(57)【要約】【課題】はんだ接合工程において、スクラブや荷重をかける等、物理的な外力を付与せず、一般的な減圧リフロー装置で容易に接合可能で、良好な接合強度を確保できる、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法の提供。【解決手段】Ｚｎを主成分とし且つＰｂを含まないＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた、半導体素子と、少なくとも表面がＮｉである基板との接合方法において、基板の上に、順に、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金、半導体素子を重ね合わせた状態に載置し、第１の不活性ガス雰囲気下で昇温を行い、昇温途中においてＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、新たに不活性ガスを所定流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、新たな不活性ガスの供給を継続し、第２の温度に到達したときに、第２の温度に所定時間保持し、半導体素子と基板とを接合させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを主成分とし且つＰｂを含まない、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いて、半導体素子と、少なくとも表面の主元素がＮｉである基板とを接合させる接合方法において、
前記基板の上に、順に、前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金、前記半導体素子を重ね合わせた状態に載置し、
第１の不活性ガス雰囲気下で昇温を行い、
昇温途中において、前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、新たに不活性ガスを所定流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、該第２の不活性ガス雰囲気をつくった後も該新たな不活性ガスの該所定流量での供給を継続し、
第２の温度に到達したときに、該第２の温度に所定時間保持し、前記半導体素子と前記基板とを接合させることを特徴とするＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法。
【請求項２】
Ｚｎを主成分とし且つＰｂを含まない、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いて、半導体素子と、少なくとも表面の主元素がＮｉである基板とを接合させる接合方法において、
前記基板の上に、順に、前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金、前記半導体素子を重ね合わせた状態に載置し、
第１の不活性ガス雰囲気下で昇温を行い、
昇温途中において、前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、減圧を開始し、２００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧した後に減圧を停止し、減圧の停止と同時に新たに不活性ガスを所定流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、該第２の不活性ガス雰囲気をつくった後も該新たな不活性ガスの該所定流量での供給を継続し、
第２の温度に到達したときに、該第２の温度に所定時間保持し、前記半導体素子と前記基板とを接合させることを特徴とするＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法。
【請求項３】
酸素濃度２００ｐｐｍ以下の前記第１の不活性ガス雰囲気下で昇温を行い、
昇温途中において、前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、減圧を開始し、１００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧した後に減圧を停止し、減圧の停止と同時に前記第２の不活性ガス雰囲気をつくるための前記新たな不活性ガスの前記所定流量での供給を行うことを特徴とする請求項２に記載のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法。
【請求項４】
前記減圧を行う時間は略１分以内であることを特徴とする請求項２又は３に記載のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法。
【請求項５】
前記第１の温度を前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上、４００℃以下の所定温度とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法。
【請求項６】
前記第２の不活性ガス雰囲気をつくるための前記新たな不活性ガスを５ｍｌ／分以上の流量で供給することを特徴とする請求項１又は２に記載のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と基板とをＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金で接合する接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワートランジスタ用素子のダイボンディングをはじめとして、各種電子部品の組立工程においては、高温はんだ付が行われており、３００℃程度の比較的高温の融点を有するはんだ合金（以下、「高温用のはんだ合金」とも称する）が用いられている。このような高温用のはんだ合金としては、Ｐｂ−５質量％Ｓｎ合金に代表されるＰｂ系はんだ合金が従来から主に用いられている。
しかし、近年では環境汚染に対する配慮からＰｂの使用を制限する傾向が強くなってきており、例えばＲｏＨＳ指令（有害物質使用制限指令）などにおいて、Ｐｂは規制対象物質になっている。こうした傾向に対応して、電子部品などの組立の分野においても、Ｐｂを含まない（無鉛）はんだ合金、すなわちＰｂフリーはんだ合金の提供が求められている。
