(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子の接合において、接合層のクリープを低減する信頼性の高い接合構造を提供する。【解決手段】二種類の部材１,３間の接合材料として、Ag、Inに加え、Sb、Sn、Bi、Znから少なくとも一種類以上の金属からなるはんだ材を用い、当該はんだ材の固相線温度以上、かつ液相線温度以下の温度の半溶融状態で接合することで、低融点成分２２を接合層外に排出する。本プロセスにより接合層の高融点相２１の割合を増加させることで、接合層２の耐クリープ性を向上する。前記半導体素子が、パワー半導体、もしくは、半導体歪センサ素子である。【選択図】図１
2014147966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
AgとInを含み、Sb、Sn、Bi、およびZnのうち少なくとも一種類以上の金属を含み、残部が不可避不純物からなるPbフリー接合材であって、
（Agの重量）：（Inの重量）：（Sb+Sn+Bi+Znの合計重量）の比が三元状態図上にて(70:27:3)、(70:5:25)、(10:2:88)、(10:45:45)の各点を結ぶ四角形の内側の領域の組成であることを特徴とする接合材。
【請求項２】
請求項１に記載の接合材であって、Sb、Sn、Bi、およびZnの重量比は、Sbが80%~100%、Sn+Bi+Znの重量比が0%〜20%であることを特徴とする接合材。
【請求項３】
Ag粒子とIn-(Sb+Sn+Bi+Zn)合金粒子を混合したペースト状接合材であって、前記Ag粒子と前記In-(Sb+Sn+Bi+Zn)合金粒子を合わせた各金属の重量比が、請求項１または請求項２に記載の組成となることを特徴とするペースト状接合材。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかの請求項に記載の接合材を、第一の被接続部材と第二の被接続部材の間に挟持し、当該接合材の固相線温度以上、且つ、液相線温度以下の温度に加熱することで接合する接合方法。
【請求項５】
請求項４に記載の接合方法を用いて、第一の被接続部材を上層に、前記第一の被接続部材より面積の大きい第二の被接続部材を下層に接合し、前記第二の被接続部材の上面に前記第一の被接続部材の直下の接合部から外へ前記接合材の低融点相を濡れ広がらせて接合を完了させた接合構造であって、
前記第一の被接続部材の直下の接合部に含まれる前記接合材の低融点相/高融点相の体積比率に対して、前記第一の被接続部材直下からはみ出した前記接合材における低融点相/高融点相の体積比率が大きいことを特徴とする接合構造。
【請求項６】
請求項４に記載の接合方法を用いて、第一の被接続部材を上層に、前記第一の被接続部材より面積の大きい第二の被接続部材を下層に、および前記第一の被接続部材と前記第二の被接続部材の間の面積を持つ第三の被接続部材を中間層に配置して、前記接合材を用いて、前記第一の被接続部材と前記第三の被接続部材、および前記第三の被接続部材と前記第二の被接続部材をそれぞれ接合したことを特徴とする接合構造。
【請求項７】
請求項６に記載の接合構造において、
請求項４に記載の接合方法を用いて、前記第三の被接続部材の上面に前記第一の被接続部材の直下の接合部から外へ前記接合材の低融点相を濡れ広がらせ、および前記第二の被接続部材の上面に前記第三の被接続部材の直下の接合部から外へ前記接合材の低融点相を濡れ広がらせて接合を完了させた構造であることを特徴とする接合構造。
【請求項８】
AgとInを含み、Sb、Sn、Bi、およびZnのうち少なくとも一種類以上の金属を含み、残部が不可避不純物からなり、（Agの重量）：（Inの重量）：（Sb+Sn+Bi+Znの合計重量）の比が三元状態図上にて(70:27:3)、(70:5:25)、(10:2:88)、(10:45:45)の各点を結ぶ四角形の内側の領域の組成である接合材を、第一の被接続部材を上層、第二の被接続部材を下層とする間に挟持し、
当該接合材の固相線温度以上、且つ、液相線温度以下の温度に前記第一の被接続部材、前記接合材、および前記第二の被接続部材の積層体を加熱し、
前記第二の被接続部材の上面、または側面に、前記第一の被接続部材の直下の接合部から外へ前記接合材の低融点相を濡れ広がらせて接合を完了させることを特徴とする接合方法。
【請求項９】
