(57)【要約】【課題】環境負荷が小さく低コストで、２００℃以上の高温で長時間使用しても接続信頼性を維持できる半導体素子の接続材料を提供することが課題である。【解決手段】半導体素子と、半導体素子の第一の面と第一の接続部材を介して接続された支持電極体と、前記支持電極体に支持された前記半導体素子の第二の面と第二の接続部材を介して接続されたリード電極体と、を有する半導体装置であって、前記支持電極体と前記第一の接続部材の界面には、Ｎｉ系めっき層、および、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層を有し、前記リード電極体と前記第二の接続部材の界面には、Ｎｉ系めっき層、および、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層を有することを特徴とする半導体装置である。【選択図】  図１２
2011044624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
半導体素子の第一の面と第一の接続部材を介して接続された支持電極体と、
前記支持電極体に支持された前記半導体素子の第二の面と第二の接続部材を介して接続
されたリード電極体と、を有する半導体装置であって、
前記支持電極体と前記第一の接続部材の界面には、Ｎｉ系めっき層、および、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層を有し、
前記リード電極体と前記第二の接続部材の界面には、Ｎｉ系めっき層、および、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体素子と、
半導体素子の第一の面と第一の接続部材を介して接続された支持電極体と、
前記支持電極体に支持された前記半導体素子の第二の面と第二の接続部材を介して接続
されたリード電極体と、を有する半導体装置であって、
前記第一の接続部材と前記半導体素子の界面には、Ｎｉ系めっき層、および、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層を有し、
前記第一の接続部材と前記半導体素子の界面には、Ｎｉ系めっき層、および、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置であって、
前記金属間化合物層は、平均粒径が４．８μｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記支持電極体と前記半導体素子との間に熱膨張率差緩衝材があることを特徴とする半導
体装置。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置であって、
前記熱膨張差緩衝材は、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれかであることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項４記載の半導体装置であって、
前記熱膨張差緩衝材は、Ｃｕ／インバー合金／Ｃｕ複合材、Ｃｕ／Ｃｕ２０複合材Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗのいずれかであることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記Ｎｉ系めっきは、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ等のめっきのいずれかであることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置であって、
前記Ｎｉ系めっきの上に更にＡｕ、Ａｇ、Ｐｄのうちの少なくとも一のめっきが施されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
前記請求項１乃至８のいずれかの半導体装置を搭載したことを特徴とする車載用交流発電
機。
【請求項１０】
基板と、
前記基板と接続部材を介して接続された半導体素子と、を有する半導体装置であって、
前記基板と前記接続部材との界面、および、前記接続部材と前記半導体素子との界面には、それぞれNi系めっき層、および、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層とがあることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体装置であって、
