專利名稱：半導體器件用管芯貼裝組合物、器件貼裝法及半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供用于大功率半導體的管芯貼裝(die-attachment)的無鉛的粘合劑組合物。
背景技術：
根據歐洲議會和委員會的法令2002/95/EC，從2006年7月1日起投放市場的新的電氣和電子設備必須不再含鉛和其它有毒物質。該法令已經導致用于各種電氣設備的無鉛焊接合金的發(fā)展。但是該法令仍舊存在部分免除的內容。其中，由于缺乏高熔化溫度型焊料的無鉛替代品，在這些合金焊料(即，包括85重量％或更多鉛的鉛基合金)中鉛不必被替代。這種免除最近已經被2005年10月21日的委員會決議2005/747/EC證實。
包括超過85重量％鉛的鉛基焊接合金至今還用于所謂的高溫應用中，所謂的高溫應用具有超過150℃的平均操作溫度以及高達260℃的峰值處理溫度。一個重要的實例是用于功率半導體的管芯貼裝應用。在這些應用中，當使半導體裝置經受熱循環(huán)處理時，鉛基焊接合金提供充分的耐熱疲勞性。此外，這些焊料提供用于耗散由功率半導體產生的熱量的充分導熱性。
根據Philip Adamson在2002年四月/五月的2002JEDEC會議上發(fā)表的論文“Lead-free Packaging for discrete Power Semiconductors”，許多小型功率器件的封裝(package)已經使用了Ag-填充的環(huán)氧樹脂形式的無鉛管芯貼裝。這些Ag-填充的環(huán)氧樹脂裝載有高達70％的銀。然而，它們的使用還未擴大到在較大的功率器件封裝中的較大的硅尺寸。根據Adamson，Ag-填充的環(huán)氧樹脂已經對較大的元件例如TO220進行了溫度循環(huán)測試。這些試驗元件經受-40～+125℃的溫度循環(huán)。這些測試條件遵照2005年5月的JEDEC的標準JESD22-A 104C指定的條件“G”。
JEDEC標準對于Pn/Sn焊接組合物不推薦超過+125℃的測試條件。然而，功率半導體裝置的苛刻操作條件需要它們承受JEDEC標準的測試條件“H”指定的測試條件，并且需要經受在-55～+150℃之間的溫度循環(huán)。
盡管法令2002/95/EC免除了從2006年7月1日在高熔化溫度型焊料中用無鉛替代品對鉛的替代，然而盡可能快地使用用于管芯貼裝應用的無鉛替代品替代高含鉛的焊料對于環(huán)境是非常有益的。
Araujo等人在J.Phys.DAppl Phys.，Vol.9，1976中的第665～675頁已經對環(huán)氧樹脂/金屬粉末的組合物進行了從1.7K至300K的導熱率測量。WO2004/090942描述了用于裝置貼裝的導熱粘合劑組合物和工藝。該粘合劑組合物包括兩種不同類型的金屬粉末，一種是高熔點金屬的粉末，另一種是低熔點金屬的粉末。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于功率半導體器件的管芯貼裝應用的無鉛粘合劑組合物，其可靠地經受根據JEDEC測試條件“H”的溫度循環(huán)至少1000次并且對于最大溫度和最小溫度具有15分鐘的保溫時間(soak time)，并且產生類似于目前使用的高含鉛焊料的散熱作用。
該目的是通過在權利要求中指定的管芯貼裝組合物實現(xiàn)的。特別地，根據本發(fā)明的管芯貼裝組合物包括雙組分粘合劑和作為填充劑的金屬粉末，其中粘合劑的一種組分是環(huán)氧樹脂，第二組分是固化劑，以及其中該金屬粉末的金屬具有超過250W/(m·K)的導熱率，并且包括銅，該粉末顆粒具有球形形狀。
固化的管芯貼裝組合物必須允許與用于貼裝大功率半導體裝置的傳統(tǒng)高鉛焊料相似的散熱作用。這種高鉛焊料合金是例如具有導熱率為55W/(m·K)的Pb88Sn10Ag2和具有導熱率為44W/(m·K)的Pb92.5Sn5Ag2.5。已經證實固化的管芯貼裝組合物滿足來自功率半導體器件的有關功耗(power dissipation)的需要以及抗熱循環(huán)的需要。
