本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝體及其制造方法。

背景技術(shù)：

一般地，在用于光通訊等的半導(dǎo)體激光元件、高功能MPU(微處理單元)等半導(dǎo)體元件中，為了防止工作不良等，如何高效地釋放由該元件產(chǎn)生的熱非常重要。由于這些半導(dǎo)體元件一般被容納在半導(dǎo)體封裝體中使用，因此為了使此封裝體所容納的半導(dǎo)體元件安全且穩(wěn)定地工作，必須效率良好地使元件工作時產(chǎn)生的熱散發(fā)至封裝體外。此散熱通常通過從作為發(fā)熱源的半導(dǎo)體元件通過與其接合的散熱構(gòu)件進(jìn)行導(dǎo)熱來實(shí)現(xiàn)。

近年來，隨著半導(dǎo)體元件技術(shù)的進(jìn)步，朝著元件的高輸出化、高速化、高集成化發(fā)展，對其散熱的要求也變得越來越嚴(yán)格。因此，一般地，也對半導(dǎo)體封裝體的散熱構(gòu)件要求高導(dǎo)熱率，使用了導(dǎo)熱率高達(dá)390W/mK的銅(Cu)。

另一方面，隨著半導(dǎo)體元件的高輸出化，其工作溫度也變高，半導(dǎo)體元件和被直接接合的半導(dǎo)體封裝體的散熱構(gòu)件的熱膨脹的不匹配(mismatch)的問題變得明顯。為了解決這些問題，要求開發(fā)出兼顧高導(dǎo)熱這樣的特性、和與半導(dǎo)體元件的熱膨脹率匹配的散熱構(gòu)件。作為這樣的材料，有金屬和陶瓷的復(fù)合體，例如，鋁(Al)和碳化硅(SiC)的復(fù)合體(專利文獻(xiàn)1)。

然而，在Al-SiC系的復(fù)合材料中，無論如何優(yōu)化條件，導(dǎo)熱率都在300W/mK以下，要求開發(fā)出具有銅的導(dǎo)熱率以上的更高導(dǎo)熱率的散熱構(gòu)件。作為這樣的材料，提出了將金剛石所具有的高導(dǎo)熱率和金屬所具有的大熱膨脹率組合、高導(dǎo)熱率且熱膨脹系數(shù)接近于半導(dǎo)體元件材料的金屬-金剛石復(fù)合材料(專利文獻(xiàn)2)。

此外，專利文獻(xiàn)3中，通過在金剛石粒子的表面形成β型的SiC層，在抑制復(fù)合化時所形成的低導(dǎo)熱率的金屬碳化物的生成的同時，改善與熔融金屬的浸潤性，改善了所得到的金屬-金剛石復(fù)合材料的導(dǎo)熱率。作為此金屬-金剛石復(fù)合材料的優(yōu)選實(shí)施方式，提出了使用鋁作為金屬基體(專利文獻(xiàn)3)。

專利文獻(xiàn)1日本特開平9-157773號公報

專利文獻(xiàn)2日本特開2000-303126號公報

專利文獻(xiàn)3日本特表2007-518875號公報

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在使用包括這些金屬-陶瓷復(fù)合體的散熱構(gòu)件作為半導(dǎo)體封裝體的情況下，在該散熱構(gòu)件上，使用接合材料A接合絕緣構(gòu)件，另外在散熱構(gòu)件上或者在絕緣構(gòu)件上使用接合材料B接合半導(dǎo)體。這些接合材料一般使用使用了活性金屬的焊料等，但就其接合溫度而言，若是接合材料A的接合溫度比接合材料B低，則在使用接合材料B時接合材料A熔融，因此接合材料A的接合溫度必須比接合材料B高。

在使用以鋁為基體的金屬-陶瓷復(fù)合體作為散熱構(gòu)件的情況下，鋁的熔融溫度在600℃附近，因此一般使用含有金的焊料作為散熱構(gòu)件與絕緣構(gòu)件的接合材料，但金的原料材質(zhì)價格高，有耗費(fèi)成本等問題。

因此，本發(fā)明的目的在于便宜地提供散熱性優(yōu)異的半導(dǎo)體封裝體。

根據(jù)本發(fā)明，提供半導(dǎo)體封裝體，其為依次層疊有散熱構(gòu)件、接合層、絕緣構(gòu)件的半導(dǎo)體封裝體，其特征為上述散熱構(gòu)件包括含有金剛石粒子與含鋁金屬的鋁-金剛石系復(fù)合體，將上述散熱構(gòu)件和上述絕緣構(gòu)件接合的上述接合層為使用包含平均粒徑為1nm以上并且100μm以下的氧化銀微?；蛘哂袡C(jī)覆膜銀微粒的復(fù)合材料而形成的。