前記接合材が、Sb、Sn、Bi、およびZnの重量比は、Sbが80%~100%、Sn+Bi+Znの重量比が0%〜20%であることを特徴とする請求項８に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記接合材が、Ag粒子とIn-(Sb+Sn+Bi+Zn)合金粒子を混合したペースト状接合材であって、前記Ag粒子と前記In-(Sb+Sn+Bi+Zn)合金粒子を合わせた各金属の重量比が、請求項８または請求項９に記載の組成となることを特徴とする接合方法。
【請求項１１】
請求項５乃至７のいずれかの請求項に記載の接合構造において、前記第一の被接続部材が半導体素子であり、前記第二の被接続部材が金属、またはセラミックスであることを特徴とする接合構造。
【請求項１２】
請求項６、または請求項７に記載の接合構造において、前記第三の接続部材の両面はCuであることを特徴とする接合構造。
【請求項１３】
請求項１１に記載の半導体素子がパワー半導体であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の半導体素子が半導体ひずみセンサ素子であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項５乃至７のいずれかの請求項に記載の接合構造において、前記第一の被接続部材が半導体ひずみセンサ素子であり、前記第二の接続部材がダイヤフラムであり、前記半導体ひずみセンサ素子が、前記ダイヤフラムの反対面側に加わる圧力の変化に従ってダイヤフラムを介して歪むことによって、圧力の変化を電気信号に変換することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は接合材料に関し、また、該接合材料を用いた接合方法、接合構造、および半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、社会インフラや産業用機器、自動車など、装置・部品の状態を把握することにより、製品の安全性向上、性能の最適化を実現するため、様々な物理量を測定するセンサが注目されている。力、光、加速度など、センサの種類は多岐に渡り、その用途も様々である。例えば、橋梁などの大型構造物に多数のひずみセンサを取り付け、ひずみの状態をモニタリングすることで、部材の寿命を把握するとともに、保守性の改善が図られる。
【０００３】
ひずみセンサとしては、ひずみゲージが一般的であるが、精度・耐久性・耐熱性・省エネ性を確保することが難しい。それら特性を満足する半導体ひずみセンサや、これを応用した圧力センサや振動センサ、加速度センサの開発も進められている。
【０００４】
半導体ひずみセンサは、当該素子を測定対象に接合することで、測定対象の物理量の変化が素子に伝達され、目的の物理量を測定することができる。例えば特許文献１では、ピエゾ抵抗を利用したひずみセンサが開示されている。また、例えば特許文献２では、部材の固有振動数を検出する圧力センサが開示されている。
【０００５】
一方、センサ以外の分野に着目すると省エネを実現するため、電力を制御するパワー半導体の利用が進んでいる。パワー半導体を利用した製品の構造は、半導体素子がはんだなどの接合材を介して基板に接合された形態である。パワー半導体は近年、高い温度域で用いられるようになってきており、それに伴い、はんだ接合部の高融点化・高信頼化が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３１８２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１８０５７号公報
【特許文献３】特開２００５−３２８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ひずみセンサは測定値の経時変化を極小に抑えることが必要である。例えば、あるときにひずみの測定値が1であれば、その後も測定対象のひずみが変化していないのであれば、一定時間経過後にも測定値は１でなければならない。しかし、センサを高温環境にて長時間用いる場合、センサを測定対象に接合する接着剤やはんだなどの接合材にクリープ(物体に持続応力が作用すると、時間の経過とともに歪みが増大する現象)が生じてしまう。例えば、測定対象の真のひずみは1であるにもかかわらず、はんだがクリープし、センサには0.9のひずみとして検知される。このような現象が生じては、センサとしての用をなさなくなる。従って、ひずみセンサの使用条件は、接合材がクリープを起こさないような低温域、ひずみ範囲、時間に制限されることになる。
