(57)【要約】      （修正有）【課題】鉛を実質的に含有しない接合材を用い、高温条件においても良好な機械的強度を保持可能な接合体及び半導体装置。【解決手段】接合体４は、第１金属被接合材１と、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料よりなる第２金属被接合材２とが接合され、接合層３の断面微細構造に、第２金属被接合材構成元素と錫とを含む固溶体相が存在する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属被接合材と、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料よりなる第２金属被接合材とが接合され、
接合層の断面微細構造に、第２金属被接合材構成元素と錫とを含む固溶体相が存在することを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記接合層の断面微細構造に、第２金属被接合材構成元素と錫とを含む固溶体相と、第２金属被接合材構成元素の少なくとも一種と錫とを構成元素とする複数の金属間化合物相が存在することを特徴とする接合体。
【請求項３】
前記第１金属被接合材が、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群から選択される材料よりなることを特徴とする請求項１又は２記載の接合体。
【請求項４】
少なくとも一面が金属薄膜でメタライズされた半導体素子と、
少なくとも前記半導体素子を載置する面がニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料からなる前記半導体素子を載置する金属リードフレームと、
前記半導体素子の金属薄膜がメタライズされた面と金属リードフレーム間に存在して前記半導体素子と前記金属リードフレームとを接合し、その断面微細構造に、第２金属被接合材構成元素の少なくとも一種と錫とを含む固溶体相と、第２金属被接合材構成元素の少なくとも一種と錫とを構成元素とする複数の金属間化合物相が存在する接合層と、
前記半導体素子及びリードフレームを封止する封止樹脂とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記金属薄膜が、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料よりなることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
第１金属被接合材と、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料からなり少なくとも厚さ０．１μｍ以上の第２金属被接合材とを、錫又は液相線温度が２３２℃以下である錫合金からなる厚さ０．１μｍ以上、１３０μｍ以下である薄層接合材を介し積層して積層体を形成する工程と、
前記積層体を２６５℃以上、４５０℃以下の温度に加熱して前記第１金属被接合材及び第２金属被接合材を互いに接合する工程を行うことを特徴とする接合方法。
【請求項７】
前記液相線温度が２３２℃以下である錫含有合金は、錫及び銀を主成分とする錫−銀系合金、錫、銀及び銅を主成分とする錫−銀−銅系合金、錫及び銅を主成分とする錫−銅系合金、錫及び亜鉛を主成分とする錫−亜鉛系合金からなる群より選択されることを特徴とする請求項６記載の接合方法。
【請求項８】
前記第１金属被接合材は、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムよりなる群より選択される材料よりなること特徴とする請求項６記載の接合方法。
【請求項９】
少なくとも一面に金属薄膜がメタライズされた半導体素子と、少なくとも前記半導体素子を載置する面がニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料からなる前記半導体素子を載置する厚さ５０μｍ以上のリードフレームとを、前記半導体素子の金属薄膜がメタライズされた面と前記リードフレームとを対向させ、錫又は液相線温度が２３２℃以下である錫合金を用いた厚さ０．１μｍ以上、３００μｍ以下の薄層接合材を介し積層して積層体を形成する工程と、
前記積層体を２６５℃以上、４５０℃以下の温度に加熱して前記半導体素子及び前記リードフレームを互いに接合する工程と、
前記接合された半導体素子とリードフレームを樹脂封止する工程とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記液相線温度が２３２℃以下である錫含有合金は、錫及び銀を主成分とする錫−銀系合金、錫、銀及び銅を主成分とする錫−銀−銅系合金、錫及び銅を主成分とする錫−銅系合金、錫及び亜鉛を主成分とする錫−亜鉛系合金からなる群より選択されることを特徴とする請求項９記載の接合方法。
【請求項１１】
