(57)【要約】      （修正有）【課題】耐熱衝撃性を向上することができるはんだ及びダイボンド構造を提供する。【解決手段】車載用半導体装置１は、被接合部材としての金属回路基板１０にベア素子２０が高温鉛フリーはんだ３０によりダイボンディングされている。はんだ３０は、Ｚｎを主成分とし、インジウムを６〜８質量％含有する。ビスマス（Ｂｉ）、リン（Ｐ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）を含有するものであってもよい。さらに、アルミニウムを含有するとよく、特に、アルミニウムの含有量は５質量％であり、ゲルマニウムの含有量は０．１質量％であるとよい。【選択図】図１
2014151364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを主成分とし、インジウムを６〜８質量％含有することを特徴とするはんだ。
【請求項２】
更にビスマスを含有することを特徴とする請求項１に記載のはんだ。
【請求項３】
更にリンおよびゲルマニウムを含有することを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ。
【請求項４】
更にアルミニウムを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ。
【請求項５】
アルミニウムの含有量は５質量％であり、ゲルマニウムの含有量は０．１質量％であることを特徴とする請求項４に記載のはんだ。
【請求項６】
Ｚｎを主成分とし、インジウムのみを混入することを特徴とするはんだ。
【請求項７】
半導体チップがはんだを介して被接合部材に接合されたダイボンド構造において、
前記はんだは、Ｚｎを主成分とし、インジウムを含有することを特徴とするダイボンド構造。
【請求項８】
前記インジウムを６〜８質量％含有することを特徴とする請求項７に記載のダイボンド構造。
【請求項９】
更にアルミニウムを含有することを特徴とする請求項７または８に記載のダイボンド構造。
【請求項１０】
アルミニウムの含有量は５質量％であり、ゲルマニウムの含有量は０．１質量％であることを特徴とする請求項９に記載のダイボンド構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ及びダイボンド構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高温はんだの鉛フリー化は、既に実用化されている低温はんだとは異なり技術的な課題が多く、未だ実用化には至ってはいない。しかし、最近の開発の進展により近い将来の可能性を抱かせるような候補材料が最近、出つつある。そうした候補材料の一つとして、Ｚｎを主材とし、Ａｌ、Ｇｅ等を微量添加して融点を下げて電子部品の組み立てなどで用いるのに好適な融点を有するものとする技術が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８５０１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えばダイボンド用のはんだとして、耐熱衝撃性の向上が望まれている。
本発明の目的は、耐熱衝撃性を向上することができるはんだ及びダイボンド構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明では、Ｚｎを主成分とし、インジウムを６〜８質量％含有することを要旨とする。
請求項１に記載の発明によれば、Ｚｎを主成分とし、インジウムを６〜８質量％含有するので、耐熱衝撃性が向上する。
【０００６】
請求項２に記載のように、請求項１に記載のはんだにおいて、更にビスマスを含有するとよい。
請求項３に記載のように、請求項１または２に記載のはんだにおいて、更にリンおよびゲルマニウムを含有するとよい。
【０００７】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだにおいて、更にアルミニウムを含有することを要旨とする。
