(57)【要約】【課題】非鉛系高温はんだとしての亜鉛−アルミニウム（Zn-Al）系はんだの利点を維持しながら、接合面積収縮を抑制することができる接合材料を提供する。【解決手段】本発明に係る積層接合材料は、複数の金属層が積層されたシート状の積層接合材料であって、前記積層接合材料は、Zn層を中心層とし、前記亜鉛層を挟む両外層としてAl層が２つ形成され、前記２つのAl層の一方の層の外層としてCu層が形成され、前記２つのAl層の他方の層の外層としてCu-Ni合金層が形成されており、前記Cu-Ni合金層におけるNi濃度は、10質量％以上30質量％以下であり、前記Cu-Ni合金層は前記Cu層よりも厚く、かつ前記Cu-Ni合金層の厚さと前記Cu層の厚さとの差は前記積層接合材料の全体厚さの0.5％以上であり、前記Cu-Ni合金層の厚さと前記Cu層の厚さとの和は、前記積層接合材料の全体厚さの0.5％超3％以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属層が積層されたシート状の積層接合材料であって、
前記積層接合材料は、亜鉛層を中心層とし、前記亜鉛層を挟む両外層としてアルミニウム層が２つ形成され、前記２つのアルミニウム層の一方の層の外層として銅層が形成され、前記２つのアルミニウム層の他方の層の外層として銅−ニッケル合金層が形成されており、
前記銅−ニッケル合金層におけるニッケル濃度は、10質量％以上30質量％以下であり、
前記銅−ニッケル合金層は前記銅層よりも厚く、かつ前記銅−ニッケル合金層の厚さと前記銅層の厚さとの差は前記積層接合材料の全体厚さの0.5％以上であり、
前記銅−ニッケル合金層の厚さと前記銅層の厚さとの和は、前記積層接合材料の全体厚さの0.5％超3％以下であることを特徴とする積層接合材料。
【請求項２】
請求項１に記載の積層接合材料において、
前記銅層における銅濃度は、99質量％以上であることを特徴とする積層接合材料。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の積層接合材料において、
前記亜鉛層における亜鉛濃度は、90質量％以上であることを特徴とする積層接合材料。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層接合材料において、
前記アルミニウム層におけるアルミニウム濃度は、90質量％以上であることを特徴とする積層接合材料。
【請求項５】
溶融凝固した接合材料を介して第１の被接合部材と第２の被接合部材とが接合された接合体であって、
前記接合材料が、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の積層接合材料であることを特徴とする接合体。
【請求項６】
請求項５に記載の接合体において、
前記第１の被接合部材が半導体素子であり、
前記第２の被接合部材がリードフレームであることを特徴とする接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合材料に関し、特に、鉛成分を含まずに従来の高温はんだの代替を可能とする積層接合材料、およびそれを用いてはんだ接合した接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気電子機器の実装工程において、各部品の接合は一般的にはんだ付けによって行われる。はんだ材料としては、以前は鉛を含むはんだ（例えば、錫−鉛（Sn-Pb）系はんだ）が広く用いられてきた。しかしながら、近年、電気電子機器業界では、世界的にグリーン調達・グリーン設計の流れが強く、環境負荷ができるだけ小さい材料・製品が求められている。
【０００３】
例えば、欧州においては、「使用済み車両に関する2000年9月18日の欧州議会と欧州連合理事会の指令2000/53/EC」（ELV指令）が2000年10月21日に施行されている。また、「電子・電気機器における特定有害物質の使用制限についての欧州連合による指令」（RoHS指令）が2006年7月1日に施行されている。鉛はELV指令およびRoHS指令の禁止物質に指定されているため、鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）が種々開発されている。
【０００４】
はんだは、一般的にその融点により高温はんだ（融点290℃程度以上）、中温はんだ（融点220℃付近）、低温はんだ（融点180℃程度以下）に分類される。電気電子機器の実装工程では、下工程での熱処理で先に用いたはんだが再溶融しないように、上工程ほど融点の高いはんだが使用される。
【０００５】
現在、鉛フリーの中温はんだとしてはSn-Ag-Cu系はんだやSn-Cu系はんだ等が実用化されており、鉛フリーの低温はんだとしてはBi-Sn系はんだやSn-In系はんだ等が実用化されている。一方、高温はんだについては、従来から鉛を多く含む高鉛はんだ（鉛含有率85質量％以上のはんだ）が用いられているが、現在のところ当該高温はんだを完全に代替できる適当な市販品が存在しないため、高温はんだとして用いられる高鉛はんだは、ELV指令およびRoHS指令の適用免除対象となっている。しかしながら、世界的に地球環境保全の要請はますます強まっており、鉛を含有しない高温はんだの開発が強く望まれている。