【０００８】
また、接合材の長期信頼性も重要である。自動車を対象とした製品の場合、過酷な環境である-55℃から150℃の範囲で信頼性を確保する必要がある。温度サイクルに伴う接合材の亀裂伝播とセンサの特性変動を抑制しなければならない。
【０００９】
以上のような耐クリープ性(ひずみセンサの実用温度範囲で接合材のクリープを小さく抑える特性)と長期信頼性を満たす接合材・接合技術が必要である。そのような接合材としては、一般に高融点の接合材が適切と考えられる。しかし、接合温度が500℃を超えると、半導体の性能が変化してしまうため、適当ではない。また、高温で接合してから室温に冷却するときに素子に発生する熱応力で、素子が割れない材料とする必要がある。
【００１０】
特許文献３に記載の接合技術においては、基板の表面に銅、銅合金、銀のうちいずれかの金属材で形成した配線層上にスズ、亜鉛、インジウムのいずれかの低融点金属材よりなる低融点金属層を設け、低融点金属材の融点以上の温度で圧力を加えつつ一定時間保持することで低融点層を配線層に拡散させ配線層の金属を主成分とする接合技術が開示されている。本技術は、低融点層の成膜が高コストであり、接合に時間がかかるという問題がある。また、低融点金属が配線層内に拡散していくことにより、低融点層から配線層にかけて、金属組成の濃度勾配が発生し、信頼性低下の懸念がある。
【００１１】
本発明の課題は、低コスト且つ接合性および接合信頼性を向上させた低クリープ接合材料およびその接合材料を用いた接合方法、接合構造、および半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明では、AgとInを含み、Sb、Sn、Bi、およびZnのうち少なくとも一種類以上の金属を含み、残部が不可避不純物からなるPbフリー接合材を、（Agの重量）：（Inの重量）：（Sb+Sn+Bi+Znの合計重量）の比が三元状態図上にて(70:27:3)、(70:5:25)、(10:2:88)、(10:45:45)の各点を結ぶ四角形の内側の領域の組成とした。
【００１３】
また、上記課題を解決するために本発明では、前記接合材を、第一の被接続部材と第二の被接続部材の間に挟持し、当該接合材の固相線温度以上、且つ、液相線温度以下の温度に加熱することで接合する接合方法とした。
【００１４】
また、上記課題を解決するために本発明では、前記接合方法を用いて、第一の被接続部材を上層に、前記第一の被接続部材より面積の大きい第二の被接続部材を下層に接合し、前記第二の被接続部材の上面に前記第一の被接続部材の直下の接合部から外へ前記接合材の低融点相を濡れ広がらせて接合を完了させて、前記第一の被接続部材の直下の接合部に含まれる前記接合材の低融点相/高融点相の体積比率に対して、前記第一の被接続部材直下からはみ出した前記接合材における低融点相/高融点相の体積比率が大きいことを特徴とする接合構造を構成した。
【００１５】
また、上記課題を解決するために本発明では、前記接合構造において、前記第一の被接続部材を半導体ひずみセンサ素子として、前記第二の接続部材をダイヤフラムとして、前記半導体ひずみセンサ素子が、前記ダイヤフラムの反対面側に加わる圧力の変化に従ってダイヤフラムを介して歪むことによって、圧力の変化を電気信号に変換する半導体装置を構成した。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、接合層の耐クリープ性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の接合方法で接合した半導体装置の構造を示す図である。
【図２】本発明のはんだ組成の割合を示す図である。実線領域内が本発明の接合方法が成立する組成の範囲内であり、点線領域内が低ボイド接合を実現可能な範囲を示す。
【図３】実施例２で用いたサンプルNo.1~No.28の本発明のはんだ組成を示す図である。
【図４】図３に示したはんだ組成と比較例に対して、接合温度とクリープ特性を評価した結果を示す図である。
【図５】本発明のAg-In-Sbはんだを固相線温度以上である450℃まで加熱し接合したサンプルの断面組織を示す図である。