前記金属間化合物層は、平均粒径が４．８μｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１、２、１０のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記接続部材は、箔、ペースト、ワイヤのいずれかの形状であ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、半導体装置および車載用交流発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス製品では、図１に示すように半導体素子１を基板３に搭載し接続部材２により接続し、それを更に接続部材４により支持部材５に接続するといった階層接続を行うことが多い。そのため、半導体素子１の接続には、接続強度を担うために支持部材５や半導体素子１の接続面に形成されているＮｉ系メタライズ（図示せず）が消失しないように、はんだ溶融時および高温環境下で部材との反応性が低い高鉛はんだ(融点：約３００℃)が使用されてきた。しかしながら、鉛含有率が８５ｍａｓｓ％以上と高いため、環境保護の観点から半導体装置の鉛フリー化が要求されるようになってきている。また、階層接続でない場合にも、大型のパワーモジュールの場合には、各接続部材の熱容量が大きいことや、接続部のボイド低減のために真空引きプロセスを行う等の理由で、接続時のはんだ溶融時間が長くなることから、従来は高鉛はんだを使用してきたが、鉛フリー化に対応する必要が出てきた。
【０００３】
鉛フリーはんだについては、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ等のＳｎ系はんだが開発され、プリント基板に電子部品を実装するために広く用いられている。これらのＳｎ系はんだを用いて、Ｎｉ系メタライズを有する半導体素子を接続した場合、はんだとＮｉ系メタライズの反応により、Ｎｉ系メタライズが食われる。特に、パワー半導体装置の組立といった過酷な条件で接続する場合、半導体素子のＮｉ系メタライズが完全に消失してしまう。図２に、Ｎｉ系メタライズが残存している場合と消失した場合において、半導体装置における半導体素子接続部界面の引っ張り強度を比較した図を示す。Ｎｉ系メタライズが消失した場合は、Ｎｉ系メタライズが残存している場合と比較して、半導体素子接続部界面の強度が著しく劣化する。このような接続界面の劣化は、製品寿命に大きく影響を及ぼす。
【０００４】
図３に、接続信頼性試験時に半導体素子１がCu６Sn５と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層１０１およびＳｎ系はんだ１０６とを有する接続部材２と剥離した例を示す。半導体素子１の剥離を防止するためには、Ｎｉ系メタライズを厚くすることが効果的と考えられ、パワー半導体に適用する場合にはＳｉウェハ全面にメタライズを形成することが必要となる。しかしながら、そのような場合、Ｎｉ系メタライズを１μmより厚くすると、Ｎｉ系メタライズの膜応力によって、半導体素子の反りによる破壊やメタライズ剥がれが生じる恐れがある。通常、形成可能な１μm程度のＮｉ系メタライズの厚さでは、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ等のＳｎ系はんだ接続によるＮｉ系メタライズ消失を抑止することはできない。
【０００５】
また、Ｐｂを含まず高Ｐｂはんだに近い融点を有するPbフリーはんだ材料としては、Ａｕ−２０Ｓｎ（共晶、２８０℃）、Ａｕ−１２Ｇｅ（共晶、356℃）Ａｕ−３．１５Ｓｉ（共晶、363℃）等のAu系材料があるが、極めて高コストである。またAu含有率が比較的少ないＡｕ−２０Ｓｎの場合、硬はんだであるため、大面積の接続では十分な応力緩衝ができず、半導体素子が破損しやすい欠点がある。
【０００６】
他のPbフリーはんだ材料としては、融点２００℃以上のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ等のＳｎ系中温はんだがあり、部品を基板に実装するために広く用いられ、１５０℃以下では良好な接続信頼性を有する。しかしながら、２００℃以上の使用環境で長時間保持するような場合には接続界面で界面反応が進み、ボイドの形成および金属間化合物層の成長等により、接続信頼性が低下する問題がある。
【０００７】
この問題に対し、Ｓｎ系はんだの界面反応を抑制する手法としては、例えば特許文献１（特許第３１５２９４５号公報）がある。特許文献１には、「Ｃｕ０．１〜２重量％、Ｎｉ０．００２〜１重量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする無鉛はんだ合金」が開示されている。特許文献１では、Ｃｕの添加により被接続材のＣｕ食われを抑止すると同時に、Ｎｉ添加により接続界面におけるＣｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎ等の金属間化合物の成長を抑制することが可能であることが報告されている。