前記金属薄膜が、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料よりなることを特徴とする請求項９記載の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、特に電子機器の部品の接合に好適に用いられ、金属材料同士、表面に金属がメタライズされた非金属材料と金属材料、表面に金属がメタライズされた非金属材料同士の接合体、接合方法、それを用いた半導体装置、半導体装置の製造方法に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
ある物体とその物体よりも融点が低い物質を用いた接合技術であるはんだ接合技術は、古くから一般に使用されており、電子機器の接合においても、マイクロプロセッサ、メモリ、抵抗、及びコンデンサなどの半導体素子や電子部品と実装基板との接合をはじめとして幅広く用いられている。はんだ接合は、部品を基板に機械的に固定するだけでなく、導電性を有する金属をはんだに含有させることにより電気的にも接合する特長を有する。
【０００３】
今日、パーソナルコンピュータ、携帯電話などに代表されるパーソナル機器の普及が急速に進むにつれ、電子部品の実装技術における接合材や接合方法の選択はますますその重要性が増大している。
【０００４】
従来から、実用に極めて適しているところから、錫−鉛系共晶はんだが多用されてきた。しかし、錫−鉛系共晶はんだに含まれる鉛は、人体に対し有害であることから、鉛を含まない、いわゆる非鉛系はんだの開発が急務とされている。
【０００５】
一方、現在半導体デバイスの中で例えばパワーデバイスの接合材としては、主に融点が約１８３℃以下の低温系はんだ（Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ）と、融点が約３００℃程度の高温系はんだ（Ｐｂ−５Ｓｎはんだ）が多用されており、それぞれ工程に応じて使い分けられている。
【０００６】
このうち、低温系はんだについては、錫−銀−銅系合金を中心としたものが実用化の段階に到達しており、今後数年で多くのセットメーカーで非鉛系共晶はんだの代替は完了することが予定されている。
【０００７】
しかしながら、高温系はんだ、すなわち例えば２５０℃の高温条件下においても良好な機械的強度を保持する接合部を形成する接合材については、高鉛含有材料以外には未だに有力な候補が見つかっていない。
【０００８】
鉛等の有害物質を使用しない金属材料を用いて融点３００℃付近の金属合金を開発しようとした場合には、融点２３２℃の錫を主成分とした錫基合金の高融点化、または融点４２０℃の亜鉛をベースとした亜鉛基合金の低融点化のいずれかが考えられる。
しかし、これらの合金の開発からは高温での機械的強度を十分に保持可能な接合部を形成できる材料が未だ見つかってはいない。
【０００９】
高温条件下においても良好な機械的特性を保持する接合部を形成する技術として、接合部を金属化合物化させ、耐熱性を向上させる方法が、例えば非特許文献１に提案されている。しかしながら、この方法では、接合界面全体を金属間化合物化させるため、化合物が充分成長するための時間、例えば実装時間に３０分から１時間程度必要とするという難点がある。また、金属間化合物の脆性のため接合部の機械的信頼性が劣り、また熱伝導性−電気抵抗も劣化する恐れがあるという難点もある。
【非特許文献１】山本 他、「Ｓｎ−Ａｇはんだを用いたマイクロ接合部の金属間化合物化に関する研究」、第１３回マイクロエレクトロニクスシンポジウム論文集、（２００３）、４５−４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、実質的に鉛を含有しない接合材を用い、高温条件においてもなお良好な機械的強度を保持可能な接合部を短時間で形成可能な接合体、及び接合方法、及び実質的に鉛を含有しない接合材を用い、高温条件にあっても半導体素子とリードフレームとの接合部が良好な機械的強度を保持することが可能な接合を短時間で達成できる半導体体装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、第１金属被接合材と、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される第２金属被接合材とが接合され、接合層の断面微細構造に、第２金属被接合材構成元素と錫とを含む固溶体相が存在する接合層とを備えることを特徴とする接合体である。前記の接合層中には、前記固溶体相とともに、第２金属被接合材の構成元素と錫とを構成元素とする複数の粒状金属間化合物相も存在していることがより望ましい。
【００１２】
前記接合体において、前記第１金属被接合材は、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群から選択されることが望ましい。
また、第１金属被接合材及び第２被接合材は、いずれも単一の金属材料からなるものでなくてもよく、例えば金属−金属のクラッド材や金属−セラミックスの複合材であってもよい。いずれの場合も、接合面側が上記の金属からなるものであれば本発明を適用することができる。
