半导体器件及其制造方法.pdf

本发明提供减少在半导体元件和基板的接合部发生的气泡的半导体器件的制造方法。该方法包括：把具有小片装配接合电极(13)的LED芯片(10)安装在陶瓷基板(20)上的安装工序，所述安装工序包括：对所述陶瓷基板之上供给具有Au－Sn共晶焊料粒子(41)的焊料糊剂(40)的工序；在所述焊料糊剂之上，装配在所述小片装配接合电极之上形成有Sn膜(14)的所述LED芯片的工序；以及使所述Au－Sn共晶焊料粒子及所述Sn膜熔融、接合所述陶瓷基板和LED芯片的工序。

1.  一种半导体器件的制造方法，其包括把具有接合电极的半导体元件安装在基板上的安装工序，其特征在于，
所述安装工序包括：
对所述基板之上供给具有Au-Sn类焊料粒子的焊料糊剂的工序；
在所述焊料糊剂之上，装配在所述接合电极之上形成有包含Sn或Sn合金的膜的半导体元件的工序；和
使所述Au-Sn类焊料粒子以及所述包含Sn或Sn合金的膜熔融、接合所述基板和半导体元件的工序。

2.  一种半导体器件的制造方法，其包括把具有接合电极的半导体元件安装在基板上的安装工序，其特征在于，
所述安装工序包括：
对所述基板之上供给具有Sn类焊料粒子的焊料糊剂的工序；
在所述焊料糊剂之上，装配在所述接合电极之上形成有包含Au-Sn合金的膜的半导体元件的工序；和
使所述Sn类焊料粒子以及所述包含Au-Sn合金的膜熔融、接合所述基板和半导体元件的工序。

3.  一种半导体器件的制造方法，其包括把具有接合电极的半导体元件安装在基板上的安装工序，其特征在于，
所述安装工序包括：
对所述基板之上供给Au-Sn类的焊料片以及焊剂的工序；
在所述焊料片以及焊剂之上，装配在所述接合电极之上形成有包含Sn或Sn合金的膜的半导体元件的工序；和
使所述焊料片以及包含Sn或Sn合金的膜熔融、接合所述基板和半导体元件的工序。

4.  一种半导体器件的制造方法，其包括把具有接合电极的半导体元件安装在基板上的安装工序，其特征在于，
所述安装工序包括：
对所述基板之上供给Sn类焊料片以及焊剂的工序；
在所述焊料片以及焊剂之上，装配在所述接合电极之上形成有包含Au-Sn合金的膜的半导体元件的工序；和
使所述焊料片以及包含Au-Sn合金的膜熔融、接合所述基板和半导体元件的工序。

5.  一种半导体器件，其特征在于，具有：
半导体元件；
安装所述半导体元件的基板；和
在所述半导体元件和基板之间安装的、接合它们的接合部，
所述接合部从所述半导体元件一侧顺序具有：Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层、Sn量为大于等于22wt％的Au-Sn合金层、以及Ni-Sn合金层。

半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及小片装配接合半导体元件和基板的半导体器件的制造方法以及半导体器件。
背景技术
近年来，由于关于氮化镓(GaN)类化合物半导体的加工技术的发展、关于荧光体的技术的发展，半导体发光元件(以下称为LED：Light EmittingDiode，发光二极管)的应用领域正在飞跃扩大。
特别，组合能够发射从紫外光到可见光的波段的光的LED与适当的荧光体的半导体发光装置，因为能够得到在显色性方面优良的白色光，所以在液晶显示器的背光源、按钮照明、汽车的各种照明等的应用正日益增加。另外作为手电筒或者照相机的闪光灯的光源使用的高输出型的半导体发光装置的开发也正在发展。
近年来，如图10所示，把多个LED芯片安装在一个封装体内的新的封装体已经产品化。该封装体在陶瓷基板100之上，小片装配多个芯片200。
在陶瓷基板100上小片装配下连接(junction down)结构的LED芯片200的场合，如图11所示，因为陶瓷基板100的电极表面101由于Rz为3～7μm左右的粗糙度，用历来使用的2～3μm厚度的焊料片102(例如参照专利文献1)不能抵消陶瓷基板100的电极表面101的粗糙度，有时发生接合不良。
为解决这一问题，考虑把焊料片102的厚度做成和陶瓷基板100的电极表面101的粗糙度相同程度的方法。但是，因为陶瓷基板100的表面粗糙度也存在不均，所以在不均小的电极表面101上小片装配LED芯片200的场合，存在熔融的焊料从LED芯片的侧面挤出，接触LED芯片200的侧壁的问题。