本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，在上述半導(dǎo)體封裝體中，鋁-金剛石系復(fù)合體的金剛石粒子的含量為上述鋁-金剛石系復(fù)合體整體的40體積％以上并且75體積％以下。

本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，在上述半導(dǎo)體封裝體中，上述絕緣構(gòu)件為氧化鋁、氮化硅或者氮化鋁。

本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，在上述半導(dǎo)體封裝體中，對上述散熱構(gòu)件和上述接合層的接合部施加含有Ni、Ag或者Au的至少1種的鍍覆處理。

本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，在上述半導(dǎo)體封裝體中，對上述絕緣構(gòu)件和上述接合層的接合部施加含有Ni、Ag或者Au的至少1種的鍍覆處理。

本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，在上述半導(dǎo)體封裝體中，對上述散熱構(gòu)件的半導(dǎo)體元件的實(shí)裝部施加含有Ni、Ag或者Au的至少1種的鍍覆處理。

根據(jù)本發(fā)明，提供半導(dǎo)體封裝體的制造方法，其為制造包括散熱構(gòu)件、絕緣構(gòu)件和接合層的半導(dǎo)體封裝體的方法，其特征為包括：在上述散熱構(gòu)件和上述絕緣構(gòu)件的接合部設(shè)置包含平均粒徑為1nm以上并且100μm以下的氧化銀微?；蛘哂袡C(jī)覆膜銀微粒的復(fù)合材料的工序；和在180℃以上并且550℃以下的溫度下加熱，將上述復(fù)合材料制成將上述散熱構(gòu)件和上述絕緣構(gòu)件接合的接合層的工序。

根據(jù)本發(fā)明，能便宜地提供散熱性優(yōu)異的半導(dǎo)體封裝體。

附圖說明

[圖1]為本發(fā)明的實(shí)施方式的半導(dǎo)體封裝體的概念剖面圖。

[圖2]為顯示使用本發(fā)明的實(shí)施方式的半導(dǎo)體封裝體的半導(dǎo)體元件的實(shí)裝例的概念剖面圖。

具體實(shí)施方式

接下來，說明本發(fā)明的一實(shí)施方式。圖1為本實(shí)施方式的半導(dǎo)體封裝體的概念剖面圖。本實(shí)施方式的半導(dǎo)體封裝體為散熱構(gòu)件2、接合層3、絕緣構(gòu)件1依次層疊而成。

本實(shí)施方式涉及的散熱構(gòu)件2優(yōu)選包括含有金剛石粒子與含鋁金屬的平板狀的鋁-金剛石系復(fù)合體。散熱構(gòu)件2可以設(shè)為包括鋁-金剛石系復(fù)合體的復(fù)合化部分及設(shè)于該復(fù)合化部分的兩面的表面層的構(gòu)成。

鋁-金剛石系復(fù)合體中的金剛石粒子的含量優(yōu)選為包括該鋁-金剛石系復(fù)合體的復(fù)合化部分和表面層的復(fù)合體整體的40體積％以上并且75體積％以下。若金剛石粒子的含量為40體積％以上，則得到充分的導(dǎo)熱率，此外，若金剛石粒子的含量為75體積％以下，則利用金剛石粒子和鋁的復(fù)合體的形成變得容易。

被覆鋁-金剛石系復(fù)合體的復(fù)合化部分的兩面的表面層包括鋁合金等主要包含含鋁金屬的材料，但也可以包含含鋁金屬以外的物質(zhì)。該表面層優(yōu)選包含80質(zhì)量％以上的鋁。

本實(shí)施方式的散熱構(gòu)件2的厚度優(yōu)選為100μm以上并且5mm以下。若散熱構(gòu)件2的厚度為100μm以上，則能充分得到作為半導(dǎo)體封裝體的材料的強(qiáng)度、剛性，若散熱構(gòu)件2的厚度為5mm以下，則作為構(gòu)件的成本變得便宜，作為半導(dǎo)體封裝體而言是優(yōu)選的。

散熱構(gòu)件2中的表面層的厚度沒有特別限制，但考慮散熱特性變得良好，優(yōu)選表、背層分別是散熱構(gòu)件2的厚度的20％以下。

可以對散熱構(gòu)件2和接合層3的接合部施加鍍覆。此外，散熱構(gòu)件2利用焊接與半導(dǎo)體組件接合而使用，因此也可以對散熱構(gòu)件2的半導(dǎo)體元件的實(shí)裝部(散熱構(gòu)件和半導(dǎo)體元件的接合部)施加鍍覆。