【０００３】
高温用のＰｂフリーはんだ合金に関しては、Ａｕ−Ｓｎ合金を用いることがあるが、Ａｕ−Ｓｎ合金は、Ａｕが全体の８０％を占め非常に高価であり特殊用途向けに限定されている。そこで、低コストでＰｂフリーはんだ合金を実現するため、ＢｉやＺｎを主成分とするはんだ合金が様々な機関で開発されている。
特に、Ｚｎを主成分とする高温用のＰｂフリーはんだ合金としては、特許文献１にＺｎに融点を下げるべくＡｌを添加したＺｎ−Ａｌはんだ合金が提案されている。しかし、Ｚｎを主成分とするはんだ合金は、融点が高く耐熱性に優れるが、表面が自然酸化されやすく、且つその酸化膜は還元され難いという性質を有している。そのため、還元性雰囲気においてＺｎを主成分とするはんだ合金を溶融温度付近にまで加熱しても、表面のすべての酸化膜を除去することが困難である。そこで、従来は表面の酸化膜を除去するため、はんだ接合工程でのはんだ合金の融解時にスクラブなどの物理的な外力を付与して表面の酸化膜を破り、溶融したはんだ合金を流出させて、被接合面とはんだ合金とが接合するようにしている。
また、Ｚｎ−Ａｌはんだ合金においては、被接合面との接合時の接合強度にばらつきが生じることが判っている。しかるに、特許文献２に、接合強度のばらつきを抑制し製品歩留まりを向上させるため、はんだ接合工程において、Ｚｎ−Ａｌはんだ合金に荷重をかけながら接合する接合方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２５７５３号公報
【特許文献２】特開２０１３−０３０６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、被接合面とはんだ合金との接合工程において、はんだ合金に対しスクラブや荷重をかける等の物理的な外力を付与することは、作業を煩雑化させ、また、はんだ合金に対する荷重のかけ方によっては、はんだ合金と被接合面との接合強度のばらつきの原因にもなる。
【０００６】
そこで、本発明は、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金を用いた被接合面とのはんだ接合工程において、スクラブや荷重をかける等、物理的な外力を付与することなく、一般的な減圧リフロー装置で容易に接合可能で、良好な接合強度を確保できる、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合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】
【０００７】
本発明によるＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法は、Ｚｎを主成分とし且つＰｂを含まない、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いて、半導体素子と、少なくとも表面の主元素がＮｉである基板とを接合させる接合方法において、前記基板の上に、順に、前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金、前記半導体素子を重ね合わせた状態に載置し、第１の不活性ガス雰囲気下で昇温を行い、昇温途中において、前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、新たに不活性ガスを所定流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、該第２の不活性ガス雰囲気をつくった後も該新たな不活性ガスの該所定流量での供給を継続し、第２の温度に到達したときに、該第２の温度に所定時間保持し、前記半導体素子と前記基板とを接合させることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明によるＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法は、Ｚｎを主成分とし且つＰｂを含まない、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いて、半導体素子と、少なくとも表面の主元素がＮｉである基板とを接合させる接合方法において、前記基板の上に、順に、前記はんだ合金、前記半導体素子を重ね合わせた状態に載置し、第１の不活性ガス雰囲気下で昇温を行い、昇温途中において、前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、減圧を開始し、２００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧した後に減圧を停止し、減圧の停止と同時に新たに不活性ガスを所定流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、該第２の不活性ガス雰囲気をつくった後も該新たな不活性ガスの該所定流量での供給を継続し、第２の温度に到達したときに、該第２の温度に所定時間保持し、前記半導体素子と前記基板とを接合させることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法においては、酸素濃度２００ｐｐｍ以下の前記第１の不活性ガス雰囲気下で昇温を行い、昇温途中において、前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、減圧を開始し、１００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧した後に減圧を停止し、減圧の停止と同時に前記第２の不活性ガス雰囲気をつくるための前記新たな不活性ガスの前記所定流量での供給を行うのが好ましい。
【００１０】
また、本発明のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法においては、前記減圧を行う時間は略１分以内であるのが好ましい。
【００１１】
また、本発明のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法においては、前記第１の温度を前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上、４００℃以下の所定温度とするのが好ましい。