【专利文献1】特开2003-234482号公报
为解决这些问题，如图12所示，正在研究作为辅助材料使用Au-Sn焊料糊剂110、使接合部的膜变厚的安装方法。在所述安装方式中，在陶瓷基板100上预先供给Au-Sn焊料糊剂110，在该Au-Sn焊料糊剂110之上装配在接合电极上形成有Au-Sn焊料片102的LED芯片200后，通过回流焊炉使焊料熔融。由于回流加热方式，因焊料的表面张力LED芯片200上升，具有能够防止焊料向LED芯片200的侧面溢出这样的优点。
但是，在LED芯片200小片装配接合面上生成Au-Sn焊料片102，把Au-Sn焊料糊剂110作为辅助材料供给的焊料接合方式中，存在在接合部发生很多气泡111的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题提出，其目的在于，提供能够良好接合半导体元件和基板的半导体器件的制造方法以及半导体器件。
为实现解决上述问题的目的，本发明的半导体器件的制造方法以及半导体器件如下构成。
(1)本发明的半导体器件的制造方法包括：把具有接合电极的半导体元件安装在基板上的安装工序，其中，所述安装工序包括：对所述基板之上供给具有Au-Sn类焊料粒子的焊料糊剂的工序；在所述焊料糊剂之上装配在所述接合电极之上形成有包含Sn或Sn合金的膜的半导体元件的工序；以及使所述Au-Sn类焊料粒子以及所述包含Sn或Sn合金的膜熔融、接合所述基板和半导体元件的工序。
(2)本发明的半导体器件的制造方法包括：把具有接合电极的半导体元件安装在基板上的安装工序，其中，所述安装工序包括：对所述基板之上供给具有Sn类焊料粒子的焊料糊剂的工序；在所述焊料糊剂之上装配在所述接合电极之上形成有包含Au-Sn合金的膜的半导体元件的工序；以及使所述Sn类焊料粒子以及所述包含Au-Sn合金的膜熔融、接合所述基板和半导体元件的工序。
(3)本发明地半导体器件的制造方法包括：把具有接合电极的半导体元件安装在基板上的安装工序，其中，所述安装工序包括：对所述基板之上供给Au-Sn类焊料片以及焊剂的工序；在所述焊料片以及焊剂之上装配在所述接合电极之上形成有包含Sn或Sn合金的膜的半导体元件的工序；以及使所述焊料片及包含Sn或Sn合金的膜熔融、接合所述基板和半导体元件的工序。
(4)本发明的半导体器件的制造方法包括：把具有接合电极的半导体元件安装在基板上的安装工序，其中，所述安装工序包括：对所述基板之上供给Sn类焊料片以及焊剂的工序；在所述焊料片以及焊剂之上装配在所述接合电极之上形成有包含Au-Sn合金的膜的半导体元件的工序；以及使所述焊料片及包含Au-Sn的膜熔融、接合所述基板和半导体元件的工序。
(5)半导体器件，具有半导体元件、安装所述半导体元件的基板和在所述半导体元件和基板之间安装的接合它们的接合部，所述接合部从所述半导体元件一侧顺序具有Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层、Sn量为大于等于22wt％的Au-Sn合金层、以及Ni-Sn合金层。
根据本发明，在半导体器件中，能够良好地接合半导体元件和基板。
附图说明
图1是装载涉及本发明的第一实施形态的下连接结构的LED芯片的半导体器件的构成图。
图2是涉及本实施形态的LED芯片的俯视图。
图3是涉及本实施形态的LED芯片的正视图。
图4是涉及本实施形态的LED芯片的仰视图。
图5是涉及本实施形态的陶瓷基板的平面图。
图6是涉及本实施形态的接合部的截面图。
图7是表示涉及本实施形态的LED芯片的小片装配工序的工序图。
图8是表示涉及本实施形态的回流曲线的曲线图。
图9是部分省略表示涉及本发明的第二实施形态的LED芯片的小片装配工序的工序图。
图10是在一个封装体内安装涉及现有例子的多个LED芯片的新封装体的半导体器件的立体图。
图11是使用涉及现有例子的电极表面粗糙的陶瓷基板的半导体器件的构成图。
图12是在涉及现有例子的接合部中气泡进入的半导体器件的构成图。
符号说明