請求項４に記載の発明によれば、成形性を向上させることができる。
【０００８】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載のはんだにおいて、アルミニウムの含有量は５質量％であり、ゲルマニウムの含有量は０．１質量％であることを要旨とする。
請求項５に記載の発明によれば、濡れ性を向上させることができる。
【０００９】
請求項６に記載の発明では、Ｚｎを主成分とし、インジウムのみを混入することを要旨とする。
請求項６に記載の発明によれば、Ｚｎを主成分とし、インジウムのみを混入するので、耐熱衝撃性が向上する。
【００１０】
請求項７に記載の発明では、半導体チップがはんだを介して被接合部材に接合されたダイボンド構造において、前記はんだは、Ｚｎを主成分とし、インジウムを含有することを要旨とする。
【００１１】
請求項７に記載の発明によれば、はんだは、Ｚｎを主成分とし、インジウムを含有するので、耐熱衝撃性が向上する。
請求項８に記載のように、請求項７に記載のダイボンド構造において、前記インジウムを６〜８質量％含有するとよい。
【００１２】
請求項９に記載の発明では、請求項７または８に記載のダイボンド構造において、更にアルミニウムを含有することを要旨とする。
請求項９に記載の発明によれば、成形性を向上させることができる。
【００１３】
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載のダイボンド構造において、アルミニウムの含有量は５質量％であり、ゲルマニウムの含有量は０．１質量％であることを要旨とする。
【００１４】
請求項１０に記載の発明によれば、濡れ性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、耐熱衝撃性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態における半導体装置の概略正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、車載用半導体装置１は、被接合部材としての金属回路基板１０に半導体チップとしてのベア素子２０が、はんだ３０によりダイボンディングされている。はんだ３０は、高温鉛フリーはんだである。また、金属回路基板１０にチップ部品（チップ抵抗等）４０が、はんだ５０，５１により接合されている。はんだ５０，５１は、低温はんだである。
【００１８】
金属回路基板１０は、金属板１１の上面に絶縁層１２が形成されているとともに絶縁層１２の上面には導体パターン１３，１４，１５が形成されている。金属板１１はアルミニウム（あるいは銅）よりなる。絶縁層１２は樹脂等よりなる。導体パターン１３，１４，１５は銅（あるいはアルミニウム）よりなる。なお、導体パターン１３，１４，１５でアルミニウムを採用する場合、はんだ付け部分にはメッキ処理されていることが望ましい。
【００１９】
半導体装置１の組み立ての際には、金属回路基板１０を用意する。金属回路基板１０は、金属板１１の上面に絶縁層１２が形成されているとともに絶縁層１２の上面には導体パターン１３，１４，１５が形成されている。そして、金属回路基板１０の導体パターン１３の上に、薄い板状の高温鉛フリーはんだをフラックスを用いないで配置し、その上にベア素子２０を配置してリフローして、はんだ（高温鉛フリーはんだ）３０によりベア素子２０をダイボンディングする。その後、金属回路基板１０の導体パターン１４，１５の上に、クリームはんだ（低温はんだ）を印刷してその上にチップ部品４０を配置しリフローして、はんだ（低温はんだ）５０，５１によりチップ部品４０を接合する。詳しくは、チップ部品４０の電極４０ａと導体パターン１４とをはんだ（低温はんだ）５０により接合するとともにチップ部品４０の電極４０ｂと導体パターン１５とをはんだ（低温はんだ）５１により接合する。このようにして、階層はんだ付けにより金属回路基板１０にベア素子２０とチップ部品４０を実装する。