【００１２】
また、本発明のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法においては、前記第２の不活性ガス雰囲気をつくるための前記新たな不活性ガスを５ｍｌ／分以上の流量で供給するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金を用いた被接合面とのはんだ接合工程において、スクラブや荷重をかける等、物理的な外力を付与することなく、一般的な減圧リフロー装置で容易に接合可能で、良好な接合強度を確保できる、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合態様の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態の説明に先立ち、半導体素子と基板の構造及び接合態様を、図１の断面図を参照して説明する。なお、図１は理解を容易にするために模式的に示した図面であって、厚さと平面寸法との関係や各層の厚さの比率などは誇張して記載している箇所もある。
【００１６】
図１ははんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合態様の一例を示す断面図である。
半導体素子１は、基板２上にはんだ合金３を介して接合されている。半導体素子１としては、特に限定はないが、ＳｉＣ（炭化ケイ素）素子、ＧａＮ（窒化ガリウム）素子、ダイヤモンド素子、ＺｎＯ（酸化亜鉛）素子等その他のワイドバンドギャップ半導体素子を適用できる。なお、以下においては、入手が容易であることより、ＳｉＣ素子を用いた例について説明する。半導体素子１の裏側にはオーミックコンタクト１１が形成され、オーミックコンタクト１１の面には、はんだの濡れ性の改善、はんだの侵入の防止、接着力の向上などを目的として実装電極１２が被覆されている。実装電極１２は、例えば、オーミックコンタクト１１側から順に積層された、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ積層蒸着膜やＴｉ／Ｎｉ／Ａｇ積層蒸着膜で構成される。なお、ここでは、実装電極１２が、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ積層蒸着膜で構成されたものを用いることとする。
【００１７】
基板２も、特に限定はなく、基材としては、セラミック基板２０の上に金属板２１を貼り付けた構造のものや、セラミック基板、ポリイミド等を用いたフレキシブル基板、金属単体の金属基板等でも適用できる。また、基板２の基材の表側の面（図１の例では、金属板２１における半導体素子1側の面）には、ＮｉやＰｄ等の金属層２２を設けるのが一般的である。ＮｉやＰｄの金属層２２を設けることで、はんだ合金３との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、耐熱性が向上する。ここでは、Ｃｕ基板２１における半導体素子1側の面にＮｉの金属層２２がめっき形成された基板２を用いた例について説明する。このＮｉの金属層２２の厚さは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。より好ましくは３μ〜５μｍである。更に、Ｎｉの金属層２２の表側の面には、酸化防止や濡れ性確保のために、薄い貴金属被覆層を設けても良い。この貴金属被覆層は、例えば、Ａｕ層で構成される。Ａｕは、少量でもはんだ濡れ性を向上させることができる。このため、従来のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた被接合面との接合においては、Ｎｉの金属層２２の表面にＡｕ層が設けられた基板２を用いることが必須となっている。しかるに、本発明の実施形態の接合方法は、この貴金属被覆層が設けられていない基板２を用いて、基板２のＮｉ面に直接Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金を重ねて半導体素子１と接合させても、酸化防止や濡れ性確保ができるようにすることを前提として導出したものである。このようにすれば、基板に高価な貴金属を被覆する必要がなく、その分、工程も削減でき、コストダウンが図れる。
【００１８】
はんだ合金３には、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いる。ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金は、高温接合に用いられるはんだ合金であり、例えば、Ｚｎ−Ａｌ合金やＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ合金等が挙げられる。本発明の実施形態の接合方法に用いるＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金におけるＺｎとＡｌとの組成は、共晶組成（Ａｌ濃度＝５質量％）、あるいは、ほぼ共晶組成（Ａｌ濃度＝５±２質量％以内）であることが好ましい。
また、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金には、はんだ材の硬さ、接合時の濡れ性、融液の粘度を改善するために、Ｇｅ、その他の元素を微量（１質量％以下）含んでもよい。