【図６】本発明のAg-In-Sbはんだを液相線温度以上の500℃まで加熱し接合したサンプルの断面組織を示す図である。
【図７】本発明の接合材および接合方法で半導体素子と応力緩和材と基板を接合した半導体装置の構造を示す図である。
【図８】本発明の接合材および接合方法で、半導体ひずみセンサチップとダイヤフラムを接合した半導体装置(圧力センサモジュール)の構造を示す図である。
【図９】Ag-In-Sbはんだの状態図例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１９】
本願発明者は、耐クリープ高信頼はんだの候補として主たる構成元素がAgであるAg系合金に着目した。Agは融点が962℃であり、半導体用の接合材としては融点が高すぎ、また、純金属はクリープしやすいため、耐クリープ性が優れた接合材としては不適当である。しかし、AgにInを混ぜたAg-In固溶体合金とすることで固相線温度が700℃程度まで下がり、且つ、耐クリープ性が向上することを見出した。それでも、接合温度が700℃を超えては半導体素子の耐熱限界を超え、接合に適用できない。そこで、Sb、Sn、Bi、Znを添加することで固相線温度を500℃以下にまで低下でき、半導体が故障しない温度域で接合できることを見出した。すなわち、AgおよびInおよび、Sb、Sn、Bi、Znの中から少なくとも1種類以上の金属と不可避不純物(工業上避けられない混入物)からなるPbフリーAg-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ材を、後述する実験結果に基づき耐クリープ性に優れた接合材として見出した。(Sb+Sn+Bi+Zn)は、Sb、Sn、Bi、Znの中から少なくとも1種類以上の金属を表す。
【実施例１】
【００２０】
半導体素子1を基板3へ本発明のAg-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ材2により接合する方法について述べる。図１に接合後の構造模式図を示す。上述したAg-In-（Sb+Sn+Bi
+Zn）はんだ2のシートを用意する。基板3と当該はんだ2と半導体素子1とおもりを積み重ねる。はんだの温度が固相線温度以上液相線温度以下となるように温度設定したリフロー炉に流し、はんだ2を溶融させる。
【００２１】
図９に、Ag-In-Sbはんだの状態図例（P.Villars, et.al.,”Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams”, ASM international, vol. 3, p2490 ISBN: 0-87170-528-1より参照）を示す。ライン100上の組成(Ag-25In-25Sbはんだ)の場合には、424℃(固相線)で溶け始めて、466℃(液相線)で溶け終わる。
【００２２】
はんだの温度が固相線温度以上液相線温度以下となるような温度設定とすることで、当該Ag-In-（Sb+Sn+Bi+Zn）はんだ2の低融点相22が、半導体素子1の直下から外に濡れ広がり、一部が流出する。結果的に半導体素子1直下の接合層9における高融点相21の割合が当初のはんだ材2に含まれる高融点相よりも多くなる。つまり、半導体素子が故障しない温度域で接合が可能で、接合後は接合層9の耐クリープ性が当初のはんだ材2(固溶体と金属間化合物と共晶が共存している)よりも向上する。ここで、高融点相21とは、AgにInが固溶した相と、In-Sb化合物の相であり、低融点相22とは、Ag-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだの各金属が混じり合った融点の低い共晶相である。
【００２３】
接合雰囲気は、窒素、窒素＋水素、または、蟻酸など、様々な雰囲気で接合が可能である。また、接合装置については、リフロー以外にも、当該はんだをリボンやワイヤ状に加工することで、ダイボンダーを用いて接合することができる。即ち、加熱した基板に当該はんだリボン・ワイヤを押し当てることで、基板上にはんだを供給し、その後チップをマウントする方法を採ることができる。本方式では加熱時間が短くなり、低融点相の排出が不十分になる場合には、その後追加のリフローを実施してもよい。
【００２４】