【０００６】
鉛を含有しない高温はんだとしては、これまでに金（Au）系はんだ（例えば、Au-Sn系、Au-Si系、Au-Ge系）、亜鉛（Zn）系はんだ（例えば、純Zn、Zn-Al系）、及びビスマス（Bi）系はんだ（例えば、純Bi、Bi-Cu系、Bi-Ag系）等の報告がある。ただし、これらの非鉛系高温はんだには、次のような弱点がある。
【０００７】
Au系はんだは、その構成成分として80質量％以上のAuを含有しており、材料コスト面で汎用性に難がある。また硬くて脆い難点がある。Bi系はんだは、硬くて脆く、さらに熱伝導率が9 W/m・Kと他の高温はんだより大幅に低いため、高い熱伝導性が必要とされる部品（例えば、パワー半導体装置やパワーモジュール等）への適用は難しい。Zn系はんだは、材料コストが低く熱伝導率（100 W/m・K）が良好であるが、その酸化のし易さに起因して濡れ性が低く、特に酸化性雰囲気で使用すると充分な接合が得られないという弱点がある。
【０００８】
上述した非鉛系高温はんだの中で、Zn系はんだは低い材料コストと高い熱伝導率とにおいて大きな魅力を有しており、Zn系はんだの弱点を克服するための検討がなされている。例えば、特許文献１（特開2008-126272号公報）には、従来のZn-Al系はんだを改良した接合材料として、Al系合金層と、前記Al系合金層の最表面に設けられたZn系合金層とからなることを特徴とする接続材料が開示されている。特許文献１によると、Al系合金層の最表面にZn系合金層を設けた接続材料を用いるため、接続時に接続材料の表面のAl酸化膜の形成が抑制され、良好な濡れを得ることができるとしている。また、接続後にAl系合金層が応力緩衝材として機能するため、高い接続信頼性を得ることができ、260℃以上の融点を有するZn-Al系合金を接続に適用すること、接続時の濡れを改善すること、材料製造時のプロセスを低減すること、熱応力に対する接続信頼性を向上することが可能となるとしている。
【０００９】
また、特許文献２（特開2012-071347号公報）には、Znを主成分として含有する金属からなるZn系層の第１の主面にAlを主成分として含有する金属からなる第１のAl系層と第１のX系層がこの順に積層された接合材料であって、前記X系層は、Cu、Au、AgまたはSnのいずれかを主成分とする金属からなることを特徴とする接合材料が開示されている。特許文献２によると、接合材の酸化を防止することができ、酸素が存在する雰囲気中においても信頼性の高い接合を行うことが出来るとしている。また、本発明による接合材によって接合した接合構造は、ボイド率が10％以下にすることができ、接合強度も十分に確保することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１２６２７２号公報
【特許文献２】特開２０１２−０７１３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
電気電子機器に対しては、前述のグリーン調達・グリーン設計に加えて、小型化・高出力化が強く要求されている。特にパワー半導体装置やパワーモジュールにおいては、小型化・高出力化に伴って熱対策（例えば、良好な放熱性の確保）が重要な課題となっている。
【００１２】
本発明者等は、特許文献２の接合材料を用いてパワー半導体装置における接合を検討した。特許文献２の接合材料（はんだ）は、特許文献１の接合材料（はんだ）を更に改良したものと考えられ、ボイド率（はんだ接合面において、ボイドの全面積をはんだの平面方向の面積で除したもの）の低減に効果があると言える。
【００１３】
しかしながら、本発明者等の検討によると、特許文献２の接合材料を用いた接合は、電気的接合に問題は見られなかったものの、熱的接合において期待される値を下回る場合が散見された。そこで、その要因を詳細に調査したところ、はんだ接合している面積が設計上の接合面積（当初のはんだ面積）よりも小さくなっていることを突き止めた（詳細は後述する）。言い換えると、当初のはんだ面積よりもはんだ接合の面積が小さくなっていること（接合面積収縮）に起因して、熱伝達量が低下したと考えられた。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、上記の課題を解決し、非鉛系高温はんだとしての亜鉛−アルミニウム（Zn-Al）系はんだの利点を維持しながら、接合面積収縮を抑制することができる接合材料を提供することにある。また本発明の他の目的は、そのような接合材料を用いて接合した接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（I）本発明の一態様は、上記目的を達成するため、複数の金属層が積層されたシート状の積層接合材料であって、
前記積層接合材料は、亜鉛（Zn）層を中心層とし、前記亜鉛層を挟む両外層としてアルミニウム（Al）層が２つ形成され、前記２つのアルミニウム層の一方の層の外層として銅（Cu）層が形成され、前記２つのアルミニウム層の他方の層の外層として銅−ニッケル（Cu-Ni）合金層が形成されており、
前記銅−ニッケル合金層におけるニッケル濃度は、10質量％以上30質量％以下であり、
前記銅−ニッケル合金層は前記銅層よりも厚く、かつ前記銅−ニッケル合金層の厚さと前記銅層の厚さとの差は前記積層接合材料の全体厚さの0.5％以上であり、