また、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金としては、融点が高く、合金表面に自然酸化しやすい、Ｚｎを８０質量％以上含む合金も適用できる。例えば、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅやＭｇを添加したはんだ合金（開平１１−２８８９５５号公報参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＭｇとＳｎを添加したはんだ合金（特開平１１−２０８４８７号公報参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＭｇとＩｎを添加したはんだ合金（特開平１１−１７２３５４号公報参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅとＳｎとＩｎを添加したはんだ合金（特開平１１−１７２３５３号公報参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅとＭｇを添加したはんだ合金（特開平１１−１７２３５２号公報、特開２０００−２０８５３３号公報、特開２０００−６１６８６号公報参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅとＰを添加したはんだ合金（特開２００４−３５８５４０号公報参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅとＭｇとＰを添加したはんだ合金（特開２００４−３５８５３９号公報参照）などが、本発明の実施形態の接合方法に用いるＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金として適用可能である。
【００１９】
ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の厚さは特に限定されないが、実用上は概ね５０μｍ〜３００μｍ以下であることが好ましい。接合性は、半導体素子の大きさとＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の体積に影響を受けるため、接合性を確保できる厚みに適宜設定する。
【００２０】
次に、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合方法の具体的な手順について説明する。
まず、従来の一般的な減圧リフロー装置を用いた接合方法を説明する。上述した半導体素子１と基板２とＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金３を用意する。必要に応じて半導体素子１及び基板２の接合する表面をアセトンやイソプロピルアルコールなどの溶剤を用いて有機洗浄を行い、これら表面に付着している汚染物を除去する。
【００２１】
減圧リフロー装置としては、２００Ｐａ以下程度まで減圧できる排気能力を有し、純度９９．９９％以上の不活性ガス（窒素またはアルゴンガス）が導入可能に構成されているものを用いる。
減圧リフロー装置の試料室（チャンバ）に設置されたリフロー台の上に、Ｎｉめっきが施されたＣｕ基板を、Ｎｉ面が接合側に向くようにして載置し、さらに、Ｎｉめっきが施されたＣｕ基板における接合させるべき部位の上に、順にＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金と接合面を下に向けた半導体素子を重ね合わせた状態に載置する。
次に、減圧リフロー装置の試料室に不活性ガスを導入して不活性ガス雰囲気をつくり、試料室内の酸素濃度を２００ｐｐｍ以下にする。不活性ガスには、例えば、窒素ガスを用いる。なお、不活性ガスとして、アルゴンガス等も用いることができる。
そして、リフロー台または試料室全体を加熱して、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度よりも５０℃〜７０℃高い所定温度にまで昇温する。そして、所定温度に到達したときに、その所定温度に１分〜５分間程度保持する。その間、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金が融点を超えて液状になり半導体素子と基板とを接合する。その後、リフロー台または試料室全体の温度を室温まで下げ、接合された製品を取り出すことで接合工程が完了する。なお、その間、試料室内には、酸素濃度を２００ｐｐｍ以下に維持するように、少量の流量の不活性ガスを継続的に供給してもよい。
【００２２】
なお、上記の例では、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を用いた半導体素子と基板との接合を不活性ガス雰囲気下で行ったが、必要に応じて真空状態で行ってもよい。例えば、昇温前に試料室に不活性ガスを導入し試料室内を不活性ガスで置換して、不活性ガス雰囲気をつくり、その後、試料室内を減圧して真空状態にした後に昇温を開始し、所定温度に到達したとき、その所定温度で１分〜５分間程度保持するようにしてもよいし、昇温前に試料室に不活性ガスを導入し試料室内を不活性ガスで置換して、不活性ガス雰囲気をつくり、昇温を開始し、昇温途中において、試料室内を減圧して真空状態にし、所定温度に到達したときに、その所定温度に１分〜５分間程度保持するようにしてもよい。真空状態で接合を行うとＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金内に存在する小さなボイドを抑制することができ濡れ拡がり性が向上する。
【００２３】
ところで、上述したように、はんだ合金として、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を使用した場合、はんだ合金の表面が自然酸化されやすく、且つその酸化膜は還元され難いという性質を有している。そこで、例えば、特許文献２の接合方法では、基板の上にＺｎ−Ａｌはんだ合金と半導体素子とを重ね合わせ、さらに、半導体素子の上に荷重部材を置いた状態にして、加熱している。そして、半導体素子に荷重をかけながらＺｎ−Ａｌはんだ合金を融解させることで、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ融液を包んでいるＺｎやＡｌの自然酸化膜の包皮が一瞬で破壊し、融液と基板および融液と半導体素子との接合反応を短時間にかつ再現性よく起こさせることができるようにしている。また、静的な荷重をかける代わりにスクラブ等、酸化被膜に対する擦動処理を施しても同様の効果がある。しかしながら、被接合面とはんだ合金との接合工程において、はんだ合金に対しスクラブや荷重をかける等の物理的な外力を付与することは、作業を煩雑化させ、また、はんだ合金に対する荷重のかけ方によっては、接合強度のばらつきの原因にもなる。
【００２４】
しかるに、本発明の実施形態の接合方法は、上述のような物理的な外力の付与を必要としない接合方法であり、昇温途中において、はんだ合金の融点を超えたときの雰囲気の切り替えに特徴がある。以下、詳細に説明する。
【００２５】