本実施例のAg-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ材料の組成について詳しく述べる。後述する実験結果に基づいて、図２の三元状態図にAg、InとSb、Sn、Bi、Znの適正な割合を示す。上述した接合を実現するため、図２の実線(101,102,103,104)で囲まれる範囲内の組成のはんだが適切である。即ち、重量比でAg:In:(Sb+Sn+Bi+Zn)が(70:27:3)、(70:5:25)、(10:2:88)、(10:45:45)の点を結ぶ四角形の内側の組成である。本組成範囲内であれば、固相線温度が160℃から490℃となり、半導体素子を破壊することなく接合できる。
【００２５】
図２の実線の境界線101より上の領域(1)では、さらにAgの割合が高くなり、融点が550℃を超えて、半導体素子が破壊される温度域に達する。また、境界線102より右側の領域(2)では、Inの量が少なすぎてAgにInが十分に固溶しないため、耐クリープ特性が悪くなる。また、境界線103より下側の領域(3)では、高融点のAgの量が少なすぎて耐クリープ特性が得られない。また、境界線104より左側の領域(4)では、Inの量が多すぎて低融点の高クリープ相が発生して、所望の耐クリープ特性が得られない。以上の判定によって、境界線(101,102,103,104)を定めている。
【００２６】
さらに、生じる液相の量が一定以上なければ接合時にボイドが多く発生し、耐クリープ性が低下する。従って、液相が十分生じ、耐クリープ特性が低下しないボイド率10%以下の良好な接合を得るためには、図２の三元状態図の点線範囲内の組成がより適切である。即ち、重量比でAg:In:(Sb+Sn+Bi+Zn)が(60:30:10)、(60:15:25)、(15:15:70)、(15:43:42)の点を結ぶ四角形の内側の組成である。その中で、Sb+Sn+Bi+Znの割合について、Sbが80〜100wt.%、Sn+Bi+Znが0〜20wt.%の場合、固相線温度が400℃以上となり、耐クリープ性が最大となる。
【００２７】
はんだ材料の供給形態について述べる。当該Ag-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ材料は上述したようにシート・リボン・ワイヤなどの形態で供給できる。さらに、ボール状の合金を作り、はんだペーストとして供給することもできる。その際、Ag-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだボールとしても良いが、Ag粒子とIn-(Sb+Sn+Bi+Zn)粒子の二種類を混合したペーストとしても良い。その場合は、In-(Sb+Sn+Bi+Zn)粒子が先に溶融し、Ag粒子を徐々に溶かし、最終的にAg-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだとして振る舞う。
【００２８】
被接合材である基板について述べる。当該Ag-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ材は各種金属に対して良好な接合を得ることができる。例えば、Cu、Ni、Au、Ag、Ti、SUS、Mo、W、Fe、Fe-Ni合金などである。特に基板との濡れ性の観点ではNi板もしくは、Niめっきを施した金属板との濡れ性が優れる。接合安定性の観点ではCu板もしくは、Cuめっきを施した金属板との接合が良好である。Cuと基板の間に拡散防止層としてTi、Wなどの下地層を形成しても良い。また、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックスとの接合も可能である。
【００２９】
一方、当該Ag-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ材はクリープし難いはんだ材であり、言い換えると、伸びにくい材料である。従って、熱膨張係数の小さな半導体素子を接合するとき、基板の熱膨張係数が大きい場合は、接合し冷却するときの熱応力で半導体素子が割れる可能性がある。その場合、基板に低熱膨張材料を用いること、もしくは、低熱膨張中間材を用いることが望ましく、低熱膨張材の例としてSUSやMo、W、Fe-Ni系合金が挙げられる。他にも、SUSとMoを積層した多層クラッド基板でも良い。このような当該はんだ材とこれら金属板との濡れ性を改善するためには、表面にCuやNiのメタライズを付与してもよい。