10 LED芯片(半导体元件)，13小片装配接合电极(接合电极)，14 Sn膜(包含Sn或者Sn合金的膜)，20陶瓷基板(基板)，30接合部，32 Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层，33 Au-Sn焊料层(Au-Sn合金层)，34 Ni-Sn合金层，40焊料糊剂，41 Au-Sn共晶焊料粒子(Au-Sn类焊料粒子)，61 Au-Sn焊料片(焊料片)，62焊剂
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的第一实施形态和第二实施形态。
(第一实施形态)
首先使用图1～图8说明第一实施形态。
[半导体器件的结构]
图1是装载涉及本发明的第一实施形态的下连接结构的LED芯片10的半导体器件的构成图。如图1所示，该半导体器件具有LED芯片10(半导体元件)、陶瓷基板20、以及接合LED芯片10和陶瓷基板20的接合部30。
[LED芯片10的结构]
图2是涉及本实施形态的LED芯片10的俯视图，图3是涉及本实施形态的LED芯片10的正视图，图4是涉及本实施形态的LED芯片10的仰视图。如图2～图4所示，该LED芯片10，是在陶瓷基板20上进行小片装配前的芯片，具有近似锥台形状的芯片主体11。
芯片主体11的尺寸，在小片装配时位于陶瓷基板20侧的面11a(以下称“小片装配接合面”)约为0.3mm×0.3mm，在小片装配时位于陶瓷基板20相反侧的面11b(以下称“非小片装配接合面”)约为0.2mm×0.2mm，小片装配接合面11a和非小片装配接合面11b间约0.1mm。
在小片装配接合面11a上形成成为发光层的外延层12。该外延层12通过外延生长在半导体层(未图示)上堆积形成，在其之上形成接合于陶瓷基板20的小片装配接合电极13。
该小片装配接合电极13，以各种金属层作为坯料，在其表面上形成为改善焊料(后述)的浸润性的Ni膜(未图示)。
小片装配接合电极13的尺寸比小片装配接合面11a小，收置于小片装配接合面11a的内侧。此外，在本实施形态中，相对于使小片装配接合面11a约为0.3mm×0.3mm，把小片装配接合电极13做成约2.0mm×2.0mm。
在Ni膜的表面上，形成用于接合小片装配接合电极13和陶瓷基板20的布线22(后述)的Sn膜14(包含Sn或者Sn合金的膜)。Sn膜14的厚度约为2.0μm。
作为Sn膜14的材质，优选杂质少的Sn单体，但是不限于此，只要是含有Sn、且在焊料接合温度下熔融的材料，例如Sn-Cu合金或Sn-Zn合金等都可以。
另外，在小片装配接合电极13的周围，形成为防止焊料溢于其上的保护(passivation)膜(未图示)。作为保护膜的材质，使用聚酰亚胺等树脂。
另一方面，在非小片装配接合面11b上形成引线键合到陶瓷基板20的非小片装配接合电极16。该非小片装配接合电极16做成圆形，其尺寸为直径约0.1mm。
[陶瓷基板20的结构]
图5是涉及本实施形态的陶瓷基板20的平面图。如图5所示，该陶瓷基板20具有基体材料21和布线22。基体材料21，以氧化铝为坯料，其尺寸约为5.0mm×5.0mm×0.3mm。
布线22，以钨作为坯料，在其表面形成确保其和焊料接合的Ni膜(未图示)。Ni膜的厚度约为5.0μm。
布线22的宽度，根据基体材料21的部位而不同，但是在小片装配接合LED芯片10的部分a比LED芯片10的小片装配接合面11a宽。此外，在本实施形态中，相对于使小片装配接合面11a约为0.3mm×0.3mm，使布线22的宽度约为0.4mm。
在Ni膜的表面上形成为防止Ni膜氧化的Au膜(未图示)。Au膜的厚度约为0.5μm。作为Ni膜以及Au膜的制造方法，使用电解镀敷等。
此外，该陶瓷基板20，因为通过焙烧形成，所以布线22的表面粗糙，Rz为3.0μm～7.0μm左右。
[接合部30的结构]
图6是涉及本实施形态的接合部30的截面图。如图6所示，该接合部30，从LED芯片10一侧顺序具有Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层32、Au-Sn合金层33、以及Ni-Sn合金层34。
Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层32，是在小片装配接合电极13上形成的Ni膜(未图示)中所包含的Ni、和在小片装配接合电极13上形成的Sn膜14以及焊料糊剂40(后述)的Au-Sn共晶焊料粒子41中所包含的Sn的合金层。
Au-Sn合金层33是焊料糊剂40的Au-Sn共晶焊料粒子41的Sn、和在小片装配接合电极13上所形成的Sn膜14的Sn熔融、凝固后的层。此外，Au-Sn共晶焊料粒子41的Sn量是20％(后述)，但是，由于Sn膜14的存在，Au-Sn合金层33的Sn量成为大于等于22wt％。
Ni-Sn合金层34，是在陶瓷基板20上形成的Ni膜(未图示)中所包含的Ni和在焊料糊剂40的Au-Sn共晶焊料粒子41中所包含的Sn的合金层。
这里重要的是，Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层32的至少一部分，包含：在小片装配接合电极13上所形成的Ni膜的Ni和在小片装配接合电极13上形成的Sn膜14中所包含的Sn。
[LED芯片10的小片装配工序]
图7是表示涉及本实施形态的LED芯片10的小片装配工序的工序图。首先，如图7(a)所示，向陶瓷基板20的布线22之上通过分配器供给作为辅助材料的焊料糊剂40。
作为焊料糊剂40使用混合有Au-Sn共晶焊料粒子41(Au-Sn类焊料粒子)和焊剂42的材料。Au-Sn共晶焊料粒子41，组成比是Au80wt％-Sn20％，熔点是280℃。Au-Sn共晶焊料粒子41的尺寸为小于等于20μm。
此外，在本实施形态的焊料糊剂40中，使用Au-Sn共晶焊料粒子41，但是只要是Au-Sn合金，就不特别限定。另外，也可以为在Au-Sn合金中添加其他元素的材料。
焊料糊剂40的供给形状是圆锥状，而且比LED芯片10的小片装配接合电极13小。此外，在本实施形态中，相对于使小片装配接合电极13为2.0mm×2.0mm，使焊料糊剂40为φ0.25mm，高度为0.05mm。
该供给形状，可以使用用(株)武藏工程制造的内径0.15μm的精密针，使用市场上销售的分配器以0.05秒施加1.0kgf的压力实现。
接着，如图7(b)所示，在焊料糊剂40之上装配LED芯片10。为装配LED芯片10，使用市场上销售的小片装配器。
接着，如图7(c)所示，使在陶瓷基板20的焊料糊剂40上装配有LED芯片10的部件(以下称“样品”)通过回流焊炉，使焊料糊剂40的Au-Sn共晶焊料粒子41、以及LED芯片10的Sn膜14熔融、凝固。
图8是表示涉及本实施形态的回流曲线的曲线图。如图8所示，在该回流曲线中，使在60秒内从室温以一定速度上升到300℃，维持该温度2～3秒后，冷却到室温。
在回流焊期间，在小片装配接合电极13的Ni膜附近，在Sn膜14以及焊料糊剂40中所包含的Sn扩散到Ni膜侧，通过把它们混合，形成所述Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层32。另外，在陶瓷基板20的Ni膜附近，焊料糊剂40中所包含的Sn扩散到Ni膜侧，通过把它们混合，形成所述Ni-Sn合金层34。另外，在小片装配接合电极13和布线22的中间部分，通过焊料糊剂40的Au-Sn共晶焊料粒子41、以及在小片装配接合电极13上所形成的Sn膜14熔融、凝固，形成所述Au-Sn合金层33。
这样，在LED芯片10和陶瓷基板20之间，形成具有：所述Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层32、所述Sn量为大于等于22wt％的Au-Sn合金层33、以及所述Ni-Sn合金层34的所述接合部30。
此外，为防止焊料糊剂40的再氧化，把回流焊炉内的氧浓度设定为小于等于500ppm。
接着，如图7(d)所示，清洗作为焊剂42的残留物的焊剂残渣42a。焊剂残渣42a的清洗，例如把样本浸渍到异丙醇中，施加38kHz的超声波约15分钟左右而进行。通过上述步骤完成LED芯片10的小片装配工序。