前記銅−ニッケル合金層の厚さと前記銅層の厚さとの和は、前記積層接合材料の全体厚さの0.5％超3％以下であることを特徴とする積層接合材料を提供する。
【００１６】
また、本発明は、上記の本発明に係る積層接合材料（I）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記銅層における銅濃度は、99質量％以上である。
（ii）前記亜鉛層における亜鉛濃度は、90質量％以上である。
（iii）前記アルミニウム層におけるアルミニウム濃度は、90質量％以上である。
【００１７】
（II）本発明の他の一態様は、上記目的を達成するため、溶融凝固した接合材料を介して第１の被接合部材と第２の被接合部材とが接合された接合体であって、
前記接合材が、上記の積層接合材料であることを特徴とする接合体を提供する。
【００１８】
また、本発明は、上記の本発明に係る接合体（II）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（iv）前記第１の被接合部材が半導体素子であり、前記第２の被接合部材がリードフレームである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、非鉛系高温はんだとしての亜鉛−アルミニウム（Zn-Al）系はんだの利点を維持しながら、接合面積収縮が抑制された接合材料を提供することができる。すなわち、低コストで使い勝手の良い非鉛系高温はんだを提供することができる。また、そのような接合材料を用いて被接合体をはんだ接合することにより、高鉛はんだにより接合されていた従来の接合体の非鉛化を低コストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】接合面積収縮の確認実験における接合材料の変化の様子を示す断面模式図と上面模式図である。
【図２】本発明に係る接合材料の構造を示す断面模式図である。
【図３】本発明に係る接合体を作製する工程の一態様を示す断面模式図である。
【図４】本発明に係る接合体を作製する工程の他の態様を示す断面模式図である。
【図５】本発明に係る接合体の一例としての半導体装置を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（従来技術の実験・調査）
前述したように、本発明者等は、特許文献２の接合材料を用いたはんだ接合を実験・調査し、はんだ接合している面積が当初のはんだ面積よりも小さくなり易い（接合面積収縮し易い）ことを突き止めた。以下、その実験・調査について説明する。
【００２２】
接合面積収縮を確認するために、次のような実験を行った。一方の被接合部材となる銅基板の上に特許文献２に記載の接合材料を配置し、これを400℃まで加熱して、接合材料の溶融の様子（形状変化）を観察した。この確認実験では、接合材料の性状がより明確になるように、接合材料の上にもう一方の被接合部材を配置しなかった。
【００２３】
図１は、接合面積収縮の確認実験における接合材料の変化の様子を示す断面模式図と上面模式図である。まず、Cu基板11上に特許文献２に記載の接合材料12を配置する（図１（ａ）参照）。接合材料12は、Zn層121を中心層とし、該Zn層121を挟む両外層としてAl層122を具備し、該Al層の更に外層に最外層としてCu層123を具備している。
【００２４】
これを加熱すると、昇温過程において接合材料12のZn層121とAl層122とが拡散反応して、液相線温度（共晶温度：382℃）でZn-Al融液13を形成する。Zn-Al融液13は、その表面張力により最小表面積（すなわち球形）になろうとする。このとき、Cu層123は、まだ溶融していないが、非常に薄く、しかも焼鈍されて十分に軟化した状態である。そして、Cu層123は溶融していないことから、Cu層123とCu基板11とは未接合の状態にある（単に接触しているだけである）。その結果、Zn-Al融液13の表面張力により、接合材料は元の積層構造を保持することが困難となり、接合材料全体が球形に近づくように変形し、Cu層123の外縁領域がCu基板11から浮き上がる（図１（ｂ）参照）。
【００２５】
その後、更なる温度上昇に伴って、Zn-Al融液13とCu層123との拡散反応が進行して全体がZn-Al-Cu融液14となり、Cu基板11に対して濡れが生じる（図１（ｃ）参照）。
【００２６】
本実験を通して、次のようなことが判った。接合材料12と被接合部材（Cu基板11）との間に濡れが生じる前に、図１（ｂ）に示したように、Cu層123の外縁領域がCu基板11から浮き上がって接合材料全体が球形に近づくように変形する。その結果、濡れが生じた段階における接合面積は、初期の接合材料12の投影面積よりも小さくなり易い（すなわち、接合面積収縮し易い）。
【００２７】
（本発明の基本思想）
本発明者等は、上記確認実験から、濡れが生じる前に接合材料全体が球形に近づくように変形すること（図１（ｂ）参照）が問題の根幹と考えた。ただし、接合材料のZn層およびAl層（更にZn-Al融液）の望まない酸化を抑制するために、最外層となるCu層は必須の存在と考えられる。
【００２８】