【００２０】
はんだ３０は、Ｚｎを主成分とし、微量金属であるインジウム（Ｉｎ）を含有する。これにより、特性改善、具体的には耐熱衝撃性の向上が図られている。インジウム（Ｉｎ）は好ましくは６〜８質量％含有するとよい。また、更にビスマス（Ｂｉ）、リン（Ｐ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）を含有するものであってもよい。さらに、アルミニウムを含有するとよく、特に、アルミニウムの含有量は５質量％であり、ゲルマニウムの含有量は０．１質量％であるとよい。
【００２１】
上記はんだ３０は、例えば、Ｚｎ系はんだにＩｎ等を添加することにより得られる。
Ｚｎ系はんだは、主成分のＺｎ以外にも、Ａｌ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｃｕを含んでいてもよい。具体的には、Ｚｎ−５Ａｌ−０．１Ｇｅ、Ｚｎ−５Ａｌ、Ｚｎ−５Ａｌ−０．０５Ｍｇ、Ｚｎ−５Ａｌ−０．１２Ａｇ、Ｚｎ−５Ａｌ−０．２Ａｇ、Ｚｎ−５Ａｌ−２Ａｇ、Ｚｎ−５Ａｌ−０．１Ｃｕ、Ｚｎ−５Ａｌ−０．５Ｃｕ、Ｚｎ−５Ａｌ−１Ｃｕ、Ｚｎ−６Ａｌ−５Ｇｅが挙げられる。
【００２２】
以下、はんだの一例を説明する。
はんだ（高温鉛フリーはんだ）３０は、Ｚｎ−Ａｌ系の高温鉛フリーはんだであるＺｎ−５Ａｌ−０．１Ｇｅはんだに対し、微量金属であるＩｎ（インジウム）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｐ（リン）を添加したものである。
【００２３】
Ｉｎ（インジウム）について、Ｉｎは添加することで融点を下げることができるが、この作用以外に、発明者は金属回路基板における低温鉛フリーはんだ実装の開発において、応力集中を緩和し、耐熱衝撃性を大幅に向上させる作用があることを見出した。これは、Ｉｎが展性、延性に富むことにより、添加することで硬さと脆さを改善させることによると思われる。
【００２４】
これに基づき、Ｚｎ系はんだ（特にＺｎ−５Ａｌ−０．１Ｇｅはんだ）においても、特に金属回路基板１０への実装時に問題となる耐熱衝撃性を大幅に向上させることができる。しかし、耐熱衝撃性を狙うことにのみ囚われ、あまり添加量を増やすとＩｎは高価な金属であるため含有量を増やしすぎるとコストアップに繋がる。また、融点を必要以上に下げ過ぎてしまい、さらに、含有量が多いと１１０〜１２０℃近辺の環境下に長時間晒された場合に巣状の変形変質が生じ易くなる。よって、Ｉｎの添加量は０．５〜２０質量％の範囲、より好ましくは６〜８質量％であるとよい。
【００２５】
なお、上記の耐熱衝撃性とコストアップ抑制のためだけに添加量を設定すると逆に融点を十分に下げられないことが起こりうるために下記のＢｉと組み合わせた添加が効果的である。
【００２６】
Ｂｉ（ビスマス）について、ＢｉはＩｎと同様、添加することで融点を下げることができるが、その反面、Ｂｉの添加ははんだを硬く脆くしてしまい、これは耐熱衝撃性の低下に繋がる。
【００２７】
発明者は金属回路基板における低温鉛フリーはんだ実装の開発において、Ｂｉを上記Ｉｎと適切な比率で同時添加することで、Ｉｎによって耐熱衝撃性を大幅に向上させるとともに、機械的強度をも向上させることができることを見出した。また、Ｂｉの融点低下作用も併せて得られるため、高価なＩｎの添加量を増やすことなく、効果的に融点を必要温度まで低下させることができる。このＢｉの添加量は上記Ｉｎの添加量の下、０〜５質量％の範囲、より好ましくは０．５質量％であるとよい。
【００２８】
Ｐ（リン）について、ＰはＺｎ以上に酸化し易く、はんだ表面に酸化膜を形成する。即ち、Ｐの酸化によりＺｎの還元とその後の酸化膜形成による保護で再酸化を抑制し、酸化し易いＺｎ系はんだにおいてもはんだ濡れ性を向上させることができる。なお、ベースとなるはんだに配合されるＧｅにも同様の作用があるため、相乗効果が期待できる。ただし、Ｐの添加量を多くし過ぎると、はんだ付け性、信頼性をかえって損なうことになるため、適正量の添加が肝要である。このＰの添加量は０〜５質量％の範囲、より好ましくは０．１質量％であるとよい。