在對散熱構(gòu)件2施加鍍覆處理的情況下，也可以施加鍍Ni、或者考慮焊料浸潤性而施加鍍Ni和鍍Au的兩層鍍覆。也可以使用鍍Ag代替鍍Au。鍍覆處理的方法沒有特別的限定，可以是無電解鍍覆處理、電鍍處理法中的任一種。

鍍覆的厚度優(yōu)選為0.5μm以上并且10μm以下。若鍍覆厚度為0.5μm以上，則能防止鍍覆針孔或焊接時的焊料空隙(void)的產(chǎn)生，能夠確保來自半導(dǎo)體元件的散熱特性。此外，若鍍覆的厚度為10μm以下，則能夠不受低導(dǎo)熱率的鍍覆膜的影響而確保來自半導(dǎo)體元件的散熱特性。

關(guān)于鍍覆膜的純度，只要為不對焊料浸潤性帶來妨害的純度就沒有特別的制約，可以含有磷、硼等其他成分。

作為本實(shí)施方式的接合層3，優(yōu)選使用包含氧化銀微?；蛘哂袡C(jī)覆膜銀微粒的復(fù)合材料、或者包含氧化銀微粒及有機(jī)覆膜銀微粒的復(fù)合材料。

作為上述氧化銀微粒，可舉出氧化銀(Ag₂O、AgO)，能使用從它們的群組中所選出的至少1種以上的金屬。

上述有機(jī)覆膜銀微粒意指包括銀的核的周圍被有機(jī)保護(hù)膜所被覆而成的微粒。作為有機(jī)覆膜，若為含有C、H及/或O的有機(jī)物，則沒有特別的限制，作為其實(shí)例，可舉出脂肪族羧酸或胺化合物。

氧化銀微粒或者有機(jī)覆膜銀微粒的平均粒徑希望為1nm以上并且100μm以下，優(yōu)選1nm以上并且50μm以下。

若平均粒徑為100μm以下，則能縮小粒子間的間隙，能得到致密的接合層。此外，若平均粒徑為1nm以上，則金屬氧化物粒子本身的制造變得容易。

此外，關(guān)于氧化銀微粒及有機(jī)覆膜銀微粒，能夠通過混合粒徑小的微粒和粒徑大的微粒來更細(xì)密地填充銀微粒。

此外，在使用氧化銀微粒的情況下，必須并用將表面的氧化銀還原的還原劑，作為還原劑，只要為具有將金屬氧化物粒子還原的作用的還原劑即可。

作為還原劑，例如，除了醇類、羧酸類、胺類以外，也可以使用含有包含醛基或酯基、巰基、酮基等的有機(jī)物或者是羧酸金屬鹽等的有機(jī)物的化合物。

氧化銀微?；蛴袡C(jī)覆膜銀微粒也可以根據(jù)需要分散于溶劑等作為糊狀的接合材料使用。除了可以對該糊料添加上述還原劑以外，可以對該糊料適當(dāng)添加分散劑、粘度調(diào)整劑、促進(jìn)燒成的其他金屬成分等。

這些糊料中的有機(jī)成分優(yōu)選使用在氧化銀微?；蛘哂袡C(jī)覆膜銀微粒的燒成溫度下具有95％以上的重量減少的成分。若有機(jī)成分的重量減少為95％以上，則能充分地實(shí)現(xiàn)結(jié)合層的致密化。另外，在此所謂的重量減少是指利用市售的TG-DTA測定裝置在大氣中以10℃/min的升溫速度進(jìn)行測定的數(shù)值。

接合層3的厚度沒有特別的制約，但考慮接合材料的供給量及接合工序的簡便性，希望為5μm以上并且200μm以下。

作為絕緣構(gòu)件1的材質(zhì)，例如，可以使用氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹?shù)取?/p>

可以對絕緣構(gòu)件1施加鍍覆。鍍覆處理的方法沒有特別的限定，可以是無電解鍍覆處理、電鍍處理法中的任一種。作為具體實(shí)例，可以是施加鍍Ni、或者鍍Ni和鍍Au的兩層鍍覆，也可以使用鍍Ag來代替鍍Au。

鍍覆的厚度優(yōu)選為0.5μm以上并且10μm以下。若鍍覆厚度為0.5μm以上，則能防止鍍覆針孔，能夠確保來自半導(dǎo)體元件的散熱特性。此外，若鍍覆的厚度超過10μm，則成本變高。

通過對絕緣構(gòu)件1和接合層3的接合部施加鍍覆，具有與接合層3的接合性變好等效果。

接合層3對絕緣構(gòu)件1及散熱構(gòu)件2的接合溫度需要比半導(dǎo)體封裝體中利用的其他構(gòu)件的熔點(diǎn)低，且為了有機(jī)溶媒揮發(fā)需要使其足夠高。

