[发明专利]半导体器件以及其制备方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于在2009年6月4日提交的号码为2009-135499以及在2009年6月4日提交的号码为2009-135500的日本专利申请，并且根据35U.S.C.§119要求其优先权。

技术领域

本发明涉及半导体器件，其包括通过将金属板分别键合到绝缘衬底的两面而获得的电路板，通过第一焊料键合到金属板中的一个的外表面的至少一个半导体元件，以及通过第二焊料键合到另一金属板的外表面的散热底板。

背景技术

半导体器件，例如用于驱动控制系统的马达中的功率模块，需要随功率的增加而具有足够的绝缘性能和散热性能。为此，使用由陶瓷所形成的绝缘衬底以将功率半导体元件键合到通过具有高熔化温度的铅基焊料而键合到绝缘衬底的一个表面的第一铜板，以及随后将散热底板键和到通过具有相对低的熔化温度的锡-铅基共晶焊料而键合到绝缘衬底的另一表面的第二铜板，以防止铅基焊料的键合的部分再次熔化。

另一方面，近年来发展出无铅焊料材料用以实现环境保护。无铅焊料具有高于锡-铅基共晶焊料而低于铅基焊料的熔化温度。由于这个原因，有一个问题是，在之前已键合的元件侧上的焊料键合部分被用于键合散热底板的工艺流程中的热量再次熔化，如果焊料键合是通过使用铅基焊料的常规技术进行的，那么会造成键合可靠性的显著劣化。

另外，无铅焊料比铅基或锡-铅基焊料更硬。由于这个原因，有一个问题是，一旦形成裂痕那么它将迅速扩展，造成耐久性的劣化。

因此，存在用于通过使用具有相互不同的熔化温度的两种类型的无铅焊料(例如，见JP-A-2006-237057)而将半导体元件键合到散热底板，以解决前一个问题的技术，以及用于向无铅焊料中添加比如铋或铟之类的稀有金属以增强耐久性(例如，见JP-A-2007-141948)，以解决后一个问题的技术。此外，还有一种特殊技术用于以模制树脂进行树脂密封来大大改变功率模块的结构并且硬化焊料键合部分。

然而，在JP-A-2006-237057中所描述的技术中，必须特别地挑选和准备具有彼此不同的熔化温度的两种类型的无铅焊料，并且此外，必须正确使用两种类型的焊料用于半导体元件到绝缘衬底的键合以及散热底板的键合。处理作为一个整体是复杂的。另外，在JP-A-2007-141948中所描述的技术中，必须特别地将昂贵的稀有金属作为无铅焊料的添加材料使用。归根结底，两种技术都具有材料成本或者管理成本突然上升的问题，并且此外，制备过程被迫改变，导致成本的相当大的上升。

发明内容

考虑到这些情况，本发明的目标是提供一种半导体器件，其比常规技术中的更便宜，并且可以确保焊料键合部分与常规地普通和一般模块结构的键合可靠性，以及制备该半导体器件的方法。

依照本发明的第一方面，提供一种半导体器件，包括：

通过将第一金属板(M1)和第二金属板(M2)分别键合到绝缘衬底(C)的两个表面所形成的电路板(P)，

至少一个半导体元件(S，S’)，将通过第一焊料(H1)与第一金属板(M1)的外表面键合，以及

散热底板(B)，将通过第二焊料(H2)与第二金属板(M2)的外表面键合，其中

第一焊料(H1)和第二焊料(H2)由相同类型的焊接材料构成，并且

第一金属板(M1)和第二金属板(M2)的厚度总和(t_M)与绝缘衬底(C)的厚度(t_C)的比值(a)设置在从1.5到5.5的范围之内，以确保对第一焊料和第二焊料(H1，H2)中的每一个的温度应力的耐久性。

依照本发明的第二方面，提供一种依照第一方面的半导体器件，其中

第一焊料(H1)和第二焊料(H2)为由SnCu基、SnAg基或者SnAgCu基合金所形成的无铅焊料，并且不包含稀有金属。

依照本发明的第三方面，提供一种制备半导体器件的方法，该半导体器件包括由将第一金属板(M1)和第二金属板(M2)分别键合到绝缘衬底(C)的两个表面所形成的电路板(P)、通过第一焊料(H1)键合到第一金属板(M1)的外表面的至少一个半导体元件(S，S’)，以及通过第二焊料(H2)键合到第二金属板(M2)的外表面的散热底板(B)，

此方法包括步骤：