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Diese Patentanmeldung beruht auf und beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-148730 , Anmeldetag 20. Mai 2005, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung unter Verwendung einer bleifreien Lötlegierung und ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Lötlegierung muß allgemein genügende Bindungskraft und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. In Energie-Halbleitervorrichtungen für Anwendung in Energiewandlern wird eine Lötlegierung verwendet, um die rückseitige Fläche eines Halbleiterchips mit einem Leitermuster zu verbinden, das auf einer Hauptfläche (Frontfläche) eines isolierenden Substrats angeordnet ist, welches ein keramisches Substrat mit Leitermustern auf seinen Oberflächen ist. Eine solche Lötlegierung muß hohe Festigkeit gegen Wärmeermüdung aufweisen, da sich im Lötbereich große Wärmespannung entwickelt. Die Rückseite des Halbleiterchips ist in Form einer Flächenverbindung mit dem Leitermuster auf der Oberfläche des isolierenden Substrats verbunden, und die Wärmeausdehnungskoeffizienten sind verschieden in einem Halbleiterchip und in einem Leitermuster. Außerdem erzeugt der Halbleiterchip während der Leitungsperiode Wärme. Daher leidet der Lötabschnitt unter großer Wärmespannung.
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In Leistungs-Halbleitervorrichtungen, die in einem Leistungswandler für Leistungswandlung in elektrischen Fahrzeugen installiert sind, ist das auf der anderen Hauptfläche (einer rückseitigen Fläche) eines isolierenden Substrats angeordnete Leitermuster mit einem Kühl- oder Abstrahlblech aus Metall verbunden. Da der Lötbereich sehr breit ist, muß die für diese Verbindung verwendete Lötlegierung ausgezeichnete Benetzungsfähigkeit zeigen. Außerdem entwickelt sich im Verbindungsbereich zwischen dem Abstrahlblech und dem Leitermuster auf der Rückseite des isolierenden Substrats eine große Wärmespannung wegen des Unterschieds in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des isolierenden Substrats (eines keramischen Substrats) und des Kühlblechs. Da die Lötfläche in der Verbindung zwischen dem Kühlblech und dem Leitermuster auf der Rückseite des isolierenden Substrats groß ist, ist die in der Lötfläche erzeugte Spannung größer als die Spannung, die sich in der Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Leitermuster auf der Frontseite des isolierenden Substrats entwickelt, wie oben erwähnt.
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Neuerdings wird aus Gründen der Umweltverträglichkeit eine Lötlegierung verlangt, die kein Blei (Pb) enthält. Eine der bekannten derartigen Lötlegierungen ist eine Zinn(Sn)-Antimon(Sb)-Legierung. Eine bekannte Lötlegierung dieser Art (s. beispielsweise Patentdokument 1 =
JP H11-58066A ) enthält Zinn (Sn) als einen Hauptbestandteil und nicht mehr als 3,0 Gew.-% Antimon (Sb), nicht mehr als 2,5 Gew.-% Silber (Ag), nicht mehr als 0,1 Gew.-% Germanium (Ge) und außerdem nicht mehr als 1,0 Gew.-% Kupfer oder nicht mehr als 1,0 Gew.-% Nickel oder die beiden Elemente. Eine andere bekannte Lötlegierung (s. z. B. Patentdokument 2 =
JP 2003-94194A ) enthält Germanium (Ge) im Bereich von 0,01 bis 10 Gew.-%, Antimon im Bereich von 5 bis 30 Gew.-% und Zinn (Sn) im Bereich von 65 bis 90 Gew.-%.
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Eine Sn-Sb-Legierung mit einem peritektischen Punkt bei 8,5 Gew.-% Antimon (Sb) und einer Temperatur von 245°C wird im allgemeinen verwendet mit einer Zusammensetzung die Antimon innerhalb 8 Gew.-% enthält. Das Schmelzen der Sn-Sb-Legierung tritt bei Temperaturen zwischen 232°C, dem Schmelzpunkt von Zinn (Sn), und 245°C, dem peritektischen Punkt auf. Der Flüssig-Fest-Koexistenz-Bereich ist eng, die Wärmebeständigkeit ist günstig und mechanisch bessere Eigenschaften können durch Erhöhung des Antimon-Gehalts erreicht werden. Jedoch führt ein hoher Gehalt an Antimon zu einem Problem geringer Benetzungsfähigkeit beim Löten der Legierung. Die Oxidation einer Lötkomponente wie Zinn führt zu einem anderen Problem, der verschlechterten Haftfestigkeit.
