[发明专利]半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体装置以及半导体装置的制造方法，特别涉及安装半导体元件的安装基板与半导体元件等的金属接合、半导体元件和引线端等的金属接合。

背景技术

近年来，针对半导体装置的可靠性的要求逐渐提高，特别强烈要求提高针对热膨胀系数差大的半导体元件和电路基板的接合部的可靠性。以往，在半导体元件中，大量使用以硅(Si)、砷化镓(GaAs)为基体材料的例子，其动作温度是100℃～125℃。作为将半导体元件接合到电子电路的电极的焊料材料，根据针对半导体元件与电路基板的热膨胀之差所引起的反复热应力的抗裂性、用于应对组装时的多阶段焊料接合的高熔点、进而器件的污染耐性等观点，在Si器件中使用了95Pb-5Sn(质量％)，在砷化镓器件中使用了80Au-20Sn(质量％)等。但是，根据降低环境负荷的观点，大量含有有害的铅(Pb)的95Pb-5Sn存在问题，并且根据贵金属的价格上涨、埋藏量等观点，关于80Au-20Sn，强烈期望替代材料。

另一方面，根据节能的观点，作为下一代器件，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为基体材料的器件的开发蓬勃发展。这些根据降低电力损失的观点，将其动作温度设为175℃以上，将来还可以说达到300℃。

针对上述要求，需要熔点高而且耐热性优良的高温焊料材料(高温焊料合金)。这样的焊料合金此前是熔融温度为300℃前后的基于Pb的焊料合金。例如，有Pb-10Sn(质量％)、Pb-5Sn(质量％)、Pb-2Ag-8Sn(质量％)、Pb-5Ag(质量％)等，主要以Pb为主成分。Pb-10Sn的固相线温度是268℃，其液相线温度是302℃。Pb-5Sn的固相线温度是307℃，其液相线温度是313℃。Pb-2Ag-8Sn的固相线温度是275℃，其液相线温度是346℃。Pb-5Ag的固相线温度是304℃，其液相线温度是365℃。

但是，根据环境保护的观点，最近，在整个锡焊技术中，要求代替Pb系焊料合金，而使用无Pb焊料合金。当然，关于在以往的半导体装置中使用了的上述那样的Pb-Sn系高温焊料，也要求使用无Pb焊料合金。

但是，关于无Pb焊料合金，此前提出了多种，但Sn是主成分，没有固相线温度是260℃以上的高温焊料合金。例如，在固相线温度(共晶温度)是221℃的Sn-Ag系焊料合金中，如果增加Ag，则液相线温度提高，但固相线温度不提高。在固相线温度227℃的Sn-Sb系焊料合金中，在为了提高固相线温度，极端地增加了Sb的情况下，液相线温度也极端地提高。另外，即使对它们添加其他元素，也无法改变这样的特性。因此，以往，在无Pb焊料合金中，认为没有即使在300℃下也不熔融的、可用作焊料的无Pb焊料合金。

因此，研究了未使用高温焊料合金的接合技术。被作为未使用该高温焊料合金的接合技术来研究的方法是指，使用熔融温度比Sn为主成分的无铅焊料更高的金属间化合物来接合的方法。在其中，也特别期望是使用向Sn的扩散快、且在比较低的温度下能够形成金属间化合物的Ag的通过Ag和Sn的金属间化合物(Ag3Sn)接合的方法。

例如，在专利文献1中，记载了无Pb且能够用于温度等级连接的高温侧的焊料连接的复合焊料。专利文献1的复合焊料通过由Cu构成的金属网被2张焊料箔夹持压接而得到的结构来构成，这样，将金属网和焊料箔重叠轧制，从而焊料箔的Sn进入到金属网的间隙，在加热之后，形成Cu和Sn的金属间化合物(Cu3Sn、Cu6Sn5)，实现高耐热化。另外，在专利文献1中，除了Cu以外，Ag网也同样地是有力候补，在作为高熔点的金属间化合物的Ag3Sn化合物中，能够实现即使在280℃下也不熔融的连结连接。同样地，作为硬并且熔点低的合金系，Cu-Sn系(例如Cu6Sn5)也能够同样地应对。

另外，在专利文献2中，记载了用于接合芯片(半导体元件)和管芯的接合片。专利文献2的接合片是将有槽加工的Ag片、Ag导线纵横编织而得到的网格状片，针对该Ag片的表面实施厚度0.3～2.0μm的Sn镀层并进行加压、加热，从而在加热时，从Ag片的芯逐渐通过溶解、扩散而供给Ag。因此，专利文献2的接合片能够将最终地形成的Ag-Sn层的熔点提高到470℃以上，能够做成耐热性高的接合部，并且，有槽空间的Ag片柔软并且吸收热应变，提高可靠性。

专利文献1：日本特开2004-174522号公报(第0024段～0053段、第0069段、图1、图8)

专利文献2：日本特开2012-004594号公报(第0058段～0060段、图13、图14)

发明内容