本発明の第１実施形態の接合方法では、上記従来の一般的な減圧リフロー装置を用いた接合方法と同様、減圧リフロー装置の試料室のリフロー台の上に、ＮｉめっきＣｕ基板、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金、半導体素子を重ね合わせた状態に載置した後、減圧リフロー装置の試料室に不活性ガスを導入して第１の不活性ガス雰囲気をつくり、試料室内の酸素濃度を２００ｐｐｍ以下にする。不活性ガスには、例えば、窒素ガスを用いる。なお、不活性ガスとして、アルゴンガス等を用いてもよい。なお、酸素濃度を２００ｐｐｍ以下に維持するため、少量の流量の窒素ガスを試料室内に継続的に供給してもよい。このときの窒素ガスの流量は、例えば、１〜２ｍｌ／分等、５ｍｌ／分未満とする。
【００２６】
そして、リフロー台または試料室全体を加熱して、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度より５０℃〜７０℃高い所定温度（第２の温度）にまで昇温する。昇温途中において、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の所定温度（第１の温度）に到達したときに、新たに不活性ガス（例えば、窒素ガス）の所定流量での供給を開始して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、第２の不活性ガス雰囲気をつくった後もその新たな不活性ガスの所定流量での供給を継続する。その後、液相温度より５０℃〜７０℃高い所定温度（第２の温度）に到達したときに、その所定温度（第２の温度）に所定時間保持する。この保持時間は３分〜５分が好ましい。その間、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金が融点を超えて液状になり半導体素子と基板とを接合する。その後、上記従来の方法と同様、リフロー台または試料室全体の温度を室温まで下げ、接合された製品を取り出す。
【００２７】
このように、本発明の第１実施形態の接合方法は、昇温途中において、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、新たに不活性ガス（例えば、窒素ガス）の所定流量での供給を開始して、第１の温度に到達する前の不活性ガス雰囲気（第１の不活性ガス雰囲気）とは異なる不活性ガス雰囲気（第２の不活性ガス雰囲気）に変えることを特徴としている。
【００２８】
ＰｂフリーＺｎ−Ａｌはんだ合金の自然酸化膜を破壊して接合強度を確保するためには、一般的には、はんだ接合工程において荷重をかけながら接合する等の外的な加圧が必要とされてきたが、本発明者が試行錯誤した結果、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の融解時に、新たに不活性ガス（窒素ガス）を所定量以上の流量で供給して雰囲気を変えると、はんだ接合工程において荷重をかけながら接合する等の外的な加圧と同様の効果が得られることが判明した。
ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の表面の酸化膜を破壊し易い状態を作るタイミングは、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金が融解する時がもっとも効果的である。よって、新たに不活性ガス（窒素ガス）を供給するときの温度（第１の温度）は、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の所定温度であり、好ましくは、液相温度〜４００℃である。このときに新たに不活性ガス（窒素ガス）を供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくると酸化膜を破壊することができる。ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに新たに供給する不活性ガス（窒素ガス）の流量は、少なくとも５ｍｌ／分以上は必要であり、好ましくは、２０ｍｌ／分以上にするのがよい。
【００２９】
新たに供給する不活性ガス（窒素ガス）の流量を、５ｍｌ／分未満としたのでは、酸化膜を破壊できず、接合性を向上させることはできない。新たに供給する不活性ガス（窒素ガス）の流量を、２０ｍｌ／分以上にすれば、より良好な接合性が得られる。
また、最初に減圧リフロー装置の試料室に不活性ガス（窒素ガス）を導入後、少量（５ｍｌ／分未満）の不活性ガス（窒素ガス）を継続して供給することで、はんだ融解前の試料室内の酸素濃度が２００ｐｐｍ以下に維持されていた第１の不活性ガス雰囲気下において、本発明の第１実施形態の接合方法のように、昇温途中において、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、５ｍｌ／分以上の流量で新たに不活性ガス（窒素ガス）を供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、第２の不活性ガス雰囲気をつくった後もその新たな不活性ガスの上記流量での供給を継続すると、試料室内の酸素濃度を２０ｐｐｍ以下程度にまで低減でき、その分、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の表面に形成される酸化膜の進行を抑制できるため、接合性に良い影響を与えることができる。
【００３０】
また、本発明の第２実施形態の接合方法は、第１の不活性ガス雰囲気下での昇温途中において、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、真空になるように試料室内の減圧を行い、２００Ｐａ以下の真空状態にし、その後、減圧を停止し、同時に新たに不活性ガス（窒素ガス）を５ｍｌ／分以上の流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、第２の不活性ガス雰囲気をつくった後もその新たな不活性ガスの上記流量での供給を継続する。この減圧を行う時間は、略１分以内である。また、第１の温度以上であって、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度＋５０℃〜７０℃以下の所定温度（第２の温度）に到達したときに、第２の温度に所定時間保持する。この保持時間は３分〜５分が好ましい。