【００１３】
また、本発明は、少なくとも一面が金属薄膜でメタライズされた半導体素子と、少なくとも前記半導体素子を載置する面がニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料からなる前記半導体素子を載置する金属リードフレームと、前記半導体素子の金属薄膜がメタライズされた面及び前記金属リードフレーム間に存在して前記半導体素子と前記金属リードフレームとを接合し、その断面微細構造に、第２金属被接合材構成元素と錫とを含む固溶体相と、第２金属被接合材構成元素の少なくとも一種と錫とを構成元素とする複数の粒状金属間化合物相が存在する接合層と、前記半導体素子及びリードフレームを封止する封止樹脂とを備えることを特徴とする半導体装置である。
【００１４】
前記半導体装置において、前記金属薄膜は、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料を用いることが望ましい。
【００１５】
また、本発明は、第１金属被接合材と、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料からなり少なくとも厚さ０．１μｍ以上の第２金属被接合材とを、錫又は液相線温度が２３２℃以下である錫合金からなる厚さ１μｍ以上、１００μｍ以下の薄層接合材を介し積層して積層体を形成する工程と、前記積層体を２６５℃以上、４５０℃以下の温度に加熱して前記第１金属被接合材及び前記第２金属被接合材を互いに接合する工程を行うことを特徴とする接合方法である。
【００１６】
前記接合方法において、前記液相線温度が２３２℃以下である錫含有合金としては、錫及び銀を主成分とする錫−銀系合金、錫、銀及び銅を主成分とする錫−銀−銅系合金、錫及び銅を主成分とする錫−銅系合金、錫及び亜鉛を主成分とする錫−亜鉛系合金からなる群より選択されることが望ましい。
【００１７】
前記接合方法において、前記第１金属被接合材は、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムよりなる群より選択されることが望ましい。
また、本発明は、少なくとも一面に金属薄膜がメタライズされた半導体素子と、少なくとも前記半導体素子を載置する面がニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料からなる前記半導体素子を載置する厚さ５０μｍ以上のリードフレームとを、前記半導体素子の金属薄膜がメタライズされた面と前記リードフレームとを対向させ、錫又は液相線温度が２３２℃以下である錫合金を用いた厚さ０．１μｍ以上、３００μｍ以下の薄層接合材を介し積層して積層体を形成する工程と、前記積層体を２６５℃以上、４５０℃以下の温度に加熱して前記半導体素子及び前記リードフレームを互いに接合する工程と、前記接合体を樹脂封止する工程とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１８】
前記半導体装置の製造方法において、前記液相線温度が２３２℃以下である錫含有合金は、錫及び銀を主成分とする錫−銀系合金、錫、銀及び銅を主成分とする錫−銀−銅系合金、錫及び銅を主成分とする錫−銅系合金、錫及び亜鉛を主成分とする錫−亜鉛系合金からなる群より選択されることが望ましい。
【００１９】
前記半導体装置の製造方法において、前記金属薄膜は、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料を用いることが望ましい。
本発明においては、例えば第２金属被接合材としてニッケルを用いた場合、図６のＮｉ−Ｓｎの状態図に示されるように、その液相線は、ニッケルが１％程度固溶しただけで、３５０℃程度にまで上昇する。したがって、第１金属被接合材と第２金属被接合材であるニッケルとの間に錫又は液相線が２３２℃以下の錫合金を介在させて加熱すると、まず錫又は錫合金が２３２℃で溶解し、さらに昇温させるとその温度に対応した固溶体の組成までニッケルが溶解して融点の高い接合層が形成され、冷却過程でその一部が金属間化合物として析出して、Ｓｎ−Ｎｉ固溶体に金属間化合物の微粒子が分散した機械的強度の大きい融点の高い接合層を形成する。
溶解しないで残った第２金属被接合材は、基材の銅に対してバリヤー層となりリードフレームの欠陥の原因となるカーケンダルボイドの発生を防止する。
なお、高い融点の接合層を形成するため、半導体装置の場合の接合層の厚さは、０．１〜３００μｍ、好ましくは１〜５０μｍであり、ニッケル等の半導体素子のメタライズ層の厚さは０．１〜５μｍの範囲であり、金めっきを施す場合には、１０Å程度とすることが望ましい。
また、加熱温度は、錫又は錫合金の融点以上、リードフレームの軟化温度とされる４５０℃を越えない温度とすることが望ましく、通常は３５０℃程度とすることよりが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の接合体は有害な高鉛含有接合材を使用せずとも十分な接合強度を有し、かつ高温条件においても機械的強度が維持可能である。