また、特許文献２（特開２００２−２８０４１７号公報）には、「少なくとも、配線層上に形成された第１の金属を含む接着層上に、合金ハンダからなるハンダバンプを有する半導体装置において、前記ハンダバンプと前記接着層との間に、前記合金ハンダの主となる金属と該金属とは異なる第２の金属とを含む金属間化合物が形成されていることを特徴とする半導体装置」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３１５２９４５号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０４１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来技術においては、以下のような問題があり、界面反応抑制が十分とはいえず、接続信頼性が低い。特に、高温下で使用される車載用交流発電機（オルタネータ）用半導体装置には従来技術で界面反応を抑制することは困難であることがわかった。
【００１０】
すなわち、上記特許文献１の場合、Ni添加により界面反応の抑制は多少期待できるが、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎの化合物が常にＣｕ及びＳｎ系はんだと接しているため、２００℃以上の高温下では界面反応が進んでしまう。これにより、Ｃｕ−Ｓｎ化合物が成長しつづけ、その界面でボイド等が発生し、結果、接続信頼性の低下を招く。
【００１１】
一方、上記特許文献２の場合は、はんだ最近接に形成された金属間化合物がＳｎ系はんだと金属層との間でバリア層となるため、界面反応抑制効果は大きいと考えられるが、被接続材に予め第１の金属層と第２の金属層との２層を設ける必要があり、めっき工程の増加する、選択的に局所めっきをすることで高コストになる、電極を設けることができない構造の場合金属層形成が困難等の問題がある。また、接続面最表面に形成された金属層を接続時にＳｎ系はんだと反応させてバリア層とする必要があるため、最表面に形成された金属層が厚いと、接続時に未反応の最表面金属層が残存してしまいバリア層の効果が十分に得られない、完全に最表面金属層を反応させるのに接続時間を長くする等のプロセスの調整が必要となるといった問題が生じる可能性がある。一方、最表面の金属層が薄い場合、界面反応を抑制するためのバリア層が薄くなり、２００℃以上の高温下では十分に界面反応を抑制できないおそれがある。Ｓｎ系はんだとの反応において接続面最表面層に形成された層（例えばＣｕ層）の未反応部分が残存・露出する場合には、その露出部分からの酸化、腐食が起こり問題となる。一方、接続面最表面層の残存を回避するため、仮に局所めっき等をして接続面最表面層を局所的に設けた場合、今度はＳｎ系はんだがその下層にある金属層（例えばＮｉ層）まで濡れ広がるおそれが生じる。この場合、これらの間で金属間化合物（例えばＮｉ−Ｓｎ化合物）が形成され、この部分で界面反応がすすみ、体積変化に伴うボイドが生じてしまうおそれがある。
【００１２】
本発明の目的は、環境負荷が小さく低コストで、２００℃以上の高温で長時間使用しても接続信頼性を維持できる半導体素子の接続材料を提供するとともに、その接続材料を用いた半導体装置および車載用交流発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すると次の通りである。
（１）半導体素子と、半導体素子の第一の面と第一の接続部材を介して接続された支持電極体と、前記支持電極体に支持された前記半導体素子の第二の面と第二の接続部材を介して接続されたリード電極体と、を有する半導体装置であって、前記支持電極体と前記第一の接続部材の界面には、Ni系めっき層、および、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層を有し、前記リード電極体と前記第二の接続部材の界面には、Ni系めっき層、および、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層を有し、前記金属間化合物層は、平均粒径が４．８μｍ以上であることを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、環境負荷が小さくまた２００℃以上の耐熱性がある半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の接続材料を用いたパワー半導体モジュールの製造方法の一例を示す図である。
【図２】半導体素子接続部界面の引っ張り強度を比較した図である。
【図３】接続信頼性試験時に半導体素子が接続部材と剥離した一例を示す図である。
【図４】本発明の接続機構を模式的に示す断面図である。
【図５（ａ）】Cu６Sｎ５もしくは（Cu、Ni）６Sn５化合物の平均結晶粒径とＮｉ系メタライズ消失量の関係を示す図である。
【図５（ｂ）】Cu６Sｎ５もしくは（Cu、Ni）６Sn５化合物の平均結晶粒径とＮｉ系メタライズ消失量の関係を示す図である。
