(57)【要約】【課題】良好な濡れ性が得られるＺｎ系の接続材料の供給方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】リードフレーム１上に接続材料２を介して半導体素子３を固定するダイボンディングプロセスで、リードフレーム１上に接続材料２を供給する接続材料の供給方法において、板状又は線状であってＺｎ系金属からなる接続材料２ａに加工度が５０％以上となるように減面加工を施して、新生面を形成した後、新生面を形成した接続材料２ｂをリードフレーム１上に供給するものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードフレーム上に接続材料を介して半導体素子を固定するダイボンディングプロセスで、前記リードフレーム上に前記接続材料を供給する接続材料の供給方法において、
板状又は線状であってＺｎ系金属からなる接続材料に加工度が５０％以上となるように減面加工を施して、新生面を形成した後、新生面を形成した接続材料を前記リードフレーム上に供給することを特徴とする接続材料の供給方法。
【請求項２】
前記減面加工は、圧延ロールを用いた圧延により行う請求項１に記載の接続材料の供給方法。
【請求項３】
前記接続材料は、Ａｌを主成分とする金属にＺｎを主成分とする金属が被覆された複合材又はＺｎ−Ａｌ合金であり、前記接続材料の溶融後の組成は、Ａｌが２ｍａｓｓ％以上９ｍａｓｓ％以下、残部がＺｎと不可避不純物である請求項１又は２に記載の接続材料の供給方法。
【請求項４】
前記Ｚｎを主成分とする金属の組成は、Ｚｎが９０ｍａｓｓ％以上である請求項３に記載の接続材料の供給方法。
【請求項５】
前記Ａｌを主成分とする金属の組成は、Ａｌが９０ｍａｓｓ％以上である請求項３又は４に記載の接続材料の供給方法。
【請求項６】
前記減面加工前に、前記接続材料をこれが溶融しない温度で加熱する請求項１〜５のいずれかに記載の接続材料の供給方法。
【請求項７】
前記減面加工後の接続材料を前記リードフレームへ供給する前に、前記減面加工後の接続材料をこれが溶融しない温度で予備加熱する請求項１〜６のいずれかに記載の接続材料の供給方法。
【請求項８】
前記接続材料の供給を窒素雰囲気にて行う請求項１〜７のいずれかに記載の接続材料の供給方法。
【請求項９】
リードフレームと、
前記リードフレーム上に接続材料を介して固定された半導体素子と、
を備えた半導体装置の製造方法において、
請求項１〜８のいずれかに記載の接続材料の供給方法を用いて前記リードフレーム上に前記接続材料を供給する工程と、
供給された前記接続材料上に前記半導体素子を載置して固定する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リードフレーム上に接続材料を介して半導体素子（チップ）を固定するダイボンディングプロセスで、リードフレーム上に接続材料を供給する接続材料の供給方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、新興国での家電製品や自動車の普及に伴い、電力の制御に不可欠なパワー半導体の需要が増大している。パワー半導体は、リードフレーム上に接続材料を介して半導体素子が固定されてなる半導体装置として提供される。この半導体素子には、従来、Ｓｉ半導体を用いた半導体素子が使用されてきたが、近年、低抵抗で高温動作が可能なＳｉＣ半導体やＧａＮ半導体を使用した半導体素子の実用化が検討されている。それに伴い、高温動作の中でもリードフレームと半導体素子との接続を維持することができる接続材料が必要となってきている。ＳｉＣ半導体やＧａＮ半導体を用いたデバイスでは、駆動時に２００℃以上の高温となる可能性があるため、耐熱性を考慮すると、Ｐｂを８５％以上含有する高Ｐｂはんだが適当な接続材料の候補として考えられる。
【０００３】
しかし、Ｐｂは人体に有害であるとの指摘があり、また環境への負荷が大きいことから、電気・電子機器中の有害物の使用を禁止するＲｏＨＳ（Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment）指令の施行等でＰｂの使用規制が拡大しつつある。現在、高ＰｂはんだはＲｏＨＳ指令から除外されているものの、将来的に規制対象となる可能性が高いことから、高Ｐｂはんだに代替する接続材料の開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５８５３９号公報
【特許文献２】特開２００４−３５８５４０号公報