固化的管芯貼裝組合物的導熱率是填充材料導熱率、環(huán)氧樹脂導熱率、填充材料的體積百分率和在填充劑和環(huán)氧樹脂之間的接觸熱阻的函數(shù)。
獲得的導熱率當然主要受包括銅的填充劑的影響。純銅的導熱率是400W/(m·K)，同時環(huán)氧樹脂的導熱率低至0.3W/(m·K)。為了保證填充劑-環(huán)氧樹脂組合物的高導熱率，填充劑粉末的導熱率應該大于250W/(m·K)，優(yōu)選大于300W/(m·K)，以及最優(yōu)選大于350W/(m·K)。
填充劑-環(huán)氧樹脂組合物的導熱率還取決于填充劑的體積百分率。以下，術語填充度用于替代填充劑的體積百分率。填充度定義為填充劑與組合物的總重量的重量百分比。根據本發(fā)明，金屬粉末的粉末顆粒應該具有類球形或球形形狀。薄片狀粉末顯示差的結果，并且此外當在點涂應用中使用管芯貼裝組合物時，用片狀填充的粘合劑將妨礙注射(springe)。在類球形填充劑顆粒的情況中，對于六角閉合封裝獲得最大體積百分率，體積百分率為74％。通過使用銅的密度(8.9g/cm3)和環(huán)氧樹脂(大約1.2g/cm3)的密度，對于作為填充劑的銅粉末該數(shù)值換算成95重量％的最大填充度。
銅粉末的平均粒徑D50對于填充劑-環(huán)氧樹脂組合物的耐熱疲勞性沒有決定性影響。使用具有平均粒徑D50在1～50μm之間的填充劑粉末已經獲得好的結果。更優(yōu)選地，粒徑在1～30μm之間。
最終，填充劑-環(huán)氧樹脂組合物的最終導熱率取決于在填充劑表面和樹脂之間的接觸熱阻。在填充劑顆粒的表面上的任何雜質層將增加接觸熱阻。因此，優(yōu)選使用具有低表面雜質的填充劑粉末。
由于其高的導熱率，優(yōu)選使用包括高的銅百分含量的金屬粉末。最優(yōu)選是使用銅純度大于99.5重量％以及特別地大于99.9重量％的銅粉末。
在銅粉末的情況中，在粉末顆粒的表面上最有害的雜質是氧化銅(II)。在大約5nm厚的薄表面層中相對于金屬銅的氧化銅(II)的比率可以使用XPS(X射線光電子能譜儀)確定。為此目的，獲得的XPS光譜通過本領域公知的曲線擬合法分析。已經證實，如果通過XPS分析在表面層中至多50％的原子被氧化成CuO，可以獲得關于固化的組合物的導熱率和熱疲勞的好結果。優(yōu)選地氧化的銅原子應該不超過30％，更優(yōu)選地不超過10％。
相對于金屬粉末的導熱率，固化的環(huán)氧樹脂的導熱率是非常低的。環(huán)氧樹脂的主要任務是提供與金屬填充劑和與半導體裝置以及與基板的良好粘性。選自雙酚A環(huán)氧樹脂和雙酚F環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧樹脂已經證明可以提供與銅和鎳表面以及與管芯良好粘性。雙酚F環(huán)氧樹脂是最優(yōu)選的。作為固化劑，可以使用咪唑、丙烯腈以及脂族胺的傳統(tǒng)混合物。
包括填充有特定填充劑粉末并且具有厚度在20～80μm之間的粘合層(bond line)的固化的粘合劑的固化的管芯貼裝組合物可以承受用于熱疲勞的上述測試條件，并且產生與高鉛焊料相似的散熱作用。
管芯貼裝組合物的組分可以使用不同的配方表示金屬粉末可以是與環(huán)氧樹脂或與固化劑預混合；在這種情況中，環(huán)氧樹脂和固化劑可以封裝在兩個獨立的裝置中以避免環(huán)氧樹脂的早期固化，并且僅僅在使用前直接混合在一起。
金屬粉末可以與環(huán)氧樹脂和固化劑的混合物混合；在這種情況中，管芯貼裝組合物封裝在在一個裝置中并且必須在使用前保持在低溫下，從而避免環(huán)氧樹脂的早期固化。
環(huán)氧樹脂的一部分可以與金屬粉末的第一部分預混合，并且金屬粉末的第二部分可以與環(huán)氧樹脂的剩余部分和固化劑的混合物預混合；在這種情況中，管芯貼裝組合物再次封裝在兩個獨立裝置中以避免環(huán)氧樹脂的早期固化，并且僅僅在使用前直接混合在一起。