【００２１】
本発明の接合方法によれば、錫ベースの接合材を用い、有害な高鉛含有接合材を使用せず、かつ接合ピーク温度に維持する時間が短くとも耐熱性が高い接合部が形成される。
【００２２】
すなわち、本発明によれば短時間で接合が可能なため、接合体の製造効率の向上に寄与する。例えば、実際の半導体装置の実装工程において鉛含有はんだを用いた現行の製造速度と同程度の製造速度に設定することを可能とし、製造効率を低減させない。
【００２３】
また、本発明の半導体装置の製造方法及び半導体装置によれば、半導体装置の製造過程において有害な高鉛含有接合材を使用せずとも、高温条件下にさらされても半導体素子とリードフレーム間の接合強度は維持され、信頼性の高い半導体装置を短時間で提供できるものである。
故に、本発明は産業上及び環境対策上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、第１金属被接合材１が、第２金属被接合材２に接合層３を介して接合された本発明の接合体の一実施形態を拡大して示す断面図である。
【００２５】
この実施形態では、第１金属被接合材１として金属材料が使用されている。
使用する金属材料は用途に応じて選択可能で特に限定されないが、高温条件下において溶融した錫に溶解−拡散した場合、錫中に固溶して形成される錫合金の固相線温度が著しく低下しない材料であることが望ましい。
具体的には、望ましくは、後述する第２金属被接合材と同様にニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料である。これらの金属を用いた場合には、耐熱性に優れた接合部を形成することができる。なお、これらの金属意外でもゲルマニウム、ベリリウム、ニオブ、マンガンなどは、好ましい材料である。
【００２６】
第２金属被接合材２は、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料を用いることを必須とし、用途に応じて選択する。これらの元素は高温での加熱によって錫を含有する接合材へ溶解−拡散した場合、錫中に固溶し、形成される錫合金の液相線温度を急激に上昇させることができる。このうち特にニッケル、白金が錫合金の液相線上昇の点で好ましい。
【００２７】
前記第１金属被接合材１及び第２金属被接合材２を接合する接合層３の断面構造においては錫ベース相、つまり、第２金属被接合材構成元素と錫とを含む固溶体相が存在している。
【００２８】
接合層３はもともと低融点金属である錫ベース相であるが、第２金属被接合材構成元素、若しくは、第１金属被接合材構成元素を固溶することにより、３００〜４００℃以上、若しくは、それ以上の液相線温度を有する錫合金となる。このような構造をとることにより、接合層３が高温となったとき、例えば２５０℃以上の温度条件下に置かれた場合、接合層３の全てが液相化することがなく液相と固相が混じった固液共存状態が維持される。これによって接合部の機械的強度が維持される。
【００２９】
接合層全体が金属間化合物化してしまうと接合部の融点は高くなるものの、金属間化合物自体は脆性が高いため接合部は脆性化し、機械的強度が低下する恐れがあるが、本発明においては、固溶体中に金属管化合物が分散しているため、機械的強度が大きく、しかも耐熱性に優れた接合部が得られる
【００３０】
なお、晶出される金属間化合物相が針状であると、接合部のクラックなどの原因となり機械的強度が維持されない恐れがあるが、本発明において接合府に形成される金属間化合物は、以下説明するように、スカラップ状や粒状であり、したがってこのような問題は生じない。
【００３１】
接合層３の一例を示す断面概略図を図２に示す。図２に示した接合層１３は以下のようにして得られた接合体の断面のＳＩＭ観察結果を模式的に示したものてある。
この接合体は第１金属被接合材、第２金属被接合材として共に厚さ３００μｍ厚のニッケル板を用い、この第１金属被接合材、２金属被接合材間に接合材として錫箔を介在させて積層体を形成し、この積層体を加熱時間が３０秒でピーク温度（３５０℃）が５秒となるよう加熱して得られたものである。
【００３２】
すなわち、図２に示されるように、第１金属被接合材１１、第２金属被接合材１２間の接合層１３には、少なくとも第１及び第２被接合材構成元素であるニッケルが錫中に固溶した固溶体相１４と第２金属構成元素を含まない錫相１５が存在していた。また、第１金属被接合材１１若しくは第２金属被接合材１２と接合層１３との界面に、第１及び第２被接合材構成元素と錫とを構成元素とするスカラップ状の金属間化合物相１６が存在していた。
【００３３】