【特許文献３】特開２００８−１２６２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高Ｐｂはんだに代替する接続材料の候補として、融点と価格の面からＺｎ−Ａｌ系はんだが有力であるが、Ｚｎ−Ａｌ系はんだは濡れにくく、硬いため、接続材料として用いた際に冷却時の熱応力によって半導体素子が破壊し易い等の問題がある。
【０００６】
特許文献１や特許文献２には、接続材料として、Ａｌ：１〜７ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．５〜６ｍａｓｓ％、Ｇｅ：０．１〜２０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．００１〜０．５ｍａｓｓ％、残部をＺｎ、あるいはＧｅ：２〜９ｍａｓｓ％、Ａｌ：２〜９ｍａｓｓ％、Ｐ：０．００１〜０．５ｍａｓｓ％、残部をＺｎ、あるいはＧｅ：２〜９ｍａｓｓ％、Ａｌ：２〜９ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．００１〜０．５ｍａｓｓ％、残部をＺｎとするＺｎ系はんだが開示されている。このようなＺｎ系はんだでは、ＡｌやＭｇを成分に含むため、接続時の加熱によりＡｌ酸化物及びＭｇ酸化物が溶融部表面に酸化皮膜を生成する。これらの酸化皮膜が濡れを阻害するため、十分な濡れ性が得られない可能性がある。したがって、実装時に濡れ不良によって接合部に空隙を形成する可能性が極めて高い。またビッカース硬度１００程度の高い硬度を有していることから加工性が優れない。
【０００７】
これに対し、特許文献３では、接続材料として、Ｚｎ条、Ａｌ条、Ｚｎ条を順に積層し、クラッド圧延により一体化させたクラッド材が開示されている。酸化し易いＡｌ条をＺｎ条間に内包させることにより、Ｚｎ系はんだの課題であった濡れ性を改善すると共に加工性の問題も解決している。
【０００８】
しかしながら、ＺｎはＡｌよりは酸化し難いものの、酸化し易い金属であることに変わりはなく、クラッド圧延後のクラッド材を接続材料として直ちに使用しない場合には、Ｚｎの表面に酸化皮膜が形成され、これが濡れ性を低下させることがあった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、良好な濡れ性が得られるＺｎ系の接続材料の供給方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するために創案された本発明は、リードフレーム上に接続材料を介して半導体素子を固定するダイボンディングプロセスで、前記リードフレーム上に前記接続材料を供給する接続材料の供給方法において、板状又は線状であってＺｎ系金属からなる接続材料に加工度が５０％以上となるように減面加工を施して、新生面を形成した後、新生面を形成した接続材料を前記リードフレーム上に供給する接続材料の供給方法である。
【００１１】
前記減面加工は、圧延ロールを用いた圧延により行うと良い。
【００１２】
前記接続材料は、Ａｌを主成分とする金属にＺｎを主成分とする金属が被覆された複合材又はＺｎ−Ａｌ合金であり、前記接続材料の溶融後の組成は、Ａｌが２ｍａｓｓ％以上９ｍａｓｓ％以下、残部がＺｎと不可避不純物であると良い。
【００１３】
前記Ｚｎを主成分とする金属の組成は、Ｚｎが９０ｍａｓｓ％以上であると良い。
【００１４】
前記Ａｌを主成分とする金属の組成は、Ａｌが９０ｍａｓｓ％以上であると良い。
【００１５】
前記減面加工前に、前記接続材料をこれが溶融しない温度で加熱すると良い。
【００１６】
前記減面加工後の接続材料を前記リードフレームへ供給する前に、前記減面加工後の接続材料をこれが溶融しない温度で予備加熱すると良い。
【００１７】
前記接続材料の供給を窒素雰囲気にて行うと良い。
【００１８】
また、本発明は、リードフレームと、前記リードフレーム上に接続材料を介して固定された半導体素子と、を備えた半導体装置の製造方法において、請求項１〜８のいずれかに記載の接続材料の供給方法を用いて前記リードフレーム上に前記接続材料を供給する工程と、供給された前記接続材料上に前記半導体素子を載置して固定する工程と、を含む半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、良好な濡れ性が得られるＺｎ系の接続材料の供給方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ダイボンディングプロセスを説明する図である。