【実施例２】
【００３０】
本実施例は図１に示す接合構造を種々の組成のAg-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ材を使用して作製したものである。作製したAg-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ材の例を図３に示す。Ag、In、Sb、Sb、Bi、Znの各金属を図中の黒丸で示した組成になるように混合し、960℃以上まで昇温し溶解させ、インゴットNo.１〜28(図３中の黒丸に付した番号に対応する)を作製した。Sb+Sn+Bi+Znの各金属の割合は、Sb100%、Sn100%、Bi100%、Zn100%の4系統、計112種類の組成を作製した。インゴットは圧延によりシート状に加工し、はんだとして用いた。基板3はSUS420にTi、Cuを順に成膜したものを用いた。該基板3と各種類のはんだと2mm□の半導体ひずみセンサチップ1、または、パワー半導体チップ1を積み重ねた。窒素＋水素混合雰囲気において、各々の固相線温度以上かつ液相線温度以下の温度である。200℃〜490℃まで昇温し、はんだを溶融させ、1min以上加熱保持した。当該温度域で溶融する低融点相22が加熱保持中に半導体1直下の接合層9から基板上に濡れ広がり、流出することを確認した。半導体ひずみセンサチップ1を接合したサンプルについて、180℃環境下にてセンサチップを用いてクリープ特性を調査した。代表としてAg-In-Sbはんだにおける試験結果を図４に示す。その結果、500μひずみを付加しながら180℃で100h保持したところ、クリープ測定値の変動が0.1%以下となり、良好な特性を得ることができた。図４に示したSbを使った接合材のほか、Sn、Bi、Znで作製した接合材を用いても同様の結果が得られることを確認した。
【００３１】
比較のために、SUS420にNiめっきを成膜した基板と半導体ひずみセンサチップをAu-Sn共晶はんだ、Sn-Ag-Cuはんだを用いて接合したサンプルを用意した。同様のクリープ試験をしたところ、3%を超えるひずみ変化が測定され、半導体ひずみセンサチップを基板に接合する接合材としての機能が不十分であった。
【００３２】
また、本発明のAg-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ材を使用して液相線温度以上の温度で接合をした場合、はんだは綺麗に塗れ広がるものの、素子直下の接合層と接合層外の組成は当初のはんだ組成と同じにしかならず、接合層直下のみの耐クリープ性改善効果は得られなかった。一例として、図５にAg-In-Sbはんだを用い、本発明における固相線温度以上液相線温度以下で接合したサンプルの接合層断面組織と、図６に、同じはんだで液相線温度以上で接合したサンプルの接合層断面組織を示す。図６では低融点相であるAg-In-Sb共晶相が接合断面の約60%の領域で見られるが、図５ではAg-In固溶体相とIn-Sb金属間化合物相がほぼ100%を占める。図５の組織の方が耐クリープ性が良好であることを確認した。
【００３３】
以上のように、Ag-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだは高温環境下においてもクリープが抑制され、耐クリープはんだとして有益であることが判った。
【実施例３】
【００３４】
実施例２で示したAg-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだのうち、Sb+Sn+Bi+Znの構成比に占めるSbまたはZnの割合が50%を超えるはんだの場合、固相線温度が300℃以上となる。その場合、接合する半導体素子のサイズによって、特に150μm以上の厚みの場合は、接合後の冷却で発生する熱応力で半導体素子が割れることが判った。そこで、図７に示すようにSUS(ステンレス鋼)またはAlの基板3と、Fe-Ni合金板、Mo、W、またはCIC（Cu/インバー/Cuクラッド材)(シリコンウエハー、セラミックとの熱膨張の整合性に富む半導体用クラッド材)の低熱膨張材4を本発明のAg-In-(Sb+Sn+Bi+Zn)はんだ2で接合し、さらに低熱膨張材4と半導体素子1を本発明のはんだ2で接合した。このとき、応力緩和層として機能する低熱膨張材4の寸法は半導体素子1のサイズよりも大きくすることで、固相線温度以上液相線温度以下に保持した時に本発明のはんだの低融点相22が素子直下から溶出され、半導体素子1直下の接合層9に含まれる高融点相21の割合を増加させ、耐クリープ性が改善することを確認した。同様に、基板3と低熱膨張材4の接合層10においても、高融点相21の割合を増加させ、耐クリープ性が改善されることを確認した。