図１（ｂ）の状態を避ける一つの対策としては、Zn-Al融液の表面張力に負けないようにCu層の厚さを増大させることが考えられる。しかしながら、Cu層の厚さを単純に厚くする方法は、接合材料に占めるCu成分比率が増加するため、Zn-Al-Cuの液相線温度が上昇してしまう（すなわち融点が上昇してしまう）デメリットが生じる。また、接合材料が厚くなると融液量も増加するため、はんだ過多による短絡を招くリスクが高まる。
【００２９】
そこで、本発明者等は、接合材料の最外層となる２つのCu層のうちの一方に、軟化温度が高く高温強度が高いCu合金層を用いることによって、Zn-Al融液生成後も接合材料全体の形状を維持させる（球形に近づくような変形を抑制する）ことを考えた。さらに、当該Cu合金層よりも先に、２つのCu層のうちの他方を溶融させることにより（言い換えると、Zn-Al融液を被覆している層の溶融に時間差を設けることにより）、形状が維持されているZn-Al融液（より正確には、Zn-Al-Cu融液）を被接合部材に対して濡れさせることを考えた。これら２つの作用により、はんだの接合面積収縮を抑制することができる。
【００３０】
以下、本発明に係る実施形態を具体的に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００３１】
（接合材料）
図２は、本発明に係る接合材料の構造を示す断面模式図である。図２に示したように、本発明に係る接合材料20は、シート状の積層構造を有しており、Zn層21を中心層とし、Zn層21を挟む両外層として２つのAl層22，22’が形成され、一方のAl層22の外層としてCu-Ni層23が形成され、他方のAl層22’の外層としてCu層24が形成されている。結果として当該積層構造が得られる限り、接合材料20の製造方法に特段の限定はないが、例えば、クラッド圧延加工法を好適に利用できる。
【００３２】
Zn層21は、Znを主成分とする金属からなる。具体的には、Znを90質量％以上含んでいればよく、純Znでもよい。なお、材料コストの観点からは純Znを用いることが好ましいが、クラッド圧延加工における硬さ調整（変形抵抗調整）の観点からZn合金を用いてもよい。
【００３３】
Al層22，22’は、Alを主成分とする金属からなる。具体的には、Alを90質量％以上含んでいればよく、純Alでもよい。なお、材料コストの観点からは純Alを用いることが好ましいが、クラッド圧延加工における硬さ調整（変形抵抗調整）の観点からAl合金を用いてもよい。
【００３４】
Cu-Ni合金層23は、Cu及びNiを主成分とする合金からなる。前述したように、Cu-Ni合金層23は、軟化温度が高く高温強度が高い層であり、Zn-Al融液生成（Zn層21とAl層22，22’との拡散反応）による表面張力に対して、接合材料20全体の形状を維持させる（球形に近づくような変形を抑制する）ことに貢献する。
【００３５】
Cu-Ni合金層23におけるNi濃度は、10質量％以上30質量％以下が好ましい。Ni濃度が10質量％未満であると、十分な高温強度が得られず、接合材料20全体の形状維持が困難になる。一方、Ni濃度が30質量％より大きいと、Cu-Ni合金層23の融点が高くなり過ぎて従来の接合温度で十分に溶融せず、被接合部材の接合が困難になる。なお、接合温度を従来よりも上昇させることは、被接合部材にダメージを与えるリスクが高まる。
【００３６】
Cu層24は、Cuを主成分とする金属からなる。具体的には、Cuを99質量％以上含んでいること（いわゆる純Cu）が好ましいが、希薄合金でもよい。なお、合金の場合には、Cu層24と接するAl層22’を腐食させるような金属元素（例えば、Sn）が含まれないことが好ましい。また、Al層22’およびZn-Al融液を酸化させないように、酸素含有量（溶融時の酸素放出量）が少ない銅（例えば、無酸素銅やリン脱酸銅）を用いることが好ましい。
【００３７】
Cu-Ni合金層23はCu層24よりも厚く、かつCu-Ni合金層23の厚さとCu層24の厚さとの差は、接合材料20の全体厚さの0.5％以上であることが好ましい。これは、Zn-Al融液生成時およびZn-Al-Cu融液生成時において、Cu-Ni合金層23が溶融せず、接合材料20全体の形状を維持させるようにするためである。
【００３８】
また、Cu-Ni合金層23の厚さとCu層24の厚さとの和は、接合材料20の全体厚さの0.5％超3％以下であることが好ましい。層の厚さの和が0.5％以下であると、Zn-Al融液生成時およびZn-Al-Cu融液生成時において、接合材料20全体の形状維持が困難になる。一方、層の厚さの和が3％超になると、接合材料20に占めるCu成分比率が増加するため、Zn-Al-Cuの液相線温度が上昇してしまう（すなわち融点が上昇してしまう）デメリットが生じる。
【００３９】
（接合体）
図３は、本発明に係る接合体（本発明に係る接合材料を用いて接合した接合体）を作製する工程の一態様を示す断面模式図である。図３（ａ）に示したように、まず、第１の被接合部材31（例えば、半導体素子）と第２の被接合部材32（例えば、基板、リードフレーム）との間に、本発明に係る接合材料20を配置する。
【００４０】