【図２】圧延ロールを用いた圧延による減面加工を施す接続材料の供給方法を説明する図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は減面加工前の接続材料を示す断面図であり、（ａ）は複合材を板状にしたもの、（ｂ）は複合材を線状にしたもの、（ｃ）は合金を板状にしたもの、（ｄ）は合金を線状にしたものである。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は図３の（ａ）〜（ｄ）の接続材料を減面加工した後の接続材料を示す断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）はライン上で進行するリードフレームに接続材料を供給する方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態に係る接続材料の供給方法は、リードフレーム１上に接続材料２を介して半導体素子３を固定するダイボンディングプロセスで、リードフレーム１上に接続材料２を供給する方法である。
【００２３】
このとき、図２に示すように、板状又は線状であってＺｎ系金属からなる接続材料２ａに加工度が５０％以上となるように減面加工を施して、新生面を形成した後、新生面を形成した接続材料２ｂをリードフレーム１上に供給することを特徴する。
【００２４】
接続材料２は、Ａｌを主成分とする金属にＺｎを主成分とする金属が被覆された複合材又はＺｎ−Ａｌ合金であり、接続材料２の溶融後の組成は、Ａｌが２ｍａｓｓ％以上９ｍａｓｓ％以下、残部がＺｎと不可避不純物であることが好ましい。これは、接続材料２の溶融後の組成において、Ａｌが２ｍａｓｓ％以上９ｍａｓｓ％以下であれば、接続材料２の融点を低下させ、ダイボンディングプロセスにおいて半導体素子３に与える負荷を低下させることができるからである。
【００２５】
ここで、Ｚｎを主成分とする金属の組成は、Ｚｎが９０ｍａｓｓ％以上であると良く、Ａｌを主成分とする金属の組成は、Ａｌが９０ｍａｓｓ％以上であると良い。これは、接続材料２の特性に悪影響を与える可能性のある不可避不純物の混入をできる限り回避するためである。
【００２６】
なお、不可避不純物としてＭｎを含有する場合、融点の低下は僅かしかないのにも拘わらず、硬度を高くする効果があり、これを接続材料として用いると半導体素子３が割れる要因になるため、好ましくない。但し、不可避不純物として、Ｇａ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、又はＣｕ等を１０ｍａｓｓ％以下の割合で含有する場合は、融点を下げる効果が得られるため、これらを含有するのは構わない。
【００２７】
具体的な接続材料２ａとしては、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、Ａｌ条５をＺｎ条４ａ、４ｂで挟み込んだ後、これをクラッド圧延して板状にしたもの（図３（ａ）参照）、若しくはＡｌ芯線６にＺｎ条７を巻き付けた後、これを引抜加工により線状にしたもの（図３（ｂ）参照）等の複合材、又はるつぼの中でＺｎを溶融させ、この中にＡｌを投入して攪拌することで鋳造したＺｎ−Ａｌ合金８を板状に加工したもの（図３（ｃ））、若しくはこのＺｎ−Ａｌ合金８を線状に加工したもの（図３（ｄ））が挙げられる。これら接続材料２ａを作製後に直ちに使用しない場合には、外気に曝されている接続材料２ａの表面に酸化皮膜９が形成され、これが濡れ性を低下させることがある。
【００２８】
再び図２を参照し、接続材料２ａを減面加工する方法としては、圧延ロール１０を用いた圧延により行う方法がある。減面加工を施す理由は、接続材料２ａの表面に形成され、濡れを阻害する酸化皮膜９を破壊する効果が得られるためである。
【００２９】
図３（ａ）〜（ｄ）に示した接続材料２ａに対して減面加工を施すと、図４（ａ）〜（ｄ）に示すような接続材料２ｂが得られる。減面加工前の接続材料２ａの表面に酸化皮膜９が形成されていた場合であっても、減面加工によってその酸化皮膜９が破壊され、減面加工後の接続材料２ｂの表面には酸化皮膜９の破壊箇所に接続材料２ｂの金属が露出する新生面が形成される。
【００３０】
ここで、減面加工によって酸化皮膜９が破壊されるメカニズムを説明する。酸化皮膜９を構成する金属酸化物とその内部の金属とは機械的特性が異なっている。即ち内部の金属はその金属酸化物と比較して柔らかく伸び易いという特徴がある。この特徴により、減面加工を施した際に金属酸化物は内部の金属の変形に追従しきれず、金属酸化物によって構成された酸化皮膜９が破断して破壊されるのである。
【００３１】
このようなメカニズムに鑑みれば、減面加工は、減面加工後の接続材料２ｂの断面積が減面加工前の接続材料２ａの断面積の１／２倍以下、即ち加工度が５０％以上となるように施すことが好ましい。これは、減面加工における加工度が５０％以上であれば、接続材料２ａの表面に形成された酸化皮膜９の破壊を十分に促進できるが、加工度が５０％未満であると、酸化皮膜９の破壊箇所が減少し、濡れ性の改善に大きな効果が見られないからである。特に、加工度を６０％以上とすることで、濡れ性を大きく改善することができる。