なお、本発明の接合体においては、第１金属被接合材若しくは第２金属被接合材と接合層との界面に、第１及び／または第２被接合材構成元素と錫とを構成元素とするスカラップ状の金属間化合物相が存在しても存在していなくともよい。しかしながら、このスカラップ状の金属間化合物が多すぎると、接合強度を低下させる恐れがあるので、できるだけ少ないほうが望ましく、具体的にはその平均厚さが平均接合部の厚さの１／２以下であることが望ましい。
【００３４】
図２で示した例は、第２金属被接合材が単一種の元素からなるものであるが、第２金属被接合材が２種以上の元素からなる材料の場合には、第２金属被接合材構成元素と錫とを含む固溶体相に、第２金属被接合材構成元素のうちの一部または全部の元素が含有されるものであってよい。
【００３５】
また、図２に示した例では、第１金属被接合材と第２金属被接合材とは同種の材料を用いているが、第１金属被接合材と第２金属被接合材が異種の材料を用いた場合、第２金属被接合材構成元素と錫とを含む固溶体相に、第１の金属被接合材構成元素のうちの一部または全部が更に含有されていてもよい。
【００３６】
また、第１金属被接合材と第２金属被接合材が異種の材料を用いた場合、第２金属被接合材構成元素と錫とを構成元素とする粒状金属間化合物は、第１の金属被接合材構成元素のうちの一部または全部の元素を構成元素として更に含むものであってもよい。
【００３７】
また、さらに第１金属被接合材と第２金属被接合材が異種の材料を用いた場合、接合層には、第１の金属被接合材と錫とを含む相や、第１の金属被接合材構成元素と錫とを構成元素とする粒状の金属間化合物相が存在していてもよい。
【００３８】
粒状の金属間化合物相は、接合層の観察される範囲で面積率５％以上、２０％以下存在することが望ましい。この範囲であると接合部の機械的強度が保持でき、かつ耐熱性の向上効果が大きい。
【００３９】
粒状の金属間化合物相は、観察される範囲での平均粒径が０．１μｍ以上、５μｍ以下であることが望ましい。この範囲であると接合部の機械的強度が保持でき、かつ耐熱性の向上効果が大きい。
【００４０】
粒状の金属間化合物相の形状は特に限定されない。高温での接合強度を高めるために短径と長径の比は１：１〜１：３の範囲であることがより望ましい。また、表面に凹凸を有するものであってもよい。
【００４１】
上記の接合体を得るには以下に詳細を示すような接合方法を行うことにより得ることができるが、この方法に限定されるものではない。
【００４２】
図３は接合方法の実施形態を示す断面図である。
図３（ａ）に示すように、まず、第１金属被接合材１と、薄層接合材５と、第２金属被接合材２とを積層して積層体６を形成する。このとき加圧を行ってもよい。
【００４３】
次に、この積層体６を加熱することによって、図３（ｂ）に示すように第１金属被接合材１及び第２金属被接合材２が接合層３を介して接合された接合体４が得られる。
【００４４】
なお、積層体６を得る際に、図３（ｃ）に示すように、予め第２金属被接合材２表面に薄層接合材５をメタライズし、第２金属被接合材２表面に薄層接合材５が被着した状態のものに第１金属被接合材１を積層して積層体６を形成してもよい。また図３（ｄ）に示すように予め第１金属被接合材１の表面をメタライズし、第１金属被接合材１表面に薄層接合材５が被着したものと第２金属被接合材２を積層して積層体６を形成してもよい。
【００４５】
なお、第１金属被接合材又は第２金属被接合材は、金属、セラミックス、半導体等からなる他の部材表面にメタライズされて、当該部材を他の部材と接合させるための部材として用いられる場合も本発明の範疇に含まれる。
【００４６】
図４は、接合方法の、さらに他の実施形態を示す断面図である。
この実施形態では、母材７表面に第１金属被接合材１が、母材８表面に第２金属被接合材２がメタライズされている。各メタライズ層の間には薄層接合材５を配置し積層体９を構成する。この後積層体９を加熱することにより接合を行う。なお、母材８、メタライズ層２が共にニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料である場合、母材８とメタライズ層２の積層体が第２金属被接合材となる。
【００４７】
図４には第１被接合材及び第２被接合材が共に他の母材表面にメタライジングされた例を示したが、第１金属被接合材のみを他の母材表面にメタライジングし、第２金属被接合材は他の母材にメタライジングされていない場合も本発明の範疇に含まれる。これとは逆に第２金属被接合材のみを他の母材表面にメタライジングし、第１金属被接合材は他の母材にメタライジングされていない場合も本発明の範疇に含まれる。
【００４８】
第１及び第２金属被接合材を他の部材表面にメタライズする手段としては、蒸着、めっき処理や電子ビーム処理等が挙げられる。
【００４９】
以下、上記接合方法に用いられる部材について更に説明する。
第１金属被接合材１は、通常、金属材料が使用される。金属材料は用途に応じて選択可能であり特に限定されないが、高温条件下において溶融した錫に溶解・拡散した場合、錫中に固溶し、形成される錫合金の固相線温度が著しく低下しない材料であることが望ましい。具体的には、望ましくは後述する第２金属被接合材と同様にニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料であると耐熱性に優れた接合部が形成できる。また、上記以外の金属、例えば、ゲルマニウム、ベリリウム、ニオブ、マンガンなどの金属も好適している。