次に、還元性雰囲気（例えば、N2とH2との混合ガス雰囲気）中で、全体を加熱する（例えば、390〜400℃で1〜3分間保持）。このとき、昇温過程においてZn層21とAl層22，22’とが拡散反応して、Zn層21とAl層22との界面およびZn層21とAl層22’との界面から液相化が開始し、液相線温度（例えば、382℃）に達すると、Zn層21とAl層22，22’とが完全に液相化する。Zn-Al融液の生成により液相の表面張力が働くが、Cu-Ni合金層23の高温強度が高いため、接合材料20全体としての形状は維持される。
【００４１】
また、Zn-Al融液の生成により、Cu-Ni合金層23およびCu層24がZn-Al融液中へ溶解し始める。ここで、本発明の接合材料20は、Cu層24がCu-Ni合金層23よりも薄くかつCu濃度が高い。そのため、Cu層24がCu-Ni合金層23よりも先にZn-Al融液中へ溶解してZn-Al-Cu融液25を生成し、Zn-Al-Cu融液25と第２の被接合部材32とが濡れる（図３（ｂ）参照）。上述したように、Cu-Ni合金層23の存在により接合材料20全体としての形状が維持されているため、Zn-Al-Cu融液25と第２の被接合部材32との濡れにおいて、接合面積収縮が抑制される。
【００４２】
その後、Cu-Ni系合金層23の溶解が更に進行し、Zn-Al-Cu-Ni融液26を生成してZn-Al-Cu-Ni融液26と第１の被接合部材31とが濡れ、第１の被接合部材31と第２の被接合部材32とがはんだ接合される。全体を冷却（例えば、炉冷、空冷）するとZn-Al-Cu-Ni融液26が凝固して、接合体30が得られる（図３（ｃ）参照）。
【００４３】
なお、上記説明では、接合材料20のCu-Ni合金層23を第１の被接合部材31の側に配置したが、本発明はそれに限定されるものではなく、Cu-Ni合金層23を第２の被接合部材32の側に配置してもよい。
【００４４】
図４は、本発明に係る接合体を作製する工程の他の態様を示す断面模式図である。図４の工程は、第１の被接合部材31を配置するタイミングにおいて図３の工程と異なり、他は図３の工程と同様である。まず、図４（ａ）に示したように、第２の被接合部材32上に、本発明に係る接合材料20を配置する。次に、上述と同様の手順により、Zn-Al-Cu融液25を生成し、Zn-Al-Cu融液25を第２の被接合部材32に濡らせる。このタイミングで第１の被接合部材31を接合材料上に配置する（図４（ｂ）参照）。このとき、接合材料のCu-Ni合金層23は、Zn-Al-Cu融液25上に残っていてもよいし、半分溶解していてもよいし、完全に溶解してしてもよい。その後、図３と同様に、Zn-Al-Cu-Ni融液26と第１の被接合部材31とを濡らし、全体を冷却すると接合体30が得られる（図４（ｃ）参照）。
【００４５】
（半導体装置）
図５は、本発明に係る接合体の一例としての半導体装置を示す断面模式図である。図５に示したように、半導体装置50は、半導体素子51がリードフレーム52上に、本発明に係る接合材料53によってはんだ接合（ダイボンディング）され、ている。半導体素子51の電極（図示せず）とリード55のインナーリードとがワイヤ54によってワイヤボンディングされ、全体（リード55のアウターリードを除く）が封止材56（例えば、レジン）によって封止された構造を有する。半導体装置50では、半導体素子51とリードフレーム52とのはんだ接合に本発明に係る接合材料53を用いることによって、従来は高鉛はんだが使用されていた半導体装置を低コストで非鉛化することができる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例および比較例により本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４７】
（実施例１の接合材料の作製および接合体の作製）
図２に示した積層構造になるように、クラッド圧延加工によって接合材料（全体厚さ100μm）を作製した。実施例１の積層構造は、Zn層21を純Zn層（厚さ83μm）とし、Al層22，22’を純Al層（厚さ7μm）とし、Cu-Ni合金層23をCu-20質量％Ni層（厚さ2.5μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.5μm）とした。
【００４８】
接合材料の諸元（Cu-Ni合金層のNi濃度および厚さa、Cu層の厚さb、接合材料の全体厚さc）を後述する表１に示す。また、表１には、Cu-Ni合金層の厚さaとCu層の厚さbとの差の接合材料全体厚さcに対する比率「(a−b)/c×100」、およびCu-Ni合金層の厚さaとCu層の厚さbとの和の接合材料全体厚さcに対する比率「(a＋b)/c×100」を併記した。
【００４９】
次に、上記で得られた接合材料を用いて、以下の手順で半導体素子とリードフレームとをはんだ接合し、接合体を作製した。リードフレームとしてNiめっき付Cu製リードフレーム（10 mm×10 mm×1 mm）を用意し、5 mm角に切り出した接合材料を該リードフレームの中央に配置した。次に、接合材料の上に、半導体素子としてSi製半導体チップ（5 mm×5 mm×0.3 mm、接合面はAu被覆）を配置した。全体を加熱炉内に設置し、400℃まで加熱して3分間保持する熱処理を施した。熱処理雰囲気はN2-4体積％H2とした。
【００５０】
（はんだ接合の評価）
（１）超音波探傷検査（接合状態および接合面積率の評価）