【００３５】
また、図１に示した基板3をSUSまたはAlの基板と低熱膨張材であるFe-Ni系合金、Mo、またはWの基板とを張り合わせた基板として作製した。この基板はクラッド圧延により製造した。本低熱膨張材クラッド基板と本発明のはんだと半導体素子を接合したところ、接合温度が300℃以上である組成にも拘わらず、冷却時に発生する熱応力を緩和でき、チップ割れを抑制できることが判った。クリープ試験を実施したところ、180℃，100hで0.1%以下の特性が得られることが判った。さらに、-55/150℃の温度サイクル試験を実施したところ、1000cyc後も特性変化が無いことが判った。
【００３６】
以上のように、低熱膨張材を利用することで厚さが厚いチップをチップ割れなく接合できる。
【実施例４】
【００３７】
本発明のはんだを用いて半導体ひずみセンサチップを接続して、図８(A),(B)に示す圧力センサモジュールに適用することができる。
図８(A)に断面図を示す圧力センサモジュールは、例えば自動車の油圧系の配管などに接続されて、ダイヤフラム4,5上に接続された半導体ひずみセンサチップ1が、油圧の変化に従ってダイヤフラム4,5を介して歪むことによって、圧力の変化を電気信号に変換している。
【００３８】
図８(B)に、半導体ひずみセンサチップ1を本発明のはんだ2により接続した接続部の拡大図を示す。はんだは一例としてAg-In-Sbはんだの場合で述べる。試作をするために、２mm□の半導体ひずみセンサチップと、Ag-In-Sbはんだと、SUSダイヤフラムと、SUS/Moを積層したクラッド基板ダイヤフラムとSUS/42Alloyを積層したクラッド基板ダイヤフラムとCIC基板を用意した。試作をした構造は二種類である。
一つはSUSダイヤフラムとAg-In-SbはんだとCIC基板とAg-In-Sbはんだとチップを順に重ねるものである。図７に示すように、低熱膨張材4を半導体素子1とダイヤフラム5の間に応力緩和層として挟んだ構造である。
もう一つは、SUS/Moを積層したクラッド基板ダイヤフラム4,5、またはSUS/42Alloyを積層したクラッド基板ダイヤフラム４,5とAg-In-Sbはんだと半導体ひずみセンサチップ1をそれぞれ順に重ねた構造である。
【００３９】
１gの重りを載せて窒素＋水素雰囲気中で、固相線温度以上液相線温度以下である４５０℃まで加熱し３min保持して接合した。CIC基板と低熱膨張クラッド基板ダイヤフラムの効果によりそれぞれチップ割れを抑制できた。
【００４０】
さらに、半導体ひずみセンサチップ1上の電極とプリント基板7をワイヤボンディング6により接続し、中高圧用圧力センサモジュール8を製造した。本モジュールは従来不可能であった180℃環境下でクリープを0.1%以下に抑制し、正確に圧力を測定できることを確認した。
【００４１】
以上、本発明者によってなされた発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。すなわち、上記説明では、本発明の適用について、半導体ひずみセンサチップ、パワー半導体チップを例に挙げて説明したが、そのほか、様々な構造の接合材料として適用できる。適用例としては、オルタネータ用ダイオード、パワーモジュール、LED、封止用リッド、熱電変換モジュールとして適用することも出来る。
【符号の説明】
【００４２】
1・・・半導体素子
2・・・はんだ材
3・・・基板
4・・・低熱膨張材
5・・・ダイヤフラム
6・・・ワイヤ
7・・・プリント基板
8・・・圧力センサモジュール
9,10・・・接合層
21・・・高融点相
22・・・低融点相
100・・・Ag-25In-25Sbはんだの状態遷移ライン
101,102,103,104・・・三元状態図上の適正な割合の領域の境界線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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