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Aus der Druckschrift
DE 19 816 671 A1 ist eine Lötmittel-Legierung bekannt, die umfasst: 0 < Sb ≤ 3,5 (Gew.-%); 0 ≤ Ag ≤ 3,0 (Gew.-%) und eine vorbestimmte Menge wenigstens eines Zusatzstoffes aus der Gruppe erster Zusatzstoff und zweiter Zusatzstoff zur Verbesserung der charakteristischen Lötmittel-Eigenschaften, zusätzlich zu Sn als Haupt-Komponente. Die Erfindung umfaßt auch eine Lötmittel-Legierung, die umfasst: 0 < Ag ≤ 4,0 (Gew.-%); und wenigstens eines der Elemente 0 < Cu ≤ 2,0 (Gew.-%) und 0 < Ni ≤ 1,0 (Gew.-%), zusätzlich zu Sn als Haupt-Komponente.
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Aus der
GB 2 319 039 A ist eine weitere Lötmittel-Legierung, welche 50 bis 80 Gew.-% Zinn, 0,05 bis 10 Gew.-% Antimon, 0,0001 bis 5 Gew.-% eines Metalls oder Metallähnlichen Stoffs, welcher dazu beiträgt, die Stärke der Legierung zu erhöhen, 0,0001 bis 0,5 Gew.-% Phosphor und einen Rest Blei umfasst.
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Aus der
JP 2003-094194 A ist eine weitere Lötmittel-Legierung bekannt, welche insbesondere in elektronischen Bauteilen Verwendung findet.
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Schließlich ist aus der
US 6,353,258 B1 ein Halbleitermodul bekannt, worin beispielsweise Sb-Sn-Legierungen verwendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die eine Lötlegierung eines Sn-Sb-Systems mit ausgezeichneter Benetzungsfähigkeit und befriedigender Haftfähigkeit verwendet, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Halbleitervorrichtung.
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Zur Überwindung der Probleme und Lösung der Aufgaben dient eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleitervorrichtung ist in Anspruch 5 angegeben mit bevorzugten Ausführungsformen in den Ansprüchen 6 und 7.
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Durch Zugabe von Antimon (Sb) zu Zinn (Sn) gemäß der Erfindung angegeben, werden die Wärmebeständigkeit und Festigkeit gegen Wärmeermüdung der Legierung verbessert. Die Schmelztemperatur steigt und die Wärmebeständigkeit der Legierung nimmt zu. Eine Vergröberung der Kristallkörner von Zinn in Folge von Wärmespannungen wird unterdrückt, was die Wärmeermüdungsfestigkeit verbessert. Da nun die Wärmeermüdungsfestigkeit sehr gering (kurz) ist, wenn der Gehalt an Antimon unter 3 Gew.-% beträgt, liegt die Menge des Antimon-Zusatzes vorzugsweise bei wenigstens 3 Gew.-%. Wenn der Antimon-Gehalt mehr als 5 Gew.-% beträgt, verschlechtert sich die Benetzungsfähigkeit des Lots. Demgemäß beträgt die Menge des Antimon-Zusatzes vorzugsweise nicht mehr als 5 Gew.-%.
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Durch Zugabe einer Spurenmenge von Germanium (Ge) zu der Sn-Sb-Lötlegierung wird ein dünner Oxidfilm gebildet, wenn das Lot schmilzt, wodurch die Oxidation einer Lötkomponente wie Zinn unterdrückt und die Verbindungsqualität verbessert wird. Eine Zusatzmenge von wenigstens 0,01 Gew.-% Germanium wird bevorzugt, um eine genügende Wirkung der Unterdrückung von Oxidation zu erreichen. Andererseits wird bei einem Germaniumgehalt von mehr als 0,2 Gew.-% der Oxidfilm mit dem Germanium zu dick, was die Verbindungsqualität nachteilig beeinflußt. Demgemäß beträgt die Menge an zugesetztem Germanium geeigneterweise nicht mehr als 0,2 Gew.-%. Das in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 0,2 Gew.-% zugesetzte Germanium liefert also befriedigende Verbindungsqualität sowie ausgezeichnete Wärmeermüdungsfestigkeit.
