專利名稱：接合結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用了玻璃和焊錫的接合結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
作為以前的接合方式，已知在連接部中使用了焊錫(例如，參照專利文獻1)。在專 利文獻1中，用焊錫對基板間進行接合，以保護形成在基板上的導體層和延長基板壽命為 目的，用玻璃覆蓋導體層和基板表面。專利文獻1 日本特開2009-182238號公報當前，在例如汽車發(fā)動機室內(nèi)等200°C以上的高溫環(huán)境的區(qū)域的基板和功能元件 的導體層進行電接合中所使用的接合材料使用了含有1 的焊錫。作為能在高溫環(huán)境下使 用的接合材料，由于至今還沒有代替含85%以上1 的Sn-Pb焊錫的技術(shù)，因此，根據(jù)在對 Pb等的存在有害性的物質(zhì)加以限制的RoHS指令(Restriction of Hazardous Substances) 許可使用Sri+b焊錫。但是，預(yù)計今后也會禁止使用Sri+b焊錫。該情況下的問題在于，除 了 Sn-Pb焊錫以外，還不存在能夠在200°C以上的高溫環(huán)境下長時間維持高可靠性接合的 接合材料。因此要求一種代替Sn-Pb焊錫而能夠在高溫環(huán)境下維持高可靠性接合的接合技 術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述問題，并提供一種接合部耐高溫環(huán)境，能夠維持高可 靠性接合的接合方式。為了達到上述目的，本發(fā)明中利用焊錫和玻璃來接合第一部件和第二部件。這時， 通過使玻璃封閉焊錫的方式來用玻璃抑制在高溫下熔化的焊錫的流出。本發(fā)明的效果如下。根據(jù)本發(fā)明，由于是用玻璃覆蓋焊錫接合部的接合方式，因此，即使在焊錫的熔點 以上的高溫環(huán)境下焊錫熔化，焊錫也不會向接合部的周圍流出，因而能夠在高溫環(huán)境下用 玻璃來保持接合部的強度，能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫環(huán)境下使用的部件的接合。此外，根據(jù)本發(fā)明，由于焊錫接合部被玻璃覆蓋，因此耐氣候性優(yōu)良。


圖1是表示將本發(fā)明的一個實施例的功能元件安裝在基板上之前的狀態(tài)的剖視 圖。圖2是表示將本發(fā)明的作為基本結(jié)構(gòu)的功能元件安裝在基板上的狀態(tài)的剖視圖。圖3是表示將本發(fā)明的作為基本結(jié)構(gòu)的功能元件安裝在基板上之前的狀態(tài)的剖 視圖，是表示去掉了形成在焊錫上的玻璃的一部分的狀態(tài)的剖視圖。圖4是表示將本發(fā)明的作為基本結(jié)構(gòu)的功能元件安裝在基板上之前的狀態(tài)的剖 視圖，是表示在功能元件的接合面?zhèn)人纬傻膶w層的一部分上形成有凹凸形狀的導體層的狀態(tài)的剖視圖。圖5是表示本發(fā)明的第二實施方式的圖。圖6是表示本發(fā)明的第二實施方式的圖。圖7是表示本發(fā)明的第二實施方式的圖。圖8是表示本發(fā)明的第二實施方式的圖。圖中1-功能元件，2-第一導體層(功能元件的接合面?zhèn)?，3-焊錫，4-玻璃，5-基板， 6-第二導體層(功能元件的接合面的相反側(cè))，7-第三導體層(基板1的接合面?zhèn)?，8-凸 起形狀的焊錫或金屬，9-凸起狀的導體層。
