欧洲议会和委员会的法令２００２／９５／ＥＣ颁布，规定从２００６年７月１日起新的电气和电子设备必须不再含铅。因此，已经发展了用于各种电气和电子应用的无铅焊接合金。但是，目前由于缺乏用于高熔化温度型焊料的无铅替代品，所以该法令免除了在高熔化温度型焊料例如用于管芯贴装应用中对铅的替代。本发明专利技术提供一种用于将大功率半导体器件贴装到印刷电路板上的无铅的管芯贴装组合物。该管芯贴装组合物包括金属填充的环氧树脂，其中所述金属选择包括铜的粉末并且具有根据ＸＰＳ的测量在表面层中少于一半铜原子被氧化的类球形颗粒。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术提供用于大功率半导体的管芯贴装(die-attachment)的无铅的粘合剂组合物。
技术介绍
根据欧洲议会和委员会的法令2002/95/EC，从2006年7月1日起投放市场的新的电气和电子设备必须不再含铅和其它有毒物质。该法令已经导致用于各种电气设备的无铅焊接合金的发展。但是该法令仍旧存在部分免除的内容。其中，由于缺乏高熔化温度型焊料的无铅替代品，在这些合金焊料(即，包括85重量％或更多铅的铅基合金)中铅不必被替代。这种免除最近已经被2005年10月21日的委员会决议2005/747/EC证实。包括超过85重量％铅的铅基焊接合金至今还用于所谓的高温应用中，所谓的高温应用具有超过150℃的平均操作温度以及高达260℃的峰值处理温度。一个重要的实例是用于功率半导体的管芯贴装应用。在这些应用中，当使半导体装置经受热循环处理时，铅基焊接合金提供充分的耐热疲劳性。此外，这些焊料提供用于耗散由功率半导体产生的热量的充分导热性。根据Philip Adamson在2002年四月/五月的2002JEDEC会议上发表的论文“Lead-free Packaging for discrete Power Semiconductors”，许多小型功率器件的封装(package)已经使用了Ag-填充的环氧树脂形式的无铅管芯贴装。这些Ag-填充的环氧树脂装载有高达70％的银。然而，它们的使用还未扩大到在较大的功率器件封装中的较大的硅尺寸。根据Adamson，Ag-填充的环氧树脂已经对较大的元件例如TO220进行了温度循环测试。这些试验元件经受-40～+125℃的温度循环。这些测试条件遵照2005年5月的JEDEC的标准JESD22-A 104C指定的条件“G”。JEDEC标准对于Pn/Sn焊接组合物不推荐超过+125℃的测试条件。然而，功率半导体装置的苛刻操作条件需要它们承受JEDEC标准的测试条件“H”指定的测试条件，并且需要经受在-55～+150℃之间的温度循环。尽管法令2002/95/EC免除了从2006年7月1日在高熔化温度型焊料中用无铅替代品对铅的替代，然而尽可能快地使用用于管芯贴装应用的无铅替代品替代高含铅的焊料对于环境是非常有益的。Araujo等人在J.Phys.DAppl Phys.，Vol.9，1976中的第665～675页已经对环氧树脂/金属粉末的组合物进行了从1.7K至300K的导热率测量。WO2004/090942描述了用于装置贴装的导热粘合剂组合物和工艺。该粘合剂组合物包括两种不同类型的金属粉末，一种是高熔点金属的粉末，另一种是低熔点金属的粉末。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于功率半导体器件的管芯贴装应用的无铅粘合剂组合物，其可靠地经受根据JEDEC测试条件“H”的温度循环至少1000次并且对于最大温度和最小温度具有15分钟的保温时间(soak time)，并且产生类似于目前使用的高含铅焊料的散热作用。该目的是通过在权利要求中指定的管芯贴装组合物实现的。特别地，根据本专利技术的管芯贴装组合物包括双组分粘合剂和作为填充剂的金属粉末，其中粘合剂的一种组分是环氧树脂，第二组分是固化剂，以及其中该金属粉末的金属具有超过250W/(m·K)的导热率，并且包括铜，该粉末颗粒具有球形形状。固化的管芯贴装组合物必须允许与用于贴装大功率半导体装置的传统高铅焊料相似的散热作用。这种高铅焊料合金是例如具有导热率为55W/(m·K)的Pb88Sn10Ag2和具有导热率为44W/(m·K)的Pb92.5Sn5Ag2.5。已经证实固化的管芯贴装组合物满足来自功率半导体器件的有关功耗(power dissipation)的需要以及抗热循环的需要。