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Erfindungsgemäß wird also eine Sn-Sb-Lötlegierung erhalten, die ausgezeichnete Benetzungsfähigkeit und befriedigende Verbindungsqualität zeigt. Erfindungsgemäß wird auch eine Halbleitervorrichtung erhalten, die eine Lötlegierung des Sn-Sb-Systems verwendet, die ausgezeichnete Benetzungsfähigkeit und befriedigende Verbindungsqualität zeigt.
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Einige bevorzugte Ausführungsformen einer Lötlegierung und einer die Lötlegierung verwendenden Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung werden im folgenden mit Bezug auf eine beigefügte Zeichnung im einzelnen beschrieben.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 ist ein Querschnitt eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung, die eine erfindungsgemäße Lötlegierung verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- keramisches Substrat
- 2, 3
- Leitermuster
- 4
- Halbleiterchip
- 5, 7, 9
- Lötlegierung
- 6
- Verdrahtungsleiter
- 8
- Wärmeabstrahlblech
- 10
- isolierendes Substrat
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Lötlegierung wird hergestellt durch Schmelzen der Rohmaterialien Zinn (Sn), Antimon (Sb) und Germanium (Ge) in einem Elektroofen. Die Reinheit jedes Rohmaterials beträgt 99,99% oder besser. Die Zusammensetzungen sind Antimon 3 bis 5 Gew.-%, Germanium 0,01 bis 0,2 Gew.-% und der Rest Zinn als Hauptbestandteil.
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Im folgenden wird ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung beschrieben, welche die oben beschriebene Lötlegierung verwendet. 1 ist eine Schnittansicht, welche die Struktur der Halbleitervorrichtung zeigt. Mit Bezug auf 1 weist ein isolierendes Substrat 10 ein keramisches Substrat 1 und mit beiden Flächen des keramischen Substrats verbundene Leitermuster 2 und 3 auf. Das keramische Substrat 1 besteht im wesentlichen aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliciumnitrid. Das Leitermuster 2, das auf der Frontseite des keramischen Substrats 1 gebildet ist, ist ein metallisches Leitermuster, das einen elektrischen Kreis bildet. Auf der Rückseite des keramischen Substrats 1 ist ein metallisches Leitermuster 3 ausgebildet. Die Leitermuster 2 und 3 sind vorzugsweise aus Kupfer gebildet, das billig ist und hohe Wärmeleitfähigkeit zeigt. Auf der Rückseite des Halbleiterchips 4 sind Rückseitenelektroden aus Metallfilmen ausgebildet (in der Figur nicht gezeigt). Die Rückseitenelektroden sind mit den Leitermustern 2 auf der Frontseite des isolierenden Substrats 10 mit einer Lötlegierung 5 verbunden, welche die oben beschriebene Zusammensetzung hat.
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Auf der Frontseite des Halbleiterchips 4 sind Frontseitenelektroden aus Metallfilmen ausgebildet (in der Figur nicht gezeigt). Die Frontseitenelektroden sind mit dem Drahtleiter 6 mit einer Lötlegierung 7 verbunden, welche eine Zusammensetzung wie oben beschrieben hat. Das Leitermuster 3 auf der Rückseite des isolierenden Substrats 10 ist mit dem Wärmeabstrahlblech 8 aus Metall mit einer Lötlegierung 9 mit einer Zusammensetzung wie oben beschrieben verbunden. Das Wärmeabstrahlblech 8 ist ein Wärmeleiter zu äußeren Kühlrippen des Halbleitergehäuses, die in der Figur nicht gezeigt sind. Das Wärmeabstrahlblech 8 ist vorzugsweise aus Kupfer hergestellt, das billig ist und hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Im Verbindungsbereich zwischen dem Leitermuster 3 auf der Rückseite des isolierenden Substrats 10 und dem Wärmeabstrahlblech 8 entwickelt sich eine große Wärmespannung wegen des Unterschiedes im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem keramischen Substrat 1 des isolierenden Substrats 10 und dem Wärmeabstrahlblech 8. Da besonders Kupfer einen vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Substrats 1 erheblich abweichenden hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, entsteht eine hohe Spannung im Verbindungsbereich zwischen dem Leitermuster 3 auf der Rückseite des isolierenden Substrats 10 und dem Wärmeabstrahlblech 8. Wenn ein Wärmeabstrahlblech 8 aus einem Material mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Kupfer hergestellt würde (beispielsweise Aluminium oder einer Legierung von Kupfer und Molybdän), würde die Entstehung von Spannung wegen des Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten verringert werden. Diese Materialien sind jedoch teuer und zeigen geringe Wärmeleitfähigkeit, was die Kühleigenschaften der Halbleitervorrichtung verschlechtert.