【００３１】
本発明の第２実施形態の接合方法によれば、第１の不活性ガス雰囲気下での昇温途中において、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相温度以上の第１の温度に到達したときに、真空状態になるように減圧を行うため、液状に融解したＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金は、真空状態に減圧されることにより膨張した状態になる。その後、減圧を停止することによりＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の膨張が解けてきたところに、さらに、新たに不活性ガス（窒素ガス）を所定流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、第２の不活性ガス雰囲気をつくった後もその新たな不活性ガスの所定流量での供給を継続することで、新たに供給した不活性ガス（窒素ガス）の拡散が急速に早まって、間接的に荷重を与えた状態となり、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の表面の酸化膜をより一層破壊することができる。このときの新たに供給する不活性ガス（窒素ガス）の流量は、少なくとも５ｍｌ／分以上は必要である。
【００３２】
また、昇温途中において、減圧を行い、試料室内を一時的に真空状態にすると、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金内に存在する小さなボイドを抑制することができ、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の濡れ拡がり性が向上する。
【００３３】
さらに、本発明の第１及び第２の実施形態の接合方法においては、特許文献２に示すように、半導体素子の上に錘を置き、直接荷重を加えてもよい。外的な加圧を併用すると、接合性はさらに向上する。
【００３４】
なお、特許文献２に記載の接合方法では、はんだ合金は、半導体素子より小さい形状とし、はんだ融液を包んでいる自然酸化膜全体に荷重を掛けることで短時間に再現性良く酸化被膜を破壊することができる旨が示されている。しかし、特許文献２の接合方法のように、はんだ合金を半導体素子よりも小さくすると、その位置合わせが難しくなる。
これに対し、本発明の第１及び第２の実施形態の接合方法では、接合性を保つことが可能な体積があればＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金及び半導体素子の大きさに制限はない。このため、本発明の第１及び第２の実施形態の接合方法によれば、半導体素子よりもＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を大きくすることが可能であり、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金と半導体素子の両方を目視確認することができ、接合箇所の位置合わせなどの作業性が向上する。
【００３５】
また、本発明の第１及び第２の実施形態の接合方法によれば、Ｃｕ基板にＮｉめっきを施した基板を使用しても、はんだ接合後は、十分な接合性とはんだ濡れ性を確保できる。このため、特許文献２に記載のような、使用している基板の面にＮｉめっきを施し、その上の面に濡れ性のよい貴金属被覆膜（ＡｕやＰｄ）を形成するためのめっきやスパッタ及び蒸着を行う必要がない。また、特許文献１に記載の技術では、Ｚｎ−Ａｌはんだ合金の表面に、還元し易い金属膜（ＣｕやＡｇ）などのめっきやスパッタ及び蒸着を行っているが、その必要もない。このため、本発明の第１及び第２の実施形態の接合方法によれば、高価な貴金属を被覆する必要がなく、その分、工程も削減でき、コストダウンが図れる。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例１の接合方法では、半導体素子として、５．０ｍｍ角のＳｉＣ素子を用意した。基板は、Ｃｕ基板に厚さ３μｍのＮｉめっきを施した基板を用いた。ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金は、Ａｌが５重量％、Ｇｅが０．１重量％、残部がＺｎからなる、融点が３８２℃のＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ合金を用いた。Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ合金の大きさは、６．０ｍｍ角とし、厚みを０．１ｍｍとした。
次に、減圧リフロー装置を用いて接合試験を行った。まず、基板の上に、順に、はんだ合金、その上にＳｉＣ素子を重ね合わせた状態に載置した。これらを、減圧リフロー装置の試料室のリフロー台の上に載置した。その後、試料室の雰囲気を窒素ガスで置換して、第１の不活性ガス雰囲気をつくり、試料室内の酸素濃度を２００ｐｐｍ以下にした。１〜２ｍｌ／分程度の少量の流量の窒素ガスを試料室内に継続的に供給し、２００ｐｐｍ以下の酸素濃度を維持したまま、昇温を行った。昇温は４３５℃（第２の温度）に到達するまで行い、４３５℃に到達後は、４３５℃に５分間保持した。
また、昇温途中において、４００℃（第１の温度）に到達したときに、減圧を開始し、２００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧した。２００Ｐａ以下の真空状態に到達後、減圧を停止した。この間は約１分間であった。また、減圧の停止と同時に新たに窒素ガスを１０ｍｌ／分の流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくった。なお、窒素ガスは、第２の不活性ガス雰囲気をつくった後も１０ｍｌ／分の流量で、継続して供給した。
４３５℃に５分間保持した後、試料室の降温を開始した。室温まで下げて試料室より、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を介して接合された半導体素子及び基板を取り出し接合工程を完了させた。
【００３７】