具體實施例方式以下，參照圖1至圖8，對本發(fā)明的對基板與基板以及基板與功能元件進行接合， 用玻璃覆蓋接合部的接合方式、以及用玻璃覆蓋焊錫的方式制作的接合材料的制造方法進 行說明。實施例1用圖1至圖4，對本發(fā)明的第一實施方式的、在200°C以上的高溫環(huán)境下使用的二 極管等的功能元件1的接合進行說明。圖2是本實施例的接合結(jié)構(gòu)的剖視圖。功能元件1通過焊錫3和玻璃4接合在基 板5上。功能元件1是例如以SiC為主要成分的功率半導體，在其主面上形成有導電層2、 6?；?是例如以SiC為主要成分的基板、金屬芯基板等的散熱性優(yōu)良的基板，在該功能 元件1側(cè)的主面上形成有導體層7。在本實施例中，通過用焊錫接合基板5和功能元件1， 而電連接基板5上的導體層7與功能元件1上的導體層2。另外，通過用玻璃4覆蓋接合部 的焊錫3，使其散熱性優(yōu)良，即使在使用環(huán)境是200°C以上的高溫中也能夠維持長時間的接 合可靠性。玻璃4也對基板5和功能元件1進行接合，并且封閉焊錫3。已知玻璃是玻璃 料、玻璃漿等接合部件和封閉部件，能夠?qū)崿F(xiàn)牢固且耐熱性高的接合。但是，玻璃由于導電 性低，因此不能夠作為導體來使用。在本實施例中，以焊錫3確保導電性，用玻璃4封閉焊 錫進行接合，從而提高了耐熱性。例如，通過使用比焊錫3熔點高的玻璃作為玻璃4，即使焊 錫3熔化了，由于被玻璃封閉住，因而焊錫3也不會立即流出，當溫度降低時，焊錫3又凝固 成原樣。從而，利用焊錫3和玻璃4的接合，能夠提高耐久性和耐熱性。再有，作為進行連接的對象，本實施例中設(shè)為基板5和功能元件1，但不限定于此， 只要是連接兩個以上的部件，任何部件都能適用。作為功能元件1，不限定于功率半導體，各 種種類的功能元件都能適用，但在功率半導體等容易變成高溫的功能元件的情況下，尤其 能夠發(fā)揮高耐熱性的效果。此外，作為功率半導體，不限定于SiC，也能適用于GaN等。此 外，通過在使用焊錫中不含有1 的焊錫，使用在玻璃中不含有1 的玻璃，即使根據(jù)RoHS指 令限制Sn-H3焊錫之后，也不會被限制使用。為了從外部向作為功能元件1的功率半導體 送電以及對從功率半導體發(fā)生的熱進行散熱，第一導體層2、第二導體層6和第三導體層7， 使用Cu或Cu合金、Al或Al合金、Ni或Ni合金的金屬、或者由Au或Au合金構(gòu)成的金屬來 形成。下面，對本實施例的接合結(jié)構(gòu)的大致的形成工藝進行說明。
圖1是在基板5上安裝功能元件1之前的剖視圖。圖3是在基板5上安裝功能元 件1之前去掉了形成在焊錫3的接合面?zhèn)鹊牟Ａ?的狀態(tài)的剖視圖。圖2是在基板5上安 裝了功能元件1之后的完成的接合結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖4是在基板5上安裝已在功能元件1 的接合面?zhèn)鹊囊徊糠稚闲纬闪司哂邪纪剐螤畹膶w層2的上述功能元件1之前的剖視圖。首先，在基板5的接合面?zhèn)龋ㄟ^采用光刻技術(shù)的半導體工藝形成作為電極的第 三導體層7。接著，利用蒸鍍、飛濺、電鍍或者網(wǎng)板印刷技術(shù)，在導體層7上形成焊錫3。利 用網(wǎng)板印刷技術(shù)印刷玻璃4，使完全覆蓋所形成的焊錫。然后，將印刷有上述玻璃4的基板 放置在100°C至150°C程度的溫度環(huán)境中，干燥玻璃4。之后，在接合作為功能元件1的功率 半導體之前，如圖3所示，通過研磨等去掉接合功能元件1的一側(cè)的主面的玻璃4，使焊錫 3露出。由此，在將功率半導體接合在基板5上時，形成在功率半導體側(cè)的第一導體層2與 焊錫3的露出部分接觸。之后，通過以加熱狀態(tài)保持在能夠用玻璃4接合功率半導體和基 板7的溫度下，對基板5和功能元件1進行接合，然后進行冷卻，能夠同時實現(xiàn)使用了玻璃 4的接合和使用了焊錫3的金屬性接合。這時，由于加熱而焊錫3熔化，玻璃4軟化但并不 完全熔化，因此，焊錫3和玻璃4只有很少量混雜，能夠以獨立的狀態(tài)接合。由于玻璃相對 于可連接溫度耐久溫度更高，因此所完成的連接結(jié)構(gòu)成為耐熱性高的結(jié)構(gòu)。