上記で得た接合体に対して超音波探傷検査を行い、超音波画像から、接合材料の充填状態やはんだ接合部分の空隙部（ボイド）を観察し、接合材料と半導体素子との接合状態および接合面積率を評価した。超音波探傷装置には日立建機株式会社製、型式：FS 300を用いた。
【００５１】
接合状態は、接合材料が未充填の部分が観察されない場合に「合格」と判定し、未充填の部分が観察された場合には「不合格」と判定した。また、はんだ接合部分における空隙部以外の面積を接合面積として、Si製半導体チップの投影面積（5 mm×5 mm）を「100％」としたときの、接合面積率（％）を算出し、接合面積率が90％以上を「合格」と判定し、90％未満を「不合格」と判定した。総合評価として、接合状態および接合面積率が共に合格であった場合に「合格」と判定し、接合状態および接合面積率の少なくとも一方が不合格であった場合には「不合格」と判定した。はんだ接合の評価結果を後述する表２に示す。
【００５２】
（実施例２の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
実施例２の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-15質量%Ni層（厚さ2.0μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ1.0μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００５３】
（実施例３の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
実施例３の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-20質量％Ni層（厚さ2.2μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.8μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００５４】
（実施例４の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
実施例４の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-25質量％Ni層（厚さ1.8μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ1.2μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００５５】
（実施例５の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
実施例５の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-10質量％Ni層（厚さ1.5μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００５６】
（実施例６の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
実施例６の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-30質量％Ni層（厚さ1.3μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.7μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００５７】
（実施例７の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
実施例７の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-20質量％Ni層（厚さ0.8μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.2μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００５８】
（実施例８の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
実施例８の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-25質量％Ni層（厚さ0.9μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.3μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００５９】
（実施例９の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
実施例９の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-20質量％Ni層（厚さ2.6μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.4μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６０】