実施例２の接合方法では、昇温途中において、４００℃（第１の温度）に到達したときに、減圧を開始し、１００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧した。また、４３５℃（第２の温度）に昇温後の４３５℃での保持時間を３分間とした。その他の条件については、実施例１の接合方法と略同様とした。
【００３８】
実施例３の接合方法では、昇温途中において、４００℃（第１の温度）に到達したときに、減圧を開始し、２００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧し、その後、減圧を停止し、同時に窒素ガスを５ｍｌ／分の流量で供給した。その他の条件については、実施例１の接合方法と略同様とした。
【００３９】
実施例４の接合方法では、減圧リフロー装置の試料室のリフロー台の上に、基板、はんだ合金、ＳｉＣ素子の順に重ね合わせた状態に載置し、その上に、２０ｇの錘を載置した。また、４３５℃（第２の温度）に昇温後の４３５℃での保持時間を３分間とした。その他の条件については、実施例１の接合方法と略同様とした。
【００４０】
実施例５の接合方法では、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の厚みを０．２ｍｍとした。また、４３５℃（第２の温度）に昇温後の４３５℃での保持時間を３分間とした。その他の条件については、実施例１の接合方法と略同様とした。
【００４１】
実施例６の接合方法では、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の厚みを０．２ｍｍとした。その他の条件については、実施例４の接合方法と略同様とした。
【００４２】
実施例７の接合方法では、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金は、Ａｌが５重量％、残部がＺｎからなる、融点が３８２℃のＺｎ−Ａｌ合金を用いた。その他の条件については、実施例１の接合方法と略同様とした。
【００４３】
実施例８の接合方法では、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の厚みを０．２ｍｍとした。その他の条件については、実施例７の接合方法と略同様とした。
【００４４】
実施例９の接合方法では、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の厚みを０．２ｍｍとし、昇温途中において、３８２℃（第１の温度）に到達したときに、減圧はせず、新たに窒素ガスを５ｍｌ／分の流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくった。その他の条件については、実施例１の接合方法と略同様とした。
【００４５】
実施例１０の接合方法では、昇温途中において、３８２℃（第１の温度）に到達したときに新たに供給する窒素ガスの流量を１０ｍｌ／分とした。その他の条件については、実施例９の接合方法と略同様とした。
【００４６】
実施例１１の接合方法では、昇温途中において、３８２℃（第１の温度）に到達したときに新たに供給する窒素ガスの流量を２０ｍｌ／分とした。その他の条件については、実施例９の接合方法と略同様とした。
【００４７】
実施例１２の接合方法では、昇温途中において、３８２℃（第１の温度）に到達したときに新たに供給する窒素ガスの流量を３０ｍｌ／分とした。その他の条件については、実施例９の接合方法と略同様とした。
【００４８】
実施例１３の接合方法では、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の厚みを０．２ｍｍとし、昇温途中において、３８２℃（第１の温度）に到達したときに、減圧を開始し、２００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧し、２００Ｐａ以下の真空状態に到達後、減圧を停止した。同時に新たに窒素ガスを５ｍｌ／分の流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくった。その他の条件については、実施例１の接合方法と略同様とした。
【００４９】
実施例１４の接合方法では、２００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧し、２００Ｐａ以下の真空状態に到達後、減圧を停止すると同時に新たに供給する窒素ガスの流量を３０ｍｌ／分とした。その他の条件については、実施例１３の接合方法と略同様とした。
【００５０】
比較例１の接合方法では、昇温途中における、４００℃（第１の温度）に到達したときの、２００Ｐａ以下までの減圧、２００Ｐａ以下まで到達後の減圧停止、減圧の停止と同時の新たな窒素ガスの１０ｍｌ／分での供給のいずれも行わずに、４３５℃（第２の温度）に到達したときに、４３５℃に５分間保持した。その他の条件については、実施例１の接合方法と略同様とした。
【００５１】
比較例２の接合方法では、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の厚みを０．２ｍｍとした。その他の条件については、比較例１の接合方法と略同様とした。
【００５２】
比較例３の接合方法では、昇温前に試料室の雰囲気を窒素ガスで置換して、第１の不活性ガス雰囲気をつくり、試料室内の酸素濃度を２００ｐｐｍ以下にした。その後、試料室を２００Ｐａ以下まで減圧した。その他の条件については、比較例１の接合方法と略同様とした。
【００５３】
比較例４の接合方法では、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の厚みを０．２ｍｍとした。その他の条件については、比較例３の接合方法と略同様とした。
【００５４】
比較例５の接合方法では、昇温途中において、４００℃（第１の温度）に到達したときに、減圧を開始し、２００Ｐａ以下の真空状態にまで減圧し、２００Ｐａ以下の真空状態に到達後、減圧を停止した。このとき、新たな窒素ガスは供給せず、第２の不活性ガス雰囲気をつくらなかった。その他の条件については、実施例１の接合方法と略同様とした。
【００５５】
接合性、濡れ性の評価試験
次に、上記各実施例及び各比較例の接合方法により、Ｎｉめっきを施したＣｕ基板とＳｉＣ素子とがＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を介して接合された試料を接合性、濡れ性の２項目について評価した。