【００３２】
なお、減面加工前に、接続材料２ａをこれが溶融しない温度で加熱することが好ましい。これは、減面加工前に加熱することで、減面加工時に接続材料２ａに加わる応力を低減することができるからである。
【００３３】
接続材料２をリードフレーム１上に供給する方法としては、図２に示したように、接続材料２ａに圧延ロール１０を用いた圧延による減面加工を施した後、図５（ａ）に示すように、ライン上で進行すると共に例えば４００℃程度に加熱されたリードフレーム１の表面に対して垂直に落下させるように減面加工後の接続材料２ｂを送り出し、接続材料２ｂの供給量が所望量となるように接続材料２ｂの先端部を切断することで供給する方法や、図２と同様に接続材料２ａに減面加工を施した後、図５（ｂ）に示すように、ライン上で進行すると共に例えば４００℃程度に加熱されたリードフレーム１の表面に対して垂直な方向からリードフレーム１が進行する方向へ接続材料２ｂの先端部を曲げるように送り出し、接続材料２ｂの供給量が所望量となるように接続材料２ｂの曲げた先端部を切断することで供給する方法などがある。
【００３４】
このとき、接続材料２ｂの酸化を抑制するために、窒素雰囲気として接続材料２ｂの供給を行うことが好ましい。
【００３５】
接続材料２ｂがリードフレーム１上に供給されると、リードフレーム１の熱によって接続材料２ｂが溶融される。この溶融された接続材料２ｂ上に半導体素子３を載置して固定（ダイボンディング）する。
【００３６】
なお、減面加工後の接続材料２ｂをリードフレーム１へ供給する前に、減面加工後の接続材料２ｂをこれが溶融しない温度で予備加熱すると良い。これにより、接続材料２ｂがリードフレーム１に供給されたときにリードフレーム１の熱によって溶融し易くなり、リードフレーム１上で濡れ広がり易くなる。
【００３７】
これまで説明してきた接続材料の供給方法を用いて、リードフレーム１と、リードフレーム１上に接続材料２を介して固定された半導体素子３と、を備えた半導体装置を製造するには、前述した接続材料の供給方法を用いてリードフレーム１上に接続材料２ｂを供給する工程と、供給された接続材料２ｂ上に半導体素子３を載置して固定する工程と、を含む半導体装置の製造方法により行うと良い。
【００３８】
本実施の形態に係る接続材料の供給方法によれば、板状又は線状であってＺｎ系金属からなる接続材料２ａに加工度が５０％以上となるように減面加工を施して、新生面を形成した後、新生面を形成した接続材料２ｂをリードフレーム１上に供給するため、接続材料２ａを作製後に直ちに使用しない場合であっても、その表面に形成された酸化皮膜９が破壊され、その内部にある金属が露出するので、良好な濡れ性を持った接続材料２ｂをリードフレーム１上に供給することができる。
【００３９】
なお、本発明は、前述した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の変更が可能である。
【００４０】
例えば、Ａｌ条５とＺｎ条４ａ、４ｂとをクラッド圧延（即ち減面加工でもある）して接続材料２を作製するのと同時にこれを加熱されたリードフレーム１上に供給するようにしても良い。この場合には、加工度が低いとＡｌ条５とＺｎ条４ａ、４ｂとの界面が剥離する可能性があるため、加工度は６０％以上とすることが望ましい。
【００４１】
また、前述した実施の形態においては、酸化皮膜９を破壊して新生面を出すというメカニズムに影響を与えない限り手法を変更しても良い。例えば、接続材料２の供給方向をリードフレーム１の表面に対して垂直でない方向としたり、圧延ロール１０を通過する回数を複数回にして所定の加工度にしたりしても良い。
【実施例】
【００４２】
次に、実施例、及び比較例を説明する。
【００４３】
ここでは、板状又は線状の接続材料に様々な加工度で減面加工を施した後、これら減面加工後の接続材料について濡れ性試験を実施し、濡れ性を評価した。
【００４４】
（実施例１〜５、比較例１〜３）
Ａｌ条をＺｎ条で挟み込んだ後、これをクラッド圧延してクラッド材を作製した。その後、このクラッド材を幅３ｍｍとなるようにスリットして、実施例１〜５では、その断面積が０．６ｍｍ2、０．７５ｍｍ2、１．０ｍｍ2、１．５ｍｍ2、３．０ｍｍ2、比較例１〜３では、その断面積が０．３７５ｍｍ2、０．４２８ｍｍ2、０．５ｍｍ2である板状の接続材料を得た。そして、実施例１〜５では、加工度を５０％、６０％、７０％、８０％、９０％とし、比較例１〜３では、加工度を２０％、３０％、４０％として、それぞれの接続材料の断面積が０．３ｍｍ2となるように、板状の接続材料を圧延ロールで圧延して減面加工を施しつつ、加熱されたリードフレームの表面に対して垂直な方向で供給し、濡れ性を評価した。