【図５（ｃ）】Cu６Sｎ５もしくは（Cu、Ni）６Sn５化合物の平均結晶粒径とＮｉ系メタライズ消失量の関係を示す図である。
【図５（ｄ）】Cu６Sｎ５もしくは（Cu、Ni）６Sn５化合物の平均結晶粒径とＮｉ系メタライズ消失量の関係を示す図である。
【図５（ｅ）】Cu６Sｎ５もしくは（Cu、Ni）６Sn５化合物の平均結晶粒径とＮｉ系メタライズ消失量の関係を示す図である。
【図６】Ｓｎ−Ｃｕ２元系状態図である。
【図７】接続材料の供給形態の一例を示す図である。
【図８】接続材料の供給形態の一例を示す図である。
【図９】半導体素子接続界面の一例を示す図である。
【図１０】半導体素子接続界面の一例を示す図である。
【図１１】接続部のCu含有率とNi系メタライズ上に形成された金属間化合物に占めるNi置換量の多い（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の比率を示す図である。
【図１２】本発明の接続材料を用いた車載用交流発電機用の半導体装置の一例を示す図である。
【図１３】本発明の接続材料を用いた車載用交流発電機用の半導体装置の一例を示す図である。
【図１４】ヤング率と降伏応力との関係を示す図である。
【図１５】本発明の接続材料を用いた半導体装置の一例を示す図である。
【図１６】本発明の接続材料を用いた半導体装置の一例を示す図である。
【図１７】本発明の接続材料を用いた半導体装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、本発明の接続材料及び接続機構について図４により説明する。
【００１７】
本発明の接続材料の一例は、室温から２００℃においてＣｕ−Ｓｎ化合物（例えばＣｕ６Ｓｎ５）の相１０を含有するＳｎ系はんだ箔１７である。このはんだ箔１７を用いて、Ｎｉ系めっき１１を施した被接続材１２を接続することにより、はんだ箔１７中に相として浮いていたＣｕ６Ｓｎ５相１０がNi系めっき１１上に析出あるいは移動し、Ｃｕ−Ｓｎ化合物を主体とする化合物層（Ｃｕ６Ｓｎ５相）１０が形成される。ここで、化合物層が形成される際に、Niめっき１１が一部溶融して（Ｃｕ、Ｎｕ）６Ｓｎ５化合物が形成される場合もあり、この場合、化合物層１０は、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）Ｓｎ６化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層となる。その結果、図４に示すように、被接続材１２がＣｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）Ｓｎ６化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層である接続部材２を介してそれぞれ接続され、接続部材２と被接続材１２との間にはメタライズとしてはんだと未反応のNi系メタライズが残存する構成となる。その結果、２００℃以上の高温下に長時間さらされても、Ｃｕ−Ｓｎ化合物および／または（Ｃｕ、Ｎｉ）Ｓｎ６化合物を主体とした化合物層１０がＮｉ系めっき１１とＳｎ系はんだのバリア層となり、接続界面反応による化合物層の成長及びそれに伴うボイドの形成を抑制することができる。
【００１８】
しかし、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）Ｓｎ６化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層の粒径は下地のNi系メタライズに依存するため、微細な結晶粒径となる。図５に、Ni系メタライズ上に形成されたＣｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層の結晶粒径と、Ｎｉ系メタライズ消失量の関係を示す。図５（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ２５０℃、３００℃、４００℃の接続温度において、各時間加熱した際のNi系メタライズの消失厚さを示したものである。これによると、接続断面観察により得られた化合物の結晶粒径が４．８μｍ未満ではＮｉ系メタライズが消失しやすいことが分かる。それに対し、化合物の結晶粒径が４．８μｍ以上の場合においては、４００℃での接続時間１０ｍｉｎ．と３０ｍｉｎ．を見ても分かるように、Ｎｉ系メタライズの消失が大きく抑制される。結晶粒径が４．８μｍ以上のＣｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層は、Ｃｕ含有率が４ｗｔ．％以上のＳｎ系はんだを用いて、はんだの液相線温度から１０℃以下の温度で接続することにより形成される。
【００１９】