為了使用本發(fā)明的管芯貼裝組合物將分立的大功率半導體器件貼裝到印刷電路板上，將該組合物涂覆到印刷電路板上，半導體器件貼裝到所述板上，然后使管芯貼裝組合物在80～250℃之間的溫度固化，優(yōu)選地在100～150℃之間的溫度固化。
當使用銅作為填充劑材料時，優(yōu)選通過使用抗氧化材料涂覆銅粉末來避免在儲存過程中銅表面的氧化。涂覆材料可以是脂肪酸，優(yōu)選飽和脂肪酸、聚硅氧烷或磷化物。脂肪酸可以選自油酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、十七酸和硬脂酸和花生酸。相對于涂覆銅粉末的總重量，涂覆材料的涂覆量在0.1～1重量％之間。最優(yōu)選的是具有輕微的親水性，即具有小的極性基，從而使得水的吸引力最小化的涂覆材料。
表面涂覆的另一功能是提高具有粘合劑的填充劑顆粒的潤濕作用，并且由此增加它們的分散性，這對于實現(xiàn)高的填充度是很重要的。
對于標準管芯貼裝應用，管芯貼裝組合物應該包括相對于所述組合物的總重量為40～90重量％的金屬粉末。對于點涂(dispensing)應用，該組合物應該包括在40～70重量％之間，優(yōu)選在40～60重量％之間的金屬以避免點涂噴嘴阻塞。在通過印刷的管芯貼裝情況中，粘合劑組合物可以包括相對于該組合物的總重量為40～90重量％的金屬粉末。


以下實施例和附圖旨在幫助進一步解釋本發(fā)明。附圖示出了圖1用于測量散熱作用的試驗設備。
圖2填充度為54重量％的填充有各種銅粉末的管芯貼裝組合物在固化后散熱作用隨粘合層厚度的變化。
圖3填充度為80重量％的填充有各種銅粉末的管芯貼裝組合物在固化后散熱作用隨粘合層厚度的變化。
具體實施例方式
表1列出了多種商業(yè)銅粉末與雙酚F環(huán)氧樹脂組合以形成用于溫度循環(huán)測試和散熱作用測量的金屬填充的粘合樹脂。
所有的銅粉末具有類球形顆粒、純度大于99.9％以及導熱率超過350W/(m·K)。銅粉末Cu1、Cu2、Cu3、Cu4和Cu5滿足本發(fā)明的要求，鑒于作為比較的原因，選擇銅粉末Cu1C和Cu2C以及商業(yè)“高導熱率填充銀的環(huán)氧樹脂膏劑”(Ag)。兩種傳統(tǒng)高鉛焊錫劑Pb1(Pb88Sn10Ag2)和Pb2(Pb92.5Sn5Ag2.5)作為參考材料。
表1 金屬粉末的性質

散熱作用的測量為了測量散熱作用與粘合層厚度的關系，將一系列硅芯片使用填充有根據表1的不同粉末的雙酚F貼裝到銅基板上。粘合劑在150℃下固化5分鐘。通過使用圖1所示的試驗設備進行測量。貼裝試樣，使它們的銅基板(1)貼裝到加熱至T2＝75℃的提供恒溫的銅塊(4)上。硅芯片(2)與浸在周圍空氣(T1＝30℃)的另一銅塊(5)接觸。使用熱電偶(6)和(7)測量夾層結構的銅和硅側的溫度。在這兩側之間的溫度差ΔT與由硅芯片(2)、粘合層(3)和銅基板(1)組成的試樣的散熱作用成比例。
進行兩組測量-一組使用填充度為54重量％的管芯貼裝組合物通過點涂管芯貼裝組合物進行測量，另一組測量使用80重量％的填充度的管芯貼裝組合物利用印刷該管芯貼裝組合物進行測量。
圖2和圖3示出了對于不同的粘合層厚度(BLT)在試樣中測量的溫差。在兩圖中粗線表示使用商業(yè)焊錫膏Pb1和Pb2貼裝的參考樣品的性能?？梢郧逦闯鍪褂酶鶕景l(fā)明的管芯貼裝組合物(Cu1-Cu5)貼裝的樣品表現(xiàn)出與使用焊料的參考樣品相似的導熱率。相反，比較樣品Ag、Cu1C和Cu2C顯示出隨著粘合層厚度的增加溫差急劇增加，并且因此不能接受。
溫度循環(huán)/熱疲勞為了進行溫度循環(huán)測試，使用混合有固化劑的金屬填充的樹脂將12×12×0.5mm3的硅芯片粘合到尺寸為12×12×1mm3的銅基板上。粘合劑在150℃固化5分鐘，并且導致大約50μm的粘合層厚度。為了比較而選擇的管芯貼裝組合物(Ag、Pb1和Pb2)根據廠商的推薦處理。