此外，在接合作為功能元件的功率半導體之前，如圖4所示，也可以通過使第一導 體層2成為凹凸形狀來省略去掉玻璃的工序。凹凸形狀可以通過使用復制術(shù)、納米刻印技 術(shù)以及使用溶液的濕蝕刻來形成凹凸形狀。優(yōu)選凹凸大于焊錫3上的玻璃4的厚度。由此， 為了在基板5上接合功率半導體進行加熱時，由第一導體層2的凸部刺破軟化狀態(tài)的玻璃 4，使第一導體層2與焊錫3相接觸，從而能夠用玻璃4接合功率半導體和基板7。根據(jù)本發(fā)明，由于是用玻璃4覆蓋焊錫接合部的接合方式，因此，即使在焊錫熔點 以上的高溫環(huán)境下焊錫被熔化，焊錫也不會向接合部的周圍流出，因而能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫環(huán) 境下使用的部件的接合。此外，根據(jù)本發(fā)明，由于用玻璃覆蓋焊錫接合部，焊錫接合部周邊用該玻璃接合， 因此，即使在高溫環(huán)境下焊錫被熔化，也能夠用玻璃來確保接合部的強度。因此，不需要以 使用用于加強接合部的強度的底部填充膠(underfill)，能夠減少底部填充膠的材料費用 和向接合部注入底部填充膠的工序。此外，根據(jù)本發(fā)明，由于采用了用玻璃4覆蓋焊錫接合部的接合方式，因此，即使 在焊錫熔點以上的高溫環(huán)境下焊錫被熔化，焊錫也不會向接合部的周圍流出，因而能夠在 高溫環(huán)境下維持焊錫熔化的狀態(tài)，從而能夠降低因被接合材料的熱膨脹系數(shù)之差所產(chǎn)生的 熱應(yīng)力。實施例2下面，使用圖5至圖8，對本發(fā)明的第二實施方式進行說明。在第二實施方式中，與 第一實施方式的不同點在于，取代使用焊錫3進行的接合，而使用凸起(bump)形狀的接合 金屬(焊錫或金屬)8進行接合。圖5是在基板5上安裝功能元件1之前的剖視圖。圖6是在基板5上安裝了功能 元件1之后的剖視圖。圖7是在基板5上安裝功能元件1之前去掉了形成在凸起形狀的焊 錫或金屬8的接合面?zhèn)鹊牟Ａ?的狀態(tài)的剖視圖。圖8是在基板5上安裝已在功能元件1 的接合面?zhèn)鹊囊徊糠稚闲纬闪司哂邪纪剐螤畹膶w層2的上述功能元件1之前的剖視圖。
所完成的接合結(jié)構(gòu)如圖6所示，基板5和功能元件1通過玻璃4和被玻璃4封閉 的凸起狀接合部件8來接合，與實施例1同樣地具有高耐久性和耐熱性。另外，由于利用多 個接合金屬8進行接合，因此也能適用于微細配線圖案。在本實施例中的接合結(jié)構(gòu)的制造方法中，與實施例1同樣地在基板5上形成接合 金屬8，在接合金屬8上面形成玻璃4，如圖7所示地去掉玻璃4的一部分，通過加熱使接合 金屬8和玻璃4熔化而接合功能元件1。在此，如圖8所示，通過使形成在功能元1側(cè)的接 合金屬8成為前端尖的凸起形狀的金屬，從而使凸起形狀能夠刺破玻璃后接合，能夠省略 去掉玻璃4的一部分的工序。通過采用如上所述的第二實施方式，還能適用于微細配線圖案的安裝。實施例3下面，對本發(fā)明的第三實施方式進行說明。第三實施方式是在第一和第二實施方 式中說明的焊錫3的表面上進一步形成有Ag膜或Au膜，在形成Ag膜的情況下進一步在 Ag膜的表面上形成Au膜，防止焊錫表面的氧化。Ag膜是0. 1 μ m程度的厚度，發(fā)揮防氧化 功能，尤其是對非焊劑的連接工藝有效的技術(shù)。但是，Ag膜或Au膜的形成不是必須的。例 如，在能使用焊劑的情況下和即使不進行焊錫表面的防氧化處理也能夠形成良好的連接的 情況下，有時也不需要形成Ag膜或Au膜。如以上說明的，根據(jù)第三實施方式，由于不需要在焊錫上涂覆用于提高焊錫粘著 性的焊劑、也不需要清洗焊劑，因此還能防止因焊劑殘渣腐蝕配線部導致電子部件發(fā)生故障。
權(quán)利要求