【００２９】
これらを考慮したＩｎとＢｉとＰを含有した場合の一例として、例えば、Ｉｎを８質量％、Ｂｉを０．５質量％、Ｐを０．１質量％含有するものを挙げることができる。
次に、作用を説明する。
【００３０】
Ｉｎを含有していないＺｎ−５Ａｌ−０．１Ｇｅはんだは、融点が３８２℃である。この温度は、鉛高温はんだＳｎ５の約３０４℃を上回り且つ４００℃を下回り、階層はんだ付け、或いは化合物半導体の高温動作の使用に耐えうるとともに、実装部品、基板等の熱損傷を抑えうる。また、成形性がよく、冷間圧延によるリール、ペレット加工が可能で、ダイボンド用途に適用可能である。さらに、濡れ性もよく、真空炉の使用によりボイド低減が可能である。しかしながら、Ｐｂはんだと比べると固くて脆く、熱衝撃によりクラックが進展し易い。特に、発熱量の大きなパワーモジュールでは金属回路基板を使用する場合が多いが、その場合、ＰＣＢ基板に比べて線膨張係数が大きいため熱応力も非常に大きくなる。また、高温はんだは主にダイボンドに使用されることが多く、ダイボンドされるベア素子（チップ）がパワー素子である場合、発熱量が非常に大きくなるため、耐熱衝撃性も低温はんだに比べて特に高いレベルが要求される。何故なら、低温はんだであれば殆ど発熱しない受動部品実装に用いられるため、クラックが貫通した断線状態に至っていなければ許容される場合が多いが、高温はんだでは高い放熱性が必要なため、断線に至らずともクラックの発生により熱抵抗が一定以上に上昇することが許されないからである。また、ベア素子は受動部品と比べて脆く割れやすい点も理由に挙げられる。よって、高温はんだの耐熱衝撃特性は非常に重要な要素となる。さらに、化合物半導体は、動作温度が３００℃程度とＳｉ半導体に比べて非常に高温となるため、より一層、耐熱衝撃特性は重要となる。Ｚｎ系はんだ（特にＺｎ−５Ａｌ−０．１Ｇｅはんだ）ではこうした高い熱応力に耐え得る耐熱衝撃性は未だ得られていない。また、Ｚｎ−５Ａｌ−０．１Ｇｅはんだの融点は３８２℃であることから、実際にはんだ付けを行う際の作業温度は少なくとも４１０℃程度が必要となってくる。その場合、実装部品や基板の耐熱性を超えてしまう可能性があり、また、例え金属回路基板の場合であっても、絶縁層には樹脂が用いられているため、耐熱性の向上を図る必要がある。はんだの濡れ性についても、Ｐｂはんだと比べればかなり劣り、特にＺｎ自身が非常に酸化され易い。通常のＳＭＤ実装であればペーストはんだの使用が可能なのでフラックス作用による濡れ性のある程度の改善も見込めるが、ダイボンド用ではフラックスの使用は困難なため、それも期待できない。即ち、はんだ材料そのものの濡れ性を向上させる必要がある。
【００３１】
これに対し、本実施形態では、耐熱衝撃性を向上させるためにＩｎを添加しており、更にそのために効果的な添加量が６〜８質量％である。
さらに、本実施形態ではＩｎに加えＢｉ、Ｐを同時に添加することとし、特に、Ｉｎを６〜８質量％、Ｂｉを０．５質量％を同時添加することにより、各々の単独添加によって得られる効果の単なる積み上げでは得られない特別な相乗効果を奏する。即ち、Ｉｎ、Ｂｉを各々単独添加する場合には融点を低下させることができるが、その反面、Ｂｉを単独添加する場合においては脆化特性があるため、耐熱衝撃性を大きく低下させる可能性がある。一方、Ｉｎを単独添加する場合においては高温環境下で変形しやすくなり、本実施形態のＩｎとＢｉとの限定量同時添加することにより、このＢｉの脆化特性を解消できる上、Ｉｎ添加で問題になる高温環境下での変形を抑制することも可能となる。いわば互いの欠点を打ち消しあうかの如く作用すると共に、高い耐熱衝撃性を得るという新たな作用効果をも奏する。勿論、Ｉｎ、Ｂｉ本来の融点低下作用も引き続き得られるのは言うまでもない。
【００３２】
さらに、ＩｎとＢｉの同時添加で得られる上記作用効果は、Ｉｎが６〜８質量％，Ｂｉが０．５質量％の添加量がより好ましい。
