[发明专利]半导体器件用管芯贴装组合物、器件贴装法及半导体装置

说明书

                     技术领域

本发明提供用于大功率半导体的管芯贴装(die-attachment)的无铅的粘合剂组合物。

                     背景技术

根据欧洲议会和委员会的法令2002/95/EC，从2006年7月1日起投放市场的新的电气和电子设备必须不再含铅和其它有毒物质。该法令已经导致用于各种电气设备的无铅焊接合金的发展。但是该法令仍旧存在部分免除的内容。其中，由于缺乏高熔化温度型焊料的无铅替代品，在这些合金焊料(即，包括85重量％或更多铅的铅基合金)中铅不必被替代。这种免除最近已经被2005年10月21日的委员会决议2005/747/EC证实。

包括超过85重量％铅的铅基焊接合金至今还用于所谓的高温应用中，所谓的高温应用具有超过150℃的平均操作温度以及高达260℃的峰值处理温度。一个重要的实例是用于功率半导体的管芯贴装应用。在这些应用中，当使半导体装置经受热循环处理时，铅基焊接合金提供充分的耐热疲劳性。此外，这些焊料提供用于耗散由功率半导体产生的热量的充分导热性。

根据Philip Adamson在2002年四月/五月的2002JEDEC会议上发表的论文“Lead-free Packaging for discrete Power Semiconductors”，许多小型功率器件的封装(package)已经使用了Ag-填充的环氧树脂形式的无铅管芯贴装。这些Ag-填充的环氧树脂装载有高达70％的银。然而，它们的使用还未扩大到在较大的功率器件封装中的较大的硅尺寸。根据Adamson，Ag-填充的环氧树脂已经对较大的元件例如TO220进行了温度循环测试。这些试验元件经受-40～+125℃的温度循环。这些测试条件遵照2005年5月的JEDEC的标准JESD22-A 104C指定的条件“G”。

JEDEC标准对于Pn/Sn焊接组合物不推荐超过+125℃的测试条件。然而，功率半导体装置的苛刻操作条件需要它们承受JEDEC标准的测试条件“H”指定的测试条件，并且需要经受在-55～+150℃之间的温度循环。

尽管法令2002/95/EC免除了从2006年7月1日在高熔化温度型焊料中用无铅替代品对铅的替代，然而尽可能快地使用用于管芯贴装应用的无铅替代品替代高含铅的焊料对于环境是非常有益的。

Araujo等人在J.Phys.D：Appl Phys.，Vol.9，1976中的第665～675页已经对环氧树脂/金属粉末的组合物进行了从1.7K至300K的导热率测量。WO2004/090942描述了用于装置贴装的导热粘合剂组合物和工艺。该粘合剂组合物包括两种不同类型的金属粉末，一种是高熔点金属的粉末，另一种是低熔点金属的粉末。

                        发明内容

本发明的目的是提供一种用于功率半导体器件的管芯贴装应用的无铅粘合剂组合物，其可靠地经受根据JEDEC测试条件“H”的温度循环至少1000次并且对于最大温度和最小温度具有15分钟的保温时间(soak time)，并且产生类似于目前使用的高含铅焊料的散热作用。

该目的是通过在权利要求中指定的管芯贴装组合物实现的。特别地，根据本发明的管芯贴装组合物包括双组分粘合剂和作为填充剂的金属粉末，其中粘合剂的一种组分是环氧树脂，第二组分是固化剂，以及其中该金属粉末的金属具有超过250W/(m·K)的导热率，并且包括铜，该粉末颗粒具有球形形状。

固化的管芯贴装组合物必须允许与用于贴装大功率半导体装置的传统高铅焊料相似的散热作用。这种高铅焊料合金是例如具有导热率为55W/(m·K)的Pb₈₈Sn₁₀Ag₂和具有导热率为44W/(m·K)的Pb9_2.5Sn₅Ag_2.5。已经证实固化的管芯贴装组合物满足来自功率半导体器件的有关功耗(power dissipation)的需要以及抗热循环的需要。

固化的管芯贴装组合物的导热率是填充材料导热率、环氧树脂导热率、填充材料的体积百分率和在填充剂和环氧树脂之间的接触热阻的函数。