【００５０】
第２金属被接合材２には、ニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料が用いられる。これらの元素は高温での加熱によって錫を含有する薄層接合材へ溶解−拡散した場合、錫中に固溶し、形成される錫合金の液相線温度を急激に上昇させることができる。このうち特にニッケル、白金が錫合金の液相線上昇の点で望ましい。
【００５１】
第１金属被接合材の厚さ（平均厚さ）は、第１金属被接合材がニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料以外の金属材利用である場合には、０．１μｍ以上、５００μｍ以下の範囲であることが望ましい。また、第１金属被接合材がニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料である場合にも、０．１μｍ以上、１００μｍ以下の範囲であることが望ましい。
【００５２】
第２金属被接合材の厚さ（平均厚さ）は０．１μｍ以上必要である。これ未満であると、接合層において錫合金への元素の拡散が十分に生じず、耐熱性を有する接合部が形成できない恐れがある。また、第２金属被接合材の厚さは５００μｍ以下であることが望ましい。
【００５３】
なお、例えば、図４のように母材８にメタライズ層２が形成されている場合で、母材８とメタライズ層２が共にニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料である場合、母材８とメタライズ層２の積層体を第２金属被接合材２とみなし、メタライズ層２と母材８と厚さの総計が０．１μｍ以上であればよい。
【００５４】
また、例えば図４のように、母材８にメタライズ層２が形成されている場合で、母材８がニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料以外の材料で、この母材８に第２金属被接合材２をメタライズし該母材８を接合するために使用する際は、厚さは０．１μｍ以上、望ましくは１μｍ以下である。
【００５５】
また、例えば、図４のように母材８にメタライズ層２が形成されている場合で、母材８がニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料で、メタライズ層２がニッケル、パラジウム、白金及びアルミニウムからなる群より選択される材料以外の材料であっても、メタライズ層が金−銀等の溶融錫への溶解性が高い材料からなり、かつ、厚さが１μｍ以下で構成される場合においては、母材８とメタライズ層２の積層体を第２金属被接合材２として、母材８の厚さが０．１μｍ以上であればよい。
【００５６】
薄層接合材としては、錫または液相線温度が２３２℃以下の錫含有合金を用いる。液相線温度が２３２℃以下の錫含有合金としては、錫及び銀を主成分とする錫−銀系合金、錫、銀及び銅を主成分とする錫−銀−銅系合金、錫及び銅を主成分とする錫−銅系合金、錫及び亜鉛を主成分とする錫−亜鉛系合金が望ましい。液相線温度が２３２℃以下の錫含有合金の具体的組成例を以下に挙げる。
【００５７】
錫−銀系合金：Ａｇ０.１重量％以上、４.０重量％以下、残部Ｓｎ。
錫−銅系合金：Ｃｕ０.１重量％以上、１.０重量％以下、残部Ｓｎ。
錫−銀、銅系合金：Ａｇ０.１重量％以上、４.０重量％以下、０.１重量％以上、１.０重量％以下Ｃｕ、残部Ｓｎ。
錫−亜鉛系合金：Ｚｎ０.１重量％１２.０重量％以下、残部Ｓｎ。
さらにこれらの合金に、銅、亜鉛、ニッケル、ビスマス、インジウム、アンチモンなどの元素が０重量％以上、１０重量％以下含まれていてもよい
【００５８】
また、薄層接合材は、接合材の接合性の確保と被接合材の拡散による耐熱性の向上実現の両面を適正に満たすために厚さ０．１μｍ以上、３００μｍ以下、より好ましくは３μｍ以上、１５μｍ以下、更に望ましくは５μｍ以上、１０μｍ以下とすることが望ましい。薄層接合材の厚さが厚すぎると、接合時間において被接合材が充分に接合材に拡散せず耐熱性の向上が実現されない恐れがあり、薄すぎると接合材のぬれ性が低下し、接合強度が確保できない恐れがある。
【００５９】
薄層という形態の供給手段としては、めっき処理、はんだペースト、シートはんだ、ワイヤーはんだ、又はスーパージャフィット法−スーパーソルダー法等によるはんだプリコート等が挙げられる。
【００６０】
はんだペーストを使用する場合には、はんだペースト厚は、はんだペースト厚を極端に大きくした場合には、数秒の接合時間において被接合材が充分に錫主成分層部に拡散せず高融点化が実現されないということが考えられる。そのため、短時間での高融点化の実現の両面を適正に満たすために、可能な限りはんだペースト厚を小さくするため５０〜１００μｍ、好ましくは５０〜８０μｍの範囲内にすることが望ましい。