さらには、Ｐの添加についてはＧｅとの同時添加により、各々の単独添加の場合の作用を単純に積み上げたものではない新たな効果を奏する。即ち、Ｇｅの作用は表面に膜を形成することでＺｎの酸化進行を抑制することであるが、Ｚｎに既に形成されている酸化層を還元除去する効果は十分に得られないため、濡れ性向上を十分に図ることはできない。一方、ＰはＺｎよりも酸化し易いため、Ｚｎの表面に既に形成されている酸化層を還元除去することができる。しかし、Ｚｎは酸化し易い材料であるため、その後の再酸化を防止することは困難であり、やはり濡れ性向上を十分に図ることができない。これに対し、ＧｅとＰの同時添加を行うことでＰによりＺｎの表面酸化層が除去されると同時にＧｅによる保護膜の形成で再酸化が抑制され、優れた濡れ性を得ることができる。
【００３３】
これまで述べてきたように、Ｉｎの添加量を６〜８質量％とすることにより耐熱衝撃性を十分に得ることができるとともに、添加する微量金属の効果として、一般に知られている接着強度を向上させたり固相線温度を下げるためのみならず、本実施形態のようなＩｎによる耐熱衝撃性の向上、Ｇｅによる保護膜で再酸化抑制、Ｐによる還元作用、更にはＩｎとＢｉおよびＧｅとＰを特定量、同時添加することにより、各々の単独添加によって得られる効果の単なる積み上げでは得られない特別な相乗効果を奏する。
【００３４】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）はんだ３０においては、Ｚｎを主成分とし、インジウムを６〜８質量％含有する。よって、耐熱衝撃性が向上する。
【００３５】
（２）更にビスマスを含有すると、機械的強度を向上させることができる。
（３）更にリンおよびゲルマニウムを含有すると、濡れ性を向上させることができる。
（４）更にアルミニウムを含有すると、成形性を向上させることができる。
【００３６】
（５）ここで、アルミニウムの含有量は５質量％であり、ゲルマニウムの含有量は０．１質量％であると、濡れ性を向上させることができる。
（６）半導体チップとしてのベア素子２０がはんだ３０を介して被接合部材としての金属回路基板１０に接合されたダイボンド構造において、はんだ３０は、Ｚｎを主成分とし、インジウムを含有する。よって、耐熱衝撃性が向上する。
【００３７】
（７）上述の（６）において、インジウムを６〜８質量％含有すると、実用上好ましいものとなる。
（８）更にアルミニウムを含有すると、成形性を向上させることができる。
【００３８】
（９）ここで、アルミニウムの含有量は５質量％であり、ゲルマニウムの含有量は０．１質量％であると、濡れ性を向上させることができる。
（１０）上述の（６）〜（９）において、車載用であると、実用上好ましいものとなる。
【００３９】
実施形態として、他にも次のように具体化してもよい。
・Ｉｎ、Ｂｉ、Ｐの組み合わせは、Ｉｎのみ含有してもよい。具体的には、例えば８質量％含有するものとする。即ち、はんだ３０は、Ｚｎを主成分とし、インジウム（Ｉｎ）のみを混入して構成してもよく、Ｚｎを主成分とし、インジウムのみを混入する場合にも、耐熱衝撃性が向上する。
【００４０】
また、Ｐは含有せずＩｎとＢｉを含有してもよい。具体的には、例えばＩｎを８質量％、Ｂｉを０．５質量％含有するものとする。
また、Ｂｉは含有せずＩｎとＰを含有してもよい。具体的には、例えばＩｎを８質量％、Ｐを０．１質量％含有するものとする。
【００４１】
・はんだ３０におけるＧｅの含有については、Ｇｅを含むＺｎ系はんだを用いたが、Ｇｅを含まないＺｎ系はんだに対しＧｅを添加することによりＧｅを含有させてもよい。
・図１では階層はんだ付けする構成（二度付けする構成）であったが、基板にＳｉＣやＧａＮ等よりなる化合物半導体を高温鉛フリーはんだを用いて実装する場合に適用してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０…金属回路基板、１１…金属板、１２…絶縁層、１３…導体パターン、２０…ベア素子、３０…はんだ（高温鉛フリーはんだ）。
【図１】
2014151364.tif 000003