（実施例１０の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
実施例１０の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-30質量％Ni層（厚さ1.0μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.3μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６１】
（比較例１の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例１の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-25質量％Ni層（厚さ1.5μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ1.5μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６２】
（比較例２の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例２の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-20質量％Ni層（厚さ1.0μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ2.0μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６３】
（比較例３の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例３の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-20質量％Ni層（厚さ2.0μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ1.6μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６４】
（比較例４の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例４の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-10質量％Ni層（厚さ1.7μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ1.3μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６５】
（比較例５の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例５の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-30質量％Ni層（厚さ1.2μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.8μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６６】
（比較例６の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例６の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-20質量％Ni層（厚さ0.8μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.6μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６７】
（比較例７の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例７の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-25質量％Ni層（厚さ2.5μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ2.5μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６８】
（比較例８の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例８の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-15質量％Ni層（厚さ3.5μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００６９】
（比較例９の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例９の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-20質量％Ni層（厚さ0.3μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.1μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００７０】
（比較例１０の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例１０の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-5質量％Ni層（厚さ2.0μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ1.0μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００７１】
（比較例１１の接合材料の作製、接合体の作製およびはんだ接合の評価）
比較例１１の接合材料は、Cu-Ni合金層23をCu-40質量％Ni層（厚さ2.5μm）とし、Cu層24を無酸素銅層（厚さ0.5μm）としたこと以外は実施例１と同様にして作製した。また、実施例１と同様にして接合体を作製し、超音波探傷検査を行った。接合材料の諸元を表１に併記し、はんだ接合の評価結果を表２に併記する。
【００７２】
【表１】
2014184446.tif 000003
【００７３】
【表２】
2014184446.tif 000004
【００７４】
表１および表２に示したように、本発明に係る接合体（実施例１〜１０）は、接合状態および接合面積率の両方の項目において「合格」であった（すなわち、総合評価が「合格」であった）。特に、Cu-Ni合金層の厚さaとCu層の厚さbとの差「(a−b)/c×100」が大きい実施例１，３，９は、より高い接合面積率を示した（それぞれ98％，97％，99％）。このことから、「(a−b)/c×100」が大きいほど、接合面積率が大きくなることが判った。これは、Cu層が溶解するまでの時間とCu-Ni合金層が溶解するまでの時間との時間差を大きくなることで、接合材料全体の形状維持がより容易になるためと考えられた。
【００７５】
一方、本発明の規定を満たしていない接合体（比較例１〜１１）は、接合状態および接合面積率の少なくとも一方が「不合格」であった（すなわち、総合評価が「不合格」であった）。より詳細にみると、比較例１，２，４〜６，９については、Cu-Ni合金層の厚さaとCu層の厚さbとの差「(a−b)/c×100」が0.5％以下であり、接合面積率が「不合格」となった。これは、Cu層が溶解するまでの時間とCu-Ni合金層が溶解するまでの時間との時間差が小さいために、接合材料全体の形状維持が困難であったためと考えられた。
【００７６】
比較例３，７，８については、Cu-Ni合金層の厚さaとCu層の厚さbとの和「(a＋b)/c×100」が3％より大きく、接合状態および接合面積率のいずれの項目も「不合格」となった。これは、接合材料に占めるCu成分比率が増加したことによって、接合材料全体としての融点が上昇し、上述の加熱条件では接合材料全体が完全に溶融しなかったためと考えられた。
【００７７】
比較例１０については、Cu-Ni合金層におけるNi濃度が10質量％未満であり、接合面積率が「不合格」となった。これは、Cu-Ni合金層で十分な高温強度が得られず、接合材料全体の形状維持が困難になったためと考えられた。一方、比較例１１については、Cu-Ni合金層におけるNi濃度が30質量％より大きく、接合状態および接合面積率のいずれの項目も「不合格」となった。これは、Cu-Ni合金層の融点が高くなり、上述の加熱条件では接合材料全体が完全に溶融しなかったためと考えられた。
【００７８】
以上説明したように、本発明によれば、非鉛系高温はんだとしてのZn-Al系はんだの利点を維持しながら、接合面積収縮が抑制された接合材料を提供することができ、該接合材料を用いることによって、従来は高鉛はんだが使用されていた接合体を低コストで非鉛化することができる。接合工程における接合不良（接合材料と被接合部材との間の剥離）を抑制し、従来よりも被接合部材との接合状態が優れ、かつ被接合部材との接合面積が大きい接合材料を提供することができる。
【００７９】
なお、上述した実施形態および実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
【符号の説明】
【００８０】
11…Cu基板、12…接合材料、121…Zn層、122…Al層、123…Cu層、
13…Zn-Al融液、14…Zn-Al-Cu融液、
20…接合材料、21…Zn層、22，22’…Al層、23…Cu-Ni層、24…Cu層、
25…Zn-Al-Cu融液、26…Zn-Al-Cu-Ni融液、
30…接合体、31…第１の被接合部材、32…第２の被接合部材、
50…半導体装置、51…半導体素子、52…リードフレーム、53…接合材料、
54…ワイヤ、55…リード、56…封止材。
【図１】
2014184446.tif 000005
【図２】
2014184446.tif 000006
【図３】
2014184446.tif 000007
【図４】
2014184446.tif 000008
【図５】
2014184446.tif 000009