【００６１】
シートはんだ材を使用する場合は、シート厚を極端に大きくした場合には、数秒の接合時間において被接合材が充分に錫主成分層部に拡散せず高融点化が実現されないということが考えられる。そのため、短時間での高融点化の実現の両面を適正に満たすために、可能な限りシート厚を小さくするため３０〜５０μｍの範囲内にすることが望ましい。
【００６２】
本発明の接合方法について更に説明する。
積層体を加熱する際の加熱温度は２６５℃以上、４５０℃以下の範囲内である。この範囲であると融点２３２℃である錫を主成分とした薄層接合材は溶融し、その中へ固相状態を保持した第２金属被接合材が溶解−拡散し、錫中に固溶する。加熱温度は好ましくは３００℃以上である。
【００６３】
加熱時間は５秒以上が望ましく、特にピーク温度での加熱時間が５秒以上となるように加熱すればより好ましい。また、加熱時間は長くとも２分以下でよく、ピーク温度での加熱時間が１分以下となるように加熱すればよい。
【００６４】
本発明の接合方法によれば、特定組成を有した第２金属被接合材と、特定組成を有した薄層接合材を用い、２６５℃以上という高温で加熱することにより、融点２３２℃である錫を主成分とした薄層接合材は溶融し、その中へ固相状態を保持した、少なくとも第２金属被接合材が溶解−拡散する。接合層内部は第２金属被接合材構成元素が錫中に固溶し、形成される錫合金の液相線温度が急激に上昇することより、接合部の高融点化が実現可能となる。すなわち、低融点である錫相部分が除かれたことにより高温系マウント材として求められる２５０℃保証として、２５０℃の高温条件下においても接合層の耐熱性を維持することができる。また薄層接合材においては、少なくとも第２金属被接合材の拡散により、形成される接合層には、第２金属被接合材構成元素が錫に固溶した相の他に、錫と少なくとも第２金属被接合材構成元素で構成される金属間化合物相等が生成してもよい。結果として、高温条件下においても機械的強度の良好な接合体が短時間で得ることができる。
【００６５】
本発明に係る接合体、接合方法は、どのような分野で用いられてもよいが、特に製造プロセス、あるいは製品使用時に高温条件下に置かれる電子機器部品、半導体デバイス特にパワー系半導体デバイスにおける部品の接合に好適に用いられる。特に半導体素子とリードフレームとの接合に際しては特に好適に用いられる。
【実施例】
【００６６】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００６７】
（実施例１）
パワー系半導体装置における半導体素子とリードフレームとの接合を行った。図５は半導体素子とリードフレームとの接合形態を示す断面図である。このパワー系半導体モジュールでは、１０ｍｍ角のシリコン半導体素子１７に、第１金属被接合材として、金を蒸着することによりメタライズが施され０．１μｍ厚の金よりなる金属層１８が形成されている。また、銅よりなるリードフレーム１９に、第２金属被接合材として、０．５μｍ厚でニッケル薄層２０を電子ビーム処理により施し、更にその上に、薄層接合材として５μｍ厚で錫薄層２１を無電解めっきにより施した。この金属層１８が被着したシリコン半導体素子１７と、ニッケル薄めっき層２０上に錫薄層２１が被着したリードフレーム１９とを金属層１８と錫箔層２１が接するように積層し、その後加熱して接合を行った。加熱は、１００ｐｐｍ以下の酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で熱板上で加熱した。加熱条件は、３５０℃、５秒とした。
【００６８】
接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察から、際立ったボイドの発生は認められず、良好な接合性を示した。
【００６９】
最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、２５０℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。
【００７０】
（実施例２）
本実施例ではリードフレーム１９に、無電解めっきによりニッケル薄層２０を施し、その上に、はんだペースト印刷により薄層接合材２１を形成した以外は実施例１と同様にパワー系半導体装置を得た。
【００７１】
銀が３．５重量％、残部錫からなる錫−銀系合金を用いて、約５μｍのはんだ粉末を作成した。このはんだ粉末材とフラックスの成分を重量比で全体の約１０％で完全に混合させ、はんだペーストを作成した。フラックス成分は、溶剤、ロジン、活性剤、有機ハロゲン、粘稠剤等である。はんだペーストは印刷に適した粘度である約５０万ｃｐｓとなるまで約２０分間攪拌した。このはんだペーストを無電解めっきによるニッケル薄層１９上に約８０μｍの厚さとなるよう印刷し、その上に蒸着により形成した金からなる金属層１７を施した半導体素子２１を搭載して、１００ｐｐｍの酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で熱板上で加熱した。加熱条件は、３５０℃、５秒とした