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Durch Verwendung einer Lötlegierung mit der oben beschriebenen Zusammensetzung zum Verbinden der Leitermuster 3 und des Wärmeabstrahlblechs 8 werden ausgezeichnete Kühleigenschaften und befriedigende Verbindungseigenschaften erhalten, wenn man Kupfer mit seinen geringen Kosten und hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. Ein Lötmaterial, das nicht die gleiche Zusammensetzung wie die Lötlegierung 5, 7, 9 aufweist, kann zum Verbinden der Frontflächenelektroden des Halbleiterchips 4 und des Drahtleiters 6 sowie zum Verbinden der rückseitigen Elektroden des Halbleiterchips 4 und des Leitermusters 2 auf dem isolierenden Substrat 10 verwendet werden.
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Beispiele
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Beispiele 1 bis 4
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Lötlegierungen des Sn-Sb-Systems wurden in den Zusammensetzungen Antimon 5,0 Gew.-%, Germanium vier Gehaltsstufen im Bereich von 0,01 bis 0,2 Gew.-% und Rest Zinn hergestellt. Der Germaniumgehalt betrug in Beispiel 1 0,01 Gew.-%, in Beispiel 2 0,05 Gew.-%, in Beispiel 3 0,1 Gew.-% und in Beispiel 4 0,2 Gew.-%.
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Beispiele 5 bis 8
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Lötlegierungen des Sn-Sb-Systems wurden in den Zusammensetzungen Antimon 3,0 Gew.-%, Germanium vier Gehaltsstufen im Bereich von 0,01 bis 0,2 Gew.-% und Rest Zinn hergestellt. Der Germaniumgehalt betrug in Beispiel 5 0,01 Gew.-%, in Beispiel 6 0,05 Gew.-%, in Beispiel 7 0,1 Gew.-% und in Beispiel 8 0,2 Gew.-%.
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Vergleichsbeispiele 1 bis 4
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Lötlegierungen, die kein Germanium enthielten, wurden zum Vergleich hergestellt. Der Antimongehalt war 6,0 Gew.-% in Vergleichsbeispiel 1, 5,0 Gew.-% in Vergleichsbeispiel 2, 3,0 Gew.-% in Vergleichsbeispiel 3, 2,0 Gew.-% in Vergleichsbeispiel 4; der Rest jeweils Zinn.
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Bei jeder der so erhaltenen Lötlegierungen wurde die Benetzungsfähigkeit (Benetzungsfestigkeit) unter Verwendung von Lötfluß (RMA-Typ) mittels einer Meniskograph-Methode gemessen. An jeder Lötlegierung wurde das Verhältnis der benetzten Fläche und des Benetzungswinkels gemessen und die Bildung eines Oxidfilms auf der Schmelze beobachtet. Die Wärmeermüdungsfestigkeit wurde auch bei jeder Lötlegierung bewertet. Dazu wurden ein zusammengesetzter Körper (eine Kombination des Wärmeabstrahlblechs 8 und des isolierenden Substrats 10 mit dem Leitermuster 3 mit der Lötlegierung 9 verbunden, wie in 1 gezeigt) hergestellt, indem ein Leitermuster aus Metall auf einem isolierenden Substrat unter Verwendung jeder Lötlegierung mit einem Wärmeabstrahlblech aus Metall verbunden wurde.