【００４５】
（実施例６、７、比較例４）
るつぼの中でＺｎを溶融させ、この中にＡｌを投入して攪拌することで鋳造したＺｎ−Ａｌ合金を板状に加工した。実施例６、７では、その断面積が０．６ｍｍ2、１．０ｍｍ2、比較例４では、その断面積が０．４２８ｍｍ2である板状の接続材料を得た。そして、実施例６、７では、加工度を５０％、７０％とし、比較例４では、加工度を３０％として、それぞれの接続材料の断面積が０．３ｍｍ2となるように、板状の接続材料を圧延ロールで圧延して減面加工を施しつつ、加熱されたリードフレームの表面に対して垂直な方向で供給し、濡れ性を評価した。
【００４６】
（実施例８〜１２、比較例５〜７）
Ａｌ芯線にＺｎ条を巻き付けた後、これを引抜加工することで、実施例８〜１２では、その断面積が０．６ｍｍ2、０．７５ｍｍ2、１．０ｍｍ2、１．５ｍｍ2、３．０ｍｍ2、比較例５〜７では、その断面積が０．３７５ｍｍ2、０．４２８ｍｍ2、０．５ｍｍ2である線状の接続材料を得た。そして、実施例８〜１２では、加工度を５０％、６０％、７０％、８０％、９０％とし、比較例５〜７では、加工度を２０％、３０％、４０％として、それぞれの接続材料の断面積が０．３ｍｍ2となるように、線状の接続材料を圧延ロールで圧延して平角線状に減面加工を施しつつ、加熱されたリードフレームの表面に対して垂直な方向で供給し、濡れ性を評価した。
【００４７】
（実施例１３、１４、比較例８）
るつぼの中でＺｎを溶融させ、この中にＡｌを投入して攪拌することで鋳造したＺｎ−Ａｌ合金を線状に加工した。実施例１３、１４では、その断面積が０．７５ｍｍ2、１．５ｍｍ2、比較例８では、その断面積が０．４２８ｍｍ2である線状の接続材料を得た。そして、実施例１３、１４では、加工度を６０％、８０％とし、比較例８では、加工度を３０％として、それぞれの接続材料の断面積が０．３ｍｍ2となるように、線状の接続材料を圧延ロールで圧延して平角線状に減面加工を施しつつ、加熱されたリードフレームの表面に対して垂直な方向で供給し、濡れ性を評価した。
【００４８】
これら実施例１〜１４、及び比較例１〜８における濡れ性試験では、それぞれの接続材料をリードフレーム（Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ基板）に長さ３０ｍｍだけ供給し、濡れ広がりを調べた。リードフレームの温度は４００℃とし、試験雰囲気を窒素雰囲気とした。濡れ広がることが接続材料としての必要条件であるので、この濡れ性試験によってリードフレーム上に接続材料が濡れ広がった場合を合格（○）とし、濡れ広がらなかった場合を不合格（×）とした。
【００４９】
これらの評価結果を纏めて表１に示す。
【００５０】
【表１】
2014007223.tif 000003
【００５１】
表１から分かるように、実施例１〜１４では、加工度が５０％以上となるように減面加工を施したため、全ての接続材料において、その表面に形成されたＺｎの酸化皮膜を十分に破壊することができ、良好に濡れ広がる様子が確認できた。
【００５２】
これに対し、比較例１〜８では、加工度が５０％未満となるように減面加工を施したため、全ての接続材料において、その表面に形成されたＺｎの酸化皮膜を十分に破壊することができず、この酸化皮膜が接続材料のリードフレームへの濡れ広がりを阻害し、良好な濡れ性を得られなかった。
【００５３】
これらの結果から、本発明に係る接続材料の供給方法によれば、良好な濡れ性を得られることが分かる。
【００５４】
なお、実施例１〜１４、及び比較例１〜８では、リードフレームの表面に対して垂直に落下させるように減面加工後の接続材料を送り出して供給したが、リードフレームの表面に対して垂直な方向からリードフレームが進行する方向へ接続材料の先端部を曲げるように送り出して供給するようにしても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５５】
１  リードフレーム
２  接続材料
２ａ  減面加工前の接続材料
２ｂ  減面加工後の接続材料
３  半導体素子
４ａ、４ｂ  Ｚｎ条
５  Ａｌ条
６  Ａｌ芯線
７  Ｚｎ条
８  Ｚｎ−Ａｌ合金
９  酸化皮膜
１０  圧延ロール
【図１】
2014007223.tif 000004
【図２】
2014007223.tif 000005
【図３】
2014007223.tif 000006
【図４】
2014007223.tif 000007
【図５】
2014007223.tif 000008