1.一種接合結(jié)構(gòu)，接合第一部件和第二部件而成，其特征在于， 由焊錫連接上述第一部件和上述第二部件，利用玻璃封閉上述焊錫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，上述第一部件和上述第二部件是利用上述焊錫和上述玻璃接合的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，上述焊錫的整體被上述第一基板和第二基板及上述玻璃覆蓋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，上述第一基板和上述第二基板在與上述焊錫接合的部分具有導體層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，上述第一部件和第二部件的導體層的材料是Cu或Cu合金、Al或Al合金、Ni或Ni合 金的金屬、或者Au或Au合金的任一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，在上述接合方式中使用的焊錫的表面形成有層疊Ag、Au或Ag和Au而構(gòu)成的膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，在上述焊錫的表面通過蒸鍍、飛濺或電鍍形成上述層疊Ag、Au或Ag和Au而構(gòu)成的膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，在上述第一部件與上述第二部件之間形成有多個上述焊錫和封閉上述焊錫的玻璃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于， 上述第一部件是基板，上述第二部件是功能元件。
10.一種接合結(jié)構(gòu)的制造方法，該接合結(jié)構(gòu)接合上述第一部件和第二部件而成，該方法 的特征在于，包括在第一基板的表面上形成焊錫圖案的工序；在上述焊錫圖案的上面，以覆蓋焊錫圖案的方式形成玻璃的工序；對上述焊錫圖案和上述玻璃接合上述第二部件，使得上述玻璃封閉上述焊錫圖案的工序。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的接合結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括以下工序在接合上述第二基板前，去掉上述玻璃的一部分，使上述焊錫圖案露出O
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的接合結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于， 在上述第二部件上具有接合于上述焊錫圖案的導體層， 上述導體層具有凹凸形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的接合結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于， 在上述第二部件上具有接合于上述焊錫圖案的導體層， 上述導體層具有凸起形狀。
全文摘要
本發(fā)明代替含有Pb的焊錫的能夠在高溫環(huán)境下維持高可靠性接合的接合材料，提供一種接合部耐高溫環(huán)境，且能夠維持高可靠性接合的接合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在第一部件(5)和第二部件(1)的接合結(jié)構(gòu)中，利用焊錫(3)和玻璃(4)接合第一部件(5)和第二部件(1)，通過玻璃(4)封閉焊錫(3)來確保導電性，同時能夠抑制在高溫時因焊錫熔化而流出，從而提高耐久性。
文檔編號H01L23/00GK102117781SQ20101058011
公開日2011年7月6日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者坂本英次, 秦昌平 申請人:株式會社日立制作所