固化的管芯贴装组合物的导热率是填充材料导热率、环氧树脂导热率、填充材料的体积百分率和在填充剂和环氧树脂之间的接触热阻的函数。获得的导热率当然主要受包括铜的填充剂的影响。纯铜的导热率是400W/(m·K)，同时环氧树脂的导热率低至0.3W/(m·K)。为了保证填充剂-环氧树脂组合物的高导热率，填充剂粉末的导热率应该大于250W/(m·K)，优选大于300W/(m·K)，以及最优选大于350W/(m·K)。填充剂-环氧树脂组合物的导热率还取决于填充剂的体积百分率。以下，术语填充度用于替代填充剂的体积百分率。填充度定义为填充剂与组合物的总重量的重量百分比。根据本专利技术，金属粉末的粉末颗粒应该具有类球形或球形形状。薄片状粉末显示差的结果，并且此外当在点涂应用中使用管芯贴装组合物时，用片状填充的粘合剂将妨碍注射(springe)。在类球形填充剂颗粒的情况中，对于六角闭合封装获得最大体积百分率，体积百分率为74％。通过使用铜的密度(8.9g/cm3)和环氧树脂(大约1.2g/cm3)的密度，对于作为填充剂的铜粉末该数值换算成95重量％的最大填充度。铜粉末的平均粒径D50对于填充剂-环氧树脂组合物的耐热疲劳性没有决定性影响。使用具有平均粒径D50在1～50μm之间的填充剂粉末已经获得好的结果。更优选地，粒径在1～30μm之间。最终，填充剂-环氧树脂组合物的最终导热率取决于在填充剂表面和树脂之间的接触热阻。在填充剂颗粒的表面上的任何杂质层将增加接触热阻。因此，优选使用具有低表面杂质的填充剂粉末。由于其高的导热率，优选使用包括高的铜百分含量的金属粉末。最优选是使用铜纯度大于99.5重量％以及特别地大于99.9重量％的铜粉末。在铜粉末的情况中，在粉末颗粒的表面上最有害的杂质是氧化铜(II)。在大约5nm厚的薄表面层中相对于金属铜的氧化铜(II)的比率可以使用XPS(X射线光电子能谱仪)确定。为此目的，获得的XPS光谱通过本领域公知的曲线拟合法分析。已经证实，如果通过XPS分析在表面层中至多50％的原子被氧化成CuO，可以获得关于固化的组合物的导热率和热疲劳的好结果。优选地氧化的铜原子应该不超过30％，更优选地不超过10％。相对于金属粉末的导热率，固化的环氧树脂的导热率是非常低的。环氧树脂的主要任务是提供与金属填充剂和与半导体装置以及与基板的良好粘性。选自双酚A环氧树脂和双酚F环氧树脂中的环氧树脂已经证明可以提供与铜和镍表面以及与管芯良好粘性。双酚F环氧树脂是最优选的。作为固化剂，可以使用咪唑、丙烯腈以及脂族胺的传统混合物。包括填充有特定填充剂粉末并且具有厚度在20～80μm之间的粘合层(bond line)的固化的粘合剂的固化的管芯贴装组合物可以承受用于热疲劳的上述测试条件，并且产生与高铅焊料相似的散热作用。管芯贴装组合物的组分可以使用不同的配方表示金属粉末可以是与环氧树脂或与固化剂预混合；在这种情况中，环氧树脂和固化剂可以封装在两个独立的装置中以避免环氧树脂的早期固化，并且仅仅在使用前直接混合在一起。金属粉末可以与环氧树脂和固化剂的混合物混合；在这种情况中，管芯贴装组合物封装在在一个装置中并且必须在使用前保持在低温下，从而避免环氧树脂的早期固化。环氧树脂的一部分可以与金属粉末的第一部分预混合，并且金属粉末的第二部分可以与环氧树脂的剩余部分和固化剂的混合物预混合；在这种情况中，管芯贴装组合物再次封装在两个独立装置中以避免环氧树脂的早期固化，并且仅仅在使用前直接混合在一起。为了使用本专利技术的本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于将大功率半导体器件贴装到印刷电路板的管芯贴装组合物的用途，其中所述管芯贴装组合物包括双组分的粘合剂和金属粉末，其中所述粘合剂的一种组分是环氧树脂和第二组分是固化剂，并且其中所述金属粉末的所述金属具有大于２５０Ｗ／（ｍ.Ｋ）的导热率并且包括铜，以及所述粉末颗粒具有类球形形状。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：米里埃尔托马斯，克劳斯沙克，蒂莫格尔根，
申请(专利权)人：乌米科雷股份两合公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]
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