通电时的发热而被置于高温状态的 半导体装置、特别是在车栽用交流发电机中使用的半导体装置或功率 模块。在上述专利文献6的情况下，虽然通过添加Ni可抑制界面反应， 但由于Cu6Sn5、 Cu3Sn —直与形成化合物层的Cu和Sn系焊锡相接， 故在大于等于200€的高温下Cu-Sn化合物不断生长，存在可靠性下 降的危险。另一方面，在上述专利文献7的情况下，由于在焊锡最接近处形 成的第l金属间化合物层成为Sn系焊锡与在第l金属间化合物层下形 成的第2金属层的阻挡层，故可认为界面反应的抑制效果较大。但是， 由于设置两种金属层，故镀覆工序增加。存在有选择地进行局部镀覆的成本高、在不能设置电极的结构的情况下金属层的形成变得困难等 的问题。此外，由于有必要使在连接面最表面上形成的金属层在连接时与Sn系焊锡反应而成为阻挡层，故如果在最表面上形成的金属层 厚，则存在产生下述的问题的可能性在连接时未反应的最表面金属 层残留下来，不能充分地得到阻挡层的效果，为了使最表面金属层完 全反应，加长连接时间等的工艺的调整成为必要。另一方面，在最表 面的金属层薄的情况下，用于抑制界面反应的阻挡层变薄，在大于等 于200'C的高温下存在不能充分地抑制界面反应的危险。此外，在交流发电机二极管那样有必要流过几十A的大电流的情 况下，因电流的通/断的反复的缘故，在半导体元件连接部中存在生成 图1那样的空洞的危险。这一点可认为是，在通电后半导体元件发热 时在连接部中产生的温度梯度或应力集中等成为原因，连接部焊锡中 存在的化合物移动，伴随于此，空穴在局部集中而成为空洞。
技术实现思路
本专利技术提供使用了下述的无铅焊锡的半导体装置及其制造方法 该无铅焊锡的环境危害小，成本低，即使在大于等于200。C的高温下 长时间地使用也能维持连接可靠性，可抑制伴随大电流的通/断的半导 体元件连接部周边的空洞生成。要，则如下所述。(1) 一种在构件上安装了半导体元件的半导体装置，其特征在 于连接上述构件与上述半导体元件的第一连接部具有在上述构件 上形成的第一Ni系层；在上述第一Ni系层上形成的以Cu-Ni-Sn化合 物为主体的第 一金属间化合物层；以及在上述第 一金属间化合物层与 上述半导体元件之间形成的Sn系焊锡层。(2) 如(1)中所述的半导体装置，其特征在于上述第一连接 部用Sn- ( 1 ~ 10质量％ ) Cu- ( 0.05 ~ 0.5质量％ ) Ni焊锡连接在上述 构件上形成的上述第一 Ni系层与上述半导体元件而构成。(3) —种半导体装置，具有半导体元件；经第一緩沖材料与 上述半导体元件的第一面连接的支撑电极体；以及经第二緩冲材料与 上述半导体元件的第二面连接的引线电极，其特征在于连接上述半 导体元件的第一面与上述第一緩冲材料的第一连接部具有在上述半 导体元件的第一面上形成的第一Ni系层；在上述第一Ni系层上形成 的以Cu-Ni-Sn化合物为主体的第一金属间化合物层；以及在上述第一 金属间化合物层与上述第一緩冲材料之间形成的Sn系焊锡层。(4) 如(3)中所述的半导体装置，其特征在于上述第一连接 部用Sn- (1 ~ 10质量％ ) Cu- ( 0.05 ~ 0.5质量％ ) Ni焊锡连接在上迷 半导体元件的第一面上形成的上述第一 Ni系层与上述第一緩冲材料 而构成。(5) 如(3)或(4)中所述的半导体装置，其特征在于上述 支撑电极体与上述第 一緩冲材料的连接部用在200°C下含有Cu6Sn5相 的Sn系焊锡连接而构成。(6) 如(1)中所述的半导体装置，其特征在于上述构件是基 底基板。(7) 如(1)中所述的半导体装置，其特征在于上述构件是与 上述半导体元件电连接的引线框。根据通过如在附图中说明的本专利技术的优选实施例的更加详细的 描述，本专利技术的上述和其它的目的、特征和优点会变得明显。附图说明图1是热疲劳试验后的半导体元件连接部的剖面图。 图2是示意性地示出本专利技术的焊锡连接部的剖面图。 图3是示出各种焊锡中的200。C放置时间与Ni镀层消失厚度的关系的图。，、 、 ，、、、'、，' 、 "一、、部上的空洞生成数的关系的图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在构件上安装了半导体元件的半导体装置，其特征在于：　连接上述构件与上述半导体元件的第一连接部具有：　在上述构件上形成的第一Ｎｉ系层；　在上述第一Ｎｉ系层上形成的以Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｎ化合物为主体的第一金属间化合物层；以及　在上述第一金属间化合物层与上述半导体元件之间形成的Ｓｎ系焊锡层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：池田靖，中村真人，松吉聪，佐佐木康二，平光真二，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]