【００５６】
接合性の評価は、ボンドテスターを用いた測定により行った。なお、この評価試験は、後述する濡れ性の評価試験に用いた、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を介して、Ｎｉめっきを施したＣｕ基板とＳｉＣ素子とが接合された試料を各３個ずつ用いてシェア強度の測定を行い、３個の試料のシェア強度の測定値の平均値をその試料のシェア強度として算出した。
具体的なシェア強度の測定方法は以下のとおりである。すなわち、シェア強度測定器のワークホルダ（試料を固定する部分）にＳｉＣ素子の上側の面を上にして各試料の接合体を固定し、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金にせん断応力を加えるためシェアツールをＳｉＣ素子の側面に当てた。そして、自動測定によりシェアツールを接合体のＳｉＣ素子の側面から荷重をかけていき、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金、またはＳｉＣ素子が破壊するまで荷重をかけ、破壊したときの荷重の測定値をその試料のシェア強度とした。
シェア強度が１９．６ＭＰａ以上の場合を非常に良好「○」、７．８４ＭＰａ以上で１９．６ＭＰａ未満の場合を良好「△」、７．８４ＭＰａ以下またはＳｉＣ素子が剥がれた場合を不良「×」とした。
【００５７】
はんだの濡れ性は、各試料における、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金とＮｉめっきを施したＣｕ基板との接合部分、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金とＳｉＣ素子との接合部分を目視で確認し評価した。１ヶ所も濡れていない、または、はんだが縮んでいる場合を不良「×」、ＳｉＣ素子の四辺から濡れ拡がっている場合（はんだが薄く濡れ広がりＳｉＣ素子の四辺端部からはみ出している状態）を良好「○」と評価した。
【００５８】
各実施例及び各比較例の接合方法における接合条件及び評価結果を表１に示す。
【表１】
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【００５９】
表１から判るように、実施例１〜１４の接合方法においては、接合性、濡れ性ともに良好な接合体が得られた。実施例９〜１２の接合方法においては、酸素濃度を窒素で置換して、第１の不活性ガス雰囲気をつくり、２００ｐｐｍ程度に保ったまま４３５℃（第２の温度）まで昇温し、昇温途中において、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の融点温度３８２℃（第１の温度）に到達したときに、新たに窒素ガスを５〜３０ｍｌ／分の流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、温度が４３５℃に到達後、４３５℃に５分間保持したことで、接合性、濡れ拡がり性が良好な接合体が形成できた。また、実施例９〜１２の接合方法の評価結果より、昇温途中において、３８２℃（第１の温度）に到達したときに、減圧を行わずに新たな窒素ガスの供給を行って第２の不活性ガス雰囲気をつくる場合は、窒素ガスを２０ｍｌ／分以上供給することで、接合性がより良好になることが判った。
実施例１〜３、５、７、８、１３、１４の接合方法の評価結果に示すように、試料室内の酸素濃度を窒素で置換して、第１の不活性ガス雰囲気をつくり、２００ｐｐｍ程度に保ったまま４３５℃（第２の温度）まで昇温し、昇温途中において、４００℃または３８２℃（第１の温度）に到達したときに、２００Ｐａ以下の真空状態に減圧し、その後減圧を中止すると同時に新たに窒素を５〜３０ｍｌ／分以上の流量で供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくり、また、４３５℃に到達後、４３５℃に５分間保持したことで、接合性、濡れ拡がり性が良好な接合体が形成できた。なお、２００Ｐａ以下の真空状態にした後に、新たに窒素を供給して第２の不活性ガス雰囲気をつくる接合方法においては、実施例１〜３、５、７、８、１３の接合方法の評価結果に示すように、第２の不活性ガス雰囲気をつくるために供給する新たな窒素の流量を５〜１０ｍｌ／分にしても接合性は良好であった。
また、実施例４、６の接合方法の評価結果に示すように、ＳｉＣ素子の上に荷重を掛けることを併用することで、より濡れ性、接合性が向上し、４３５℃（第２の温度）での保持時間を短縮することができた。
【００６０】
これに対し、比較例１、２の接合方法では、試料室内の酸素濃度を窒素で置換して、第１の不活性ガス雰囲気をつくり、２００ｐｐｍ程度に保ったまま４３５℃まで昇温し、昇温途中において、第２の不活性ガス雰囲気はつくらず、４３５℃に到達後、４３５℃に５分間保持したが、接合性、濡れ性ともに悪く使用上問題があった。
比較例３、４の接合方法では、昇温前に試料室内を２００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧し、かつ酸素濃度を２００ｐｐｍ程度に保ったまま４３５℃まで昇温し、昇温途中において、新たな窒素ガスの供給による第２の不活性ガス雰囲気はつくらず、４３５℃に到達後、４３５℃に５分間保持した。昇温前に減圧することで真空状態に近い状態にあり、はんだの濡れ拡がり性は向上したが、接合性は悪かった。
比較例５の接合方法では、昇温途中において、４００℃に到達したときに、２００Ｐａ以下の真空状態になるまで減圧し、その後減圧を停止するが、同時に新たな窒素ガスの供給による第２の不活性ガス雰囲気はつくらず、４３５℃に到達後、５分間保持したが、比較例１、２の接合方法と同様に接合性、濡れ性ともに悪く使用上問題があった。
【符号の説明】
【００６１】
１          半導体素子
２          基板
３          はんだ合金
１１        オーミックコンタクト
１２        実装電極
２０        セラミック基板
２１        金属板
２２        金属層
【図１】
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