本公開涉及接合構件以及半導體裝置。

背景技術：

1、近年來，針對半導體裝置的可靠性的要求逐漸變高。特別是，要求提高關于熱膨脹系數不同的部件的接合部(例如半導體元件和電路基板的接合部、或者電路基板和散熱板的接合部)的壽命可靠性。

2、以往，大量地使用具有使用硅(si)、砷化鎵(gaas)等的基材的半導體元件。這樣的半導體元件的工作溫度是100℃～125℃。對于在這些半導體元件和電路基板的接合中使用的焊料材料，要求用于與制造時的多階段焊接對應的高熔點、針對與起動和停止相伴的重復熱應力的抗裂性、以及器件的抗污染性。

3、針對這些要求，例如作為si器件用的焊料材料而使用95pb-5sn(質量％)，作為砷化鎵器件用的焊料材料而使用80au-20sn(質量％)。

4、然而，大量地含有有害的鉛(pb)的95pb-5sn從降低環境負荷的觀點出發存在問題。另外，大量地含有貴金屬的80au-20sn從貴金屬的價格高漲或者埋藏量的點出發存在問題。因此，關于兩者，強烈期望替代材料。

5、另一方面，根據節能的觀點，作為下一代器件，具有使用了碳化硅(sic)或者氮化鎵(gan)的基材的器件的開發得到蓬勃發展。它們的工作溫度為175℃以上，將來還可能成為300℃。

6、這意味著半導體元件和電路基板的接合部的溫度成為175℃。另外，電路基板和散熱板的接合部的溫度也根據工作條件以及散熱性能而上升至與此接近的溫度。因此，對于半導體元件和電路基板的接合部、以及電路基板和散熱板的接合部而言要求高的可靠性。

7、如上所述，在以往以及下一代的器件中，要求構造熔點高并且耐熱性優良的上述接合部的構件(接合構件)。

8、作為以往的高耐熱的接合體的制造方法，已知如下方法：在sn中大量地添加ag、cu等的金屬粒子，通過由接合時的加熱(300℃以下)引起的金屬擴散，以ag-sn合金相(例如，ag3sn：熔點480℃)、cu-sn合金(例如，cu6sn5：熔點415℃；cu3sn：熔點676℃)等來形成接合層。

9、例如，在專利文獻1(日本特開2002-314241號公報)中，關于使用焊料的連接方法或者電子設備，公開了如下的接合構造：焊料球的sn熔融而在與金屬球的cu的界面形成金屬間化合物，cu的金屬球之間被連結。此外，熔融的sn與半導體芯片的電極、中間基板的電極等也形成金屬間化合物，所以cu的金屬球和這些電極被連結。

10、另外，在專利文獻1中記載有如下內容：關于連接部，焊料球的sn成為cu-sn金屬間化合物(cu6sn5，熔點：約630℃)，接觸部及其附近成為高熔點，即使sn的一部分殘留，只要其它部分未熔融，就能夠充分地確保可承受后續的焊接時的工藝的強度。

11、此外，在專利文獻1中還記載有如下內容：作為金屬球，不限于cu，也可以使用ag、au、al、ni、cu合金、cu-sn化合物、ag-sn化合物、au-sn化合物、al-ag化合物、zn-al化合物等，au由于潤濕性優良而具有連接部的孔隙減少效果。

12、另外，在專利文獻2(國際公開第2012/108395號)中記載有如下內容：在連接部中，通過對含有sn系金屬和cu系金屬的焊料進行加熱熔融，形成具有310℃以上的熔點的金屬間化合物。此外，還公開了包含于連接部的sn系金屬成分的比例為30體積％以下。

13、現有技術文獻

14、專利文獻1：日本特開2002-314241號公報

15、專利文獻2：國際公開第2012/108395號

技術實現思路

1、但是，在專利文獻1以及專利文獻2所示的以往的半導體裝置的制造方法中，關于金屬粒子相對sn粒子的添加量，并未進行熱沖擊試驗中的與抗裂性有關的評價。

2、例如，在大量地添加cu粒子、ag粒子等金屬粒子時，sn的流動性變差，所以由金屬粒子彼此所密閉的部位成為未接合部，產生孔隙，在對接合部施加熱沖擊時易于產生裂紋。