【００７２】
接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察から、際立ったボイドは発生せず良好な接合性を示した。
【００７３】
最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、２５０℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。
【００７４】
（実施例３）
本実施例では、無電解めっきによりニッケル薄層１９を施したリードフレーム１８に、シートはんだ材を供給することにより薄層接合材２０を形成した以外は実施例１と同様にパワー系半導体装置を得た。シートはんだ材は、銀が１．０重量％、残りが錫からなる錫−銀系合金を用いた、約５０μｍ厚のシートである。このシートはんだ材を銅からなるリードフレーム１８上に配置し、その上に金蒸着を施したシリコン半導体素子を搭載して、１００ｐｐｍの酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で熱板上で加熱した。加熱条件は、３５０℃、５秒とした。
【００７５】
接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察から、際立ったボイドは発生せず良好な接合性を示した。
【００７６】
最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、パワー系半導体装置を得た。
【００７７】
(実施例４〜９、比較例１)
以下のようにして接合体を得た。接合体は３００μｍ厚の銅板上に無電解めっきにより形成した０．５および１μｍ厚のニッケル薄層と、３００μｍの錫板とを、加熱を行い実施例４〜９の接合体を作成した。
【００７８】
表１に、各実施例の薄層接合材材料及び加熱条件(ピーク温度×ピーク温度保持時間)を記載する。また、得られた接合体をマイクロフォーカスＸ線検査装置により、ボイドの状態を観察し接合状態を評価し、その結果をボイド率として表１に併記した。表１に記載したボイド率は、全接合面積中良好な接合状態となっている箇所が占める面積比率を示している。また、得られた接合体の接合部断面のＳＥＭ観察結果についても表１に記した。  
【００７９】
【表１】
2006100739.tif 000003
【００８０】
実施例４〜９においては、表１のSEM観察結果に示される様に、接合層が錫ベース相と、樹枝状および粒状の金属間化合物相が存在している。またこのような接合層を有する実施例４〜９の接合体は高温における接合強度に優れることが明らかである。
【００８１】
比較例１の接合体は、３００μｍ厚の銅板と、３００μｍの錫板とを、表１に示す条件で加熱を行い作成したものであり、銅板と接合層との界面にカーケンダルボイドが形成されていた。
(実施例１０〜１２)
実施例１と同様にして、１０ｍｍ角のシリコン半導体素子に金の蒸着によりメタライズ処理した。これとは、別に、第２金属被接合材であるパラジウム、白金及びアルミニウムを電子ビーム処理により厚さ０．５μｍとなるよう銅からなるリードフレーム上に形成した試料をそれぞれ用意した。次に、これらの試料の第２金属被接合材上に無電解メッキにより厚さ５μｍとなるよう錫層を形成した。
しかる後、実施例１と同一条件で、リードフレームの錫層形成面にシリコン半導体素子のメタライズ面を接合させた。
いずれの試料も接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察からは、際立ったボイドの発生は認められず良好な接合性を示した。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】接合体の一形態を示す断面図
【図２】接合層の一例を示す断面概略図。
【図３】接合方法の一形態を示す断面図。
【図４】接合方法の他の形態を示す断面図。
【図５】実施例における半導体素子とリードフレームとの接合形態を示す断面図。
【図６】Ｎｉ−Ｓｎ二元合金のＳｎ９０−１００の範囲の液相線を示す状態図。
【符号の説明】
【００８３】
１…第１金属被接合材２…第２金属被接合材
３…接合層
４…接合体
５…薄層接合材
６…積層体
７、８…母材
９…積層体
１１…第1金属被接合材
１２…第2金属被接合材
１３…接合層
１４…固溶体相
１５…錫相
１６…粒状金属間化合物相
１７…スカラップ状金属間化合物相
２１…シリコン半導体素子
２２…金属層
２３…リードフレーム
２４…錫薄層
【図１】
2006100739.tif 000004
【図２】
2006100739.tif 000005
【図３】
2006100739.tif 000006
【図４】
2006100739.tif 000007
【図５】
2006100739.tif 000008
【図６】
2006100739.tif 000009