在该小片装配工序中重要的是Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层32的至少一部分包含：在小片装配接合电极13的Ni膜中所包含的Ni和在Sn膜14中所包含的Sn。换言之，在Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层32的形成中，使用Sn膜14的Sn。
在现有的半导体器件中，在接合部30的LED芯片10一侧的区域中，也形成Ni-Sn合金层，但是该Ni-Sn合金层包含：在小片装配接合电极13的Ni膜中所包含的Ni和在焊料糊剂40中所包含的Sn。
因此，如果形成Ni-Sn合金，焊料糊剂40中的Sn含有率降低，使焊料糊剂的凝固点上升。如果凝固点上升，在Au80wt％-Sn20wt％的状态下可作为液体存在的焊料糊剂，不能作为液体存在而凝固。
其结果，在焊料糊剂内发生的气泡逸散前焊料凝固，在形成的半导体器件的接合部有时残留气泡。如果在接合部中存在气泡，则成为LED芯片10的散热效率降低、在接合部发生的裂纹发展等的原因。
但是，在本实施形态中，焊料接合时Sn膜14的Sn熔融，向焊料材料内扩散。此时，利用小片装配接合电极13的表面的相变，焊料糊剂40的溶剂成分引起的气体向焊料糊剂40的外面的传送变容易，在Sn膜14的熔融物、即Sn和焊料糊剂40混合而成的合金凝固形成接合构件的期间气体逸散，在接合部30内难于产生气泡。
[本实施形态的作用]
根据本实施形态，在LED芯片10的小片装配接合电极13上形成Sn膜14，用该Sn膜14和焊料糊剂40接合小片装配接合电极13和陶瓷基板20的布线22。
因此，在Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层32的形成中，因为使用Sn膜14的Sn，所以可以防止Au-Sn合金层33中的Sn向小片装配接合电极13的Ni膜扩散，而且通过先使Sn膜14熔融，可促进焊料向小片装配接合电极13的浸润，并因为在Sn扩散期间凝固变慢而使气泡容易逸散，所以能够得到在接合部30中几乎不存在气泡的可靠性高的半导体器件。
(第二实施形态)
下面使用图9说明本发明的第二实施形态。
[LED芯片10的小片装配工序]
图9是部分省略表示涉及本发明的第二实施形态的LED芯片10的小片装配工序的工序图。如图9所示，在本实施形态中，代替焊料糊剂40，使用作为辅助材料的Au-Sn焊料片61(Au-Sn焊料片)和焊剂62。Au-Sn焊料片61的尺寸，和小片装配接合电极13大体相同，厚度为10μm。
在LED芯片10的小片装配工序中，在陶瓷基板20的布线22上载置Au-Sn焊料片61，滴下焊剂62后，在其之上装配LED芯片10。此外，回流焊或清洗等因为和第一实施形态相同，所以省略。
[本实施形态的作用]
这样，即使代替焊料糊剂40，使用Au-Sn焊料片61和焊剂62，也能得到和上述实施形态同等的效果。关于其他的效果，因为和第一实施形态相同，所以省略。
此外，在第一、第二实施形态中，在LED芯片10一侧形成Sn膜14，在辅助材料一侧使用Au-Sn共晶焊料粒子41、Au-Sn焊料片61，但是不限于此，例如，也可以在LED芯片10一侧形成Au-Sn类共晶焊料片，在辅助材料一侧使用Sn焊料粒子、Sn焊料片。
再有，在第一、第二实施形态中，在LED芯片10一侧形成Sn膜14，在形成Ni-Sn合金层或者Ni-Au-Sn合金层32时，使用该Sn膜14的Sn，但是不限于此。例如，也可以在陶瓷基板20的布线22上形成Sn或者Sn合金的膜，在Ni-Sn合金层34的形成中，从该Sn膜或者Sn合金膜供给Sn。
另外，在第一、第二实施形态中，用数值规定LED芯片10和陶瓷基板20等的尺寸，但是不限于此。亦即，第一、第二实施形态规定的各数值不过是一例。
再有，在第一、第二实施形态中，作为基板使用陶瓷基板20，但是不限于此，例如，也可以使用铜框等金属框。同样，在第一、第二实施形态中，作为半导体元件使用LED芯片10，但是不限于此，只要在小片装配接合面上有电极，可以适用于任何构件。
本发明，不限于所述实施形态原样不变，而可以在实施阶段在不脱离其要义的范围内变形构成要素而具体化。另外，通过适当组合在所述实施形态中公开的多个构成要素能够形成各种发明。例如，也可以从实施形态中表示的全部构成要素中去除几个构成要素。再有，也可以适当组合在不同实施形态中使用的构成要素。