3、并且，在從金屬狀態圖來考慮時，以ag3sn為代表的ag-sn合金、或者以cu6sn5為代表的cu-sn合金具有5質量％程度的ag或者cu和sn的固溶區域。但是，由于呈現2相分離型的狀況，所以ag3sn和cu6sn5的界面如果沒有低熔點的sn相則會成為空隙，成為裂紋的起點。

4、另一方面，本發明人認為在高溫工作的半導體裝置中，重要的不僅是作為材料的機械特性或者作為所應用的部件單體的耐熱循環性，而且還要確保與實際的工作相伴的功率循環(通過針對半導體裝置反復進行電力施加的開啟(on)和關閉(off)從而反復發熱和冷卻)中的作為裝置的可靠性。

5、本公開的目的在于，提供一種在進行高溫工作的半導體裝置中針對功率循環的接合可靠性高的接合構件。

6、一種接合構件，接合第1對象物和第2對象物。

7、接合構件包含：將ni作為主成分來包含的金屬粒子；將sn作為主成分來包含的低熔點相，具有小于300℃的熔點；以及通過sn與所述金屬粒子之間的相互擴散而產生的金屬間化合物，具有300℃以上的熔點。

8、所述低熔點相的量相對所述接合構件的總量的比例為2體積％以上且小于20體積％。

9、所述第1對象物以及所述第2對象物的熱膨脹系數為3×10-6/k以上且小于13×10-6/k，所述第1對象物與所述第2對象物之間的熱膨脹系數的差小于5×10-6/k。

10、所述接合構件的熱膨脹系數為16×10-6/k以上且小于20×10-6/k。

11、根據本公開，能夠提供在進行高溫工作的半導體裝置中針對功率循環的接合可靠性高的接合構件。

12、具體而言，在本公開的接合構件中，通過使低熔點相(例如sn單獨相)殘存，從而確保對被接合構件(接合對象物)的潤濕性，通過使其殘存量變得適當，從而能夠抑制功率循環中的縱裂紋。

13、另外，本公開的接合構件被應用于熱膨脹系數差為特定的范圍內的多個接合對象物的接合，所以能夠抑制由于由多個接合對象物之間的熱膨脹系數差引起的剪切應力而產生的橫裂紋。

14、而且，通過采用具有特定的范圍內的熱膨脹系數的接合構件，由接合對象物與接合構件之間的熱膨脹系數差引起的拉伸應力以及壓縮應力(拉伸壓縮應力)被抑制，在高溫(例如175℃)下的工作中也具有優良的接合可靠性。

技術特征：

1.一種接合構件，接合第1對象物和第2對象物，其中，所述接合構件包含：

2.根據權利要求1所述的接合構件，其中，

3.根據權利要求1或者2所述的接合構件，其中，

4.根據權利要求1～3中的任意一項所述的接合構件，其中，

5.一種半導體裝置，其中，

技術總結
一種接合構件(1)，接合第1對象物(2)和第2對象物(3)。接合構件(1)包含將Ni作為主成分包含的金屬粒子(11)、將Sn作為主成分包含且具有小于300℃的熔點的低熔點相(12)和通過Sn與金屬粒子(11)間的相互擴散產生的具有300℃以上的熔點的金屬間化合物(13)。低熔點相(12)的量相對接合構件(1)的總量的比例為2體積％以上且小于20體積％。第1對象物(2)及第2對象物(3)的熱膨脹系數為3×10<supgt;?6</supgt;/K以上且小于13×10<supgt;?6</supgt;/K，第1對象物(2)與第2對象物(3)間的熱膨脹系數的差小于5×10<supgt;?6</supgt;/K。接合構件(1)的熱膨脹系數為16×10<supgt;?6</supgt;/K以上且小于20×10<supgt;?6</supgt;/K。

技術研發人員：山崎浩次,境紀和
受保護的技術使用者：三菱電機株式會社
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24