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Jeder dieser zusammengesetzten Körper wurde Belastungstemperaturzyklen durch wiederholte Temperaturwechsel von –40 bis 125°C ausgesetzt. Die Rißlänge wurde nach 1.000 Zyklen gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. In der Spalte ”Oxidfilm” in Tabelle 1 bedeuten die Zeichen x und ⌾, daß die Bildung von Oxidfilm signifikant bzw. sehr gering war. Tabelle 1
| | Sb (Gew.-%) | Ge (Gew.-%) | Sn | Benetzungsfestigkeit (mN) | Benetzungswinkel (°) | Anteil benetzte Fläche (%) | Oxidfilm | Rißlänge nach 1.000 Zyklen (mm) |
| VBsp. 1 | 6,0 | - | Rest | - | - | - | - | 3,0 |
| VBsp. 2 | 5,0 | - | Rest | 14,4 | 9,7 | 83,6 | x | 3,0 |
| Bsp. 1 | 5,0 | 0,1 | Rest | 15,2 | 3,3 | 100,0 | ⌾ | - |
| Bsp. 2 | 5,0 | 0,05 | Rest | 15,1 | 3,8 | 100,0 | ⌾ | - |
| Bsp. 3 | 5,0 | 0,1 | Rest | 15,1 | 4,2 | 100,0 | ⌾ | - |
| Bsp. 4 | 5,0 | 0,2 | Rest | 15,3 | 4,3 | 100,0 | ⌾ | - |
| VBsp. 3 | 3,0 | - | Rest | 14,5 | 9,5 | 84,0 | x | 3,4 |
| Bsp. 5 | 3,0 | 0,01 | Rest | 15,2 | 3,1 | 100,0 | ⌾ | - |
| Bsp. 6 | 3,0 | 0,05 | Rest | 15,2 | 3,4 | 100,0 | ⌾ | - |
| Bsp. 7 | 3,0 | 0,1 | Rest | 15,3 | 3,5 | 100,0 | ⌾ | - |
| Bsp. 8 | 3,0 | 0,2 | Rest | 15,3 | 3,8 | 100,0 | ⌾ | - |
| VBsp. 4 | 2,0 | - | Rest | - | - | - | - | 9,1 |
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Tabelle 1 zeigt folgendes: Mit dem Anstieg des zugesetzten Antimons (Sb) verbessert sich die Wärmeermüdungsfestigkeit, jedoch führt ein Anstieg über 5,0 Gew.-% zu keiner weiteren Verbesserung derselben. Andererseits verschlechtert ein Antimon-Gehalt von unter 3,0 Gew.-% erheblich die Wärmeermüdungsfestigkeit. Ein Zusatz von 0,01 bis 0,2 Gew.-% Germanium unterdrückt erheblich die Bildung eines Oxidfilms auf dem geschmolzenen Lot und verbessert gleichzeitig die Benetzungsfähigkeit.
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Der Zusatz von Germanium ist wirksam sowohl für Flußlöten als auch Rückflußlöten. Weiter ist Germanium wirksam sowohl in Lötpaste als auch in Lötblatt. Der Zusatz von Germanium in einer Menge von mehr als 0,01 Gew.-% machte keinen wesentlichen Unterschied in der Benetzungsfähigkeit und der Oxidfilmbildung gegenüber dem Germaniumgehait von 0,1 Gew.-%. Der Zusatz von Germanium, der die Oxidation von Zinn unterdrückt, ist nicht nur im Verfahren des Lötens wirksam sondern auch im Verfahren der Herstellung einer Lötlegierung, um eine Lötlegierung mit geringem Oxidationsfilm und hoher Qualität zu liefern.
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In einem Verfahren zur Herstellung von Pulver von Lötlegierung für Lötpaste soll beispielsweise jedes Pulverkörnchen eine Kugelform haben. Um das Pulver von kugelförmigen Teilchen zu erhalten, wird es notwendigerweise unter einer Bedingung hergestellt, wo nur die Oberflächenspannung wirksam ist, was erfordert, die Oberflächenoxidation auf ein Mindestmaß zu verringern. Ein Germaniumzusatz ist daher günstig, um die Oberflächenoxidation zu unterdrücken. Die Oxidationsgeschwindigkeit von Germanium ist stabil und bereits eine kleine Menge des Zusatzes hält die Wirkung aufrecht.
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Wie oben beschrieben, liefert der Zusatz von Germanium in einer Sn-Sb-Legierung eine Lötlegierung mit ausgezeichneter Wärmeermüdungsfestigkeit, hoher Wärmebeständigkeit, hoher Benetzungsfähigkeit und befriedigender Bindungsleistung. Da die Legierung bleifrei ist, erhält man eine Lötlegierung, die keine Umweltverschmutzung bewirkt.
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Wie beschrieben, wird eine Lötlegierung und eine für die Legierung verwendete Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung mit Vorteil bei einer Mehrzahl verschiedener Apparate mit gelöteten Teilen verwendet und ist besonders geeignet für Halbleitervorrichtungen für Leistungsumwandlung, die in einem Leistungswandlergerät verwendet werden, das in elektrischen Fahrzeugen installiert ist.