此外，為了降低接合后的半導(dǎo)體封裝體的應(yīng)力，希望接合溫度低。具體地，若為180℃以上并且550℃以下的接合溫度，則能夠以不對其他構(gòu)件帶來溫度影響的方式進(jìn)行接合。另一方面，在將半導(dǎo)體實(shí)裝在所得到的半導(dǎo)體封裝體的工序中，為了避免焊料接合時接合層3熔融，接合溫度優(yōu)選為300℃以上。

形成本實(shí)施方式的接合層3的合適的一個方案為，將已經(jīng)糊料化的接合材料涂布在構(gòu)件間，經(jīng)過加熱、加壓形成接合層者。但是，接合材料的方式不限于糊狀，也可以使用片狀的接合材料。

上述實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體封裝體便宜且散熱性優(yōu)異，能夠優(yōu)選地應(yīng)用于功率半導(dǎo)體模塊等。

圖2為顯示使用本發(fā)明的實(shí)施方式的半導(dǎo)體封裝體的半導(dǎo)體元件的實(shí)裝例的概念剖面圖。半導(dǎo)體8介由焊料接合層7而接合于散熱構(gòu)件2。蓋材5介由蓋材接合層4而接合于絕緣構(gòu)件1。蓋材接合層4的材料能使用Au系焊料、或者與接合層3同樣的材料。

實(shí)施例

以下，舉出實(shí)施例及比較例，更詳細(xì)地說明本發(fā)明。

[實(shí)施例1]

作為散熱構(gòu)件，將平均粒徑130μm的金剛石粒子的含量為鋁-金剛石系復(fù)合體整體的60體積％、鋁含量為99％以上的鋁表面層的表、背面皆為50μm、整體厚度為1.5mm的鋁金剛石復(fù)合體加工成10mm×10mm的尺寸。

作為接合層，使用了以質(zhì)量比1∶7的比例混合由胺化合物(辛胺)所覆膜的平均粒徑8nm的銀微粒和平均粒徑190nm的銀微粒而成的混合粉末分散于萜品醇、固體成分比率70質(zhì)量％的糊料。以10μm的厚度將該糊料涂覆于上述鋁-金剛石復(fù)合體，使用厚度1mm的氧化鋁作為絕緣構(gòu)件在真空下在520℃下進(jìn)行接合，施加鍍Ni，進(jìn)一步施加鍍Au以得到半導(dǎo)體封裝體。

[實(shí)施例2]

散熱構(gòu)件、絕緣構(gòu)件皆為在接合前施加鍍Ni，在接合后施加鍍Au，除此以外，與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行以得到半導(dǎo)體封裝體。

[實(shí)施例3]

散熱構(gòu)件、絕緣構(gòu)件皆為在接合前施加鍍Ni，進(jìn)一步施加鍍Au，除此以外，與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行以得到半導(dǎo)體封裝體。

[比較例]

作為散熱構(gòu)件，將金剛石粒子的含量為鋁-金剛石系復(fù)合體整體的60體積％、鋁表面層的表、背面皆為50μm、整體厚度為1.5mm的鋁金剛石復(fù)合體加工成10mm×10mm的尺寸。

使用了Ag:40質(zhì)量％、Cu:30質(zhì)量％、Zn:30質(zhì)量％的焊料作為接合層。以10μm的厚度將該焊料的糊料涂覆在上述鋁-金剛石復(fù)合體，使用厚度1mm的氧化鋁作為絕緣構(gòu)件在真空下在550℃下進(jìn)行接合。

實(shí)施例1至3能得到充分的接合，能制造半導(dǎo)體封裝體，但比較例無法得到充分的接合，未能制造半導(dǎo)體封裝體。這是因?yàn)樵诒容^例的接合溫度下接合材料(焊料)無法充分熔融。另一方面，若上升到比較例的接合材料充分熔融的溫度，則其他構(gòu)件熔融而形狀崩潰。

由上述的結(jié)果可知，實(shí)施例1至3的半導(dǎo)體封裝體得到了充分的接合。依此方式所接合的半導(dǎo)體封裝體具有散熱性優(yōu)異這樣的優(yōu)點(diǎn)。此外，接合層使用了包含比較便宜的氧化銀微?；蛘哂袡C(jī)覆膜銀微粒的復(fù)合材料。由此可知，利用本發(fā)明，能便宜地提供散熱性優(yōu)異的半導(dǎo)體封裝體。

符號說明

1 絕緣構(gòu)件

2 散熱構(gòu)件

3 接合層

4 蓋材接合層

5 蓋材

6 引線

7 焊料接合層

8 半導(dǎo)體