試樣根據JEDEC標準測試條件“H”(-55～+150℃)使用15分鐘的保溫時間經受1000次溫度循環(huán)。
具有金屬粉末Cu1至Cu5的管芯貼裝組合物在溫度循環(huán)之后顯示沒有失效。根據XPS的測量這些粉末在表面層中具有低的CuO含量。相反，使用的具有高表面氧化的銅粉末Cu1C和Cu2C沒有能夠通過溫度循環(huán)測試。結果在表2中示出。
表2在1000次循環(huán)之后的熱疲勞結果(每一測試5個樣品)

通過沒有脫層失效芯片被破壞或在貼裝處脫層
權利要求
1.用于將大功率半導體器件貼裝到印刷電路板的管芯貼裝組合物的用途，其中所述管芯貼裝組合物包括雙組分的粘合劑和金屬粉末，其中所述粘合劑的一種組分是環(huán)氧樹脂和第二組分是固化劑，并且其中所述金屬粉末的所述金屬具有大于250W/(m·K)的導熱率并且包括銅，以及所述粉末顆粒具有類球形形狀。
2.根據權利要求1的用途，其中所述金屬粉末具有在1～50μm之間的平均粒徑D50。
3.根據權利要求2的用途，其中所述金屬粉末的所述金屬是純度超過99.5重量％的銅。
4.根據權利要求2的用途，其中所述金屬粉末的所述金屬是純度超過99.9重量％的銅。
5.根據權利要求3或4的用途，其中根據XPS的測量在表面層中少于一半的銅原子被氧化成CuO。
6.根據權利要求1的用途，其中所述環(huán)氧樹脂選自雙酚A環(huán)氧樹脂和雙酚F環(huán)氧樹脂。
7.根據權利要求6的用途，其中所述金屬粉末與所述環(huán)氧樹脂或與所述固化劑預混合。
8.根據權利要求7的用途，其中所述金屬粉末與所述環(huán)氧樹脂和所述固化劑預混合。
9.根據權利要求8的用途，其中所述環(huán)氧樹脂的一部分與所述金屬粉末的第一部分預混合，并且所述金屬粉末的第二部分與所述固化劑和所述環(huán)氧樹脂的第二部分的混合物預混合。
10.根據權利要求1的用途，其中所述組合物包括相對于該組合物的總重量為40～90重量％的所述金屬粉末。
11.根據權利要求1的用途，其中所述金屬粉末在與所述粘合劑的所述組分混合之前，用脂肪酸、聚硅氧烷或磷化物涂覆。
12.根據權利要求1的用途，其中所述管芯貼裝組合物通過點涂涂覆，并且所述組合物包括相對于該組合物的總重量為40～70重量％的所述金屬粉末。
13.根據權利要求1的用途，其中所述管芯貼裝組合物通過印刷涂覆，并且所述組合物包括相對于該組合物的總重量為40～90重量％的所述金屬粉末。
14.將分立的大功率半導體器件貼裝到印刷電路板上的方法，包括混合如權利要求1至11中任一項所述的管芯貼裝組合物的所述成分，并將所述混合物涂覆至所述大功率半導體器件或者所述印刷電路板上，以及將所述半導體器件放置到所述電路板上并且在80～250℃之間的溫度下固化所述管芯貼裝組合物。
15.包括印刷電路板和在其上貼裝的分立的大功率的半導體器件的大功率半導體裝置，其中所述大功率半導體器件通過如權利要求1所述的固化的管芯貼裝組合物在所述半導體器件和所述印刷電路板之間形成厚度20～80μm的粘合層，從而被貼裝到所述印刷電路板上。
全文摘要
歐洲議會和委員會的法令2002/95/EC頒布，規(guī)定從2006年7月1日起新的電氣和電子設備必須不再含鉛。因此，已經發(fā)展了用于各種電氣和電子應用的無鉛焊接合金。但是，目前由于缺乏用于高熔化溫度型焊料的無鉛替代品，所以該法令免除了在高熔化溫度型焊料例如用于管芯貼裝應用中對鉛的替代。本發(fā)明提供一種用于將大功率半導體器件貼裝到印刷電路板上的無鉛的管芯貼裝組合物。該管芯貼裝組合物包括金屬填充的環(huán)氧樹脂，其中所述金屬選擇包括銅的粉末并且具有根據XPS的測量在表面層中少于一半銅原子被氧化的類球形顆粒。
文檔編號H05K1/18GK101055859SQ200710092378
公開日2007年10月17日 申請日期2007年3月6日 優(yōu)先權日2006年3月6日
發(fā)明者米里埃爾·托馬斯, 克勞斯·沙克, 蒂莫·格爾根 申請人:烏米科雷股份兩合公司