本実施形態の接続機構では、被接続材に少なくともＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ等のＮｉめっきを１層設けておけばよいため、少ない工程数での接続が可能となる。また、本発明の接続機構では、形成されるバリア層の厚さは、はんだ箔に含まれるＣｕ−Ｓｎ化合物相の量に依存するため、Ｃｕ−Ｓｎ化合物量の増減によりバリア厚の調節が可能となる。さらに、図４に示すように、はんだが濡れた接続界面にはんだ中のＣｕ−Ｓｎ化合物１０がＮｉ系めっき１１上に能動的に析出あるいは移動し、Ｃｕ−Ｓｎ化合物のバリア層が形成されるため、接続後の接続部では上記したような問題は生じない。
【００２０】
ここで、本発明の接続材料のように、Ｃｕ−Ｓｎ化合物が相として含まれる状態、室温から２００℃においてＣｕ６Ｓｎ５を含有するＳｎ系はんだの状態となる条件について、Ｓｎ−Ｃｕ２元系状態図を示す図６を用いて説明する。
【００２１】
Ｓｎ−０．９ＣｕよりＣｕ含有量の少ない組成では、はんだが溶融して凝固する際に、共晶組成より多く含まれるＳｎが初晶としてまず析出し、最後にＳｎとＣｕ６Ｓｎ５が共晶組織として凝固する。そのとき、Ｃｕ６Ｓｎ５は接続内部の粒界等に分散して析出するため、Ｎｉ系めっき上にバリア層状に析出しない。そのため、耐熱性が得られない。一方、Ｓｎ−０．９ＣｕよりＣｕ含有量が多い組成では、はんだが溶融して凝固する際に、まずＣｕ６Ｓｎ５相が析出する。その際、Ｃｕ６Ｓｎ５がＮｉ系めっき上に優先的に析出するために、Ｃｕ−Ｓｎ化合物のバリア層が形成される。そして、最後にＳｎとＣｕ６Ｓｎ５が共晶組織として凝固する。上記のような機構でＣｕ−Ｓｎ化合物のバリア層が形成される。
【００２２】
すなわち、本発明の接続材料としては、共晶組成よりＣｕ６Ｓｎ５相の含有量が多い組成を選択すればよい。Ｓｎ−Ｃｕ２元系であれば、Ｃｕが０．９ｗｔ％以上あればよいことになるが、他元素が含まれる場合には合金系によって共晶組成が異なるため、いずれの場合でも、共晶組成よりＣｕ６Ｓｎ５相の含有量が多い組成の接続材料を選択すればよい。なお、これにより通常使用されるＳｎ−３Ａｇ−０．５ＣｕやＳｎ−０．７Ｃｕの場合では、共晶組成に比べてＣｕ６Ｓｎ５相が少ないため、Ｎｉ系めっき上にはバリア層が形成されない。
【００２３】
以上のように、本発明の接続材料及びその接続機構について説明したが、接続材料の供給形態は箔にこだわらず、図７及び図８に示すように、ペーストやワイヤ等のいずれの形状で供給されても、接続後にＮｉ系めっき上にＣｕ−Ｓｎ化合物および／または（Ｃｕ、Ｎｉ）Ｓｎ６化合物のバリア層が形成される。適宜、接続環境に応じた供給方法を選択することが可能である。図７は、被接続材１２がＣｕ−Ｓｎ化合物１０を有するはんだペースト１８をはんだ材料として接続することで接続部材２を形成し、図８は、被接続材１２がＣｕ−Ｓｎ化合物１０を有するはんだワイヤ１９をはんだ材料として接続することでＣｕ−Ｓｎ化合物１０が析出する。
【００２４】
なお、室温から２００℃においてＣｕ６Ｓｎ５相を含有するＳｎ系はんだは、良好な濡れを得るために、好ましくは液相線温度が接続温度以下となる組成を選択すればよい。
【００２５】
図９、図１０に、平均粒径が４．８μｍ未満の場合と４．８μｍ以上の場合における半導体素子接続界面の一例を示す。Ｃｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物の平均粒径が４．８μｍ未満の場合にＮｉ系メタライズが消失しているのに対し、４．８μｍ以上の場合にＮｉ系メタライズが消失せずに残存していることが分かる。図９では、半導体素子１と、Cu６Sn５と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層１０１およびＳｎ系はんだ１０６とがＮｉ系以外のメタライズ１０４を介して接続されており、Ｎｉ系メタライズが消失していることが分かる。
【００２６】
平均粒径が４．８μｍより小さい場合、Ｎｉが多く含有される（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物が大部分を占めるため、接続時にＮｉ系メタライズ上に （Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層が存在していたとしても、金属間化合物を通じてＮｉが拡散しやすくなり、はんだ接続時にＮｉ系メタライズ消失を十分に抑制することができない。また、結晶粒が微細になると、結晶粒界の割合が増加する。結晶粒界は粒内に比べて拡散が早いため、微細な結晶粒ほどＮｉが拡散しやすい条件となっている。
【００２７】
一方、図１０では、半導体素子１とCu６Sn５と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層１０１およびＮｉ系メタライズ１０５を有する接続部材２がＮｉ系以外のメタライズ１０４を介して接続されており、Ｎｉ系メタライズ上に形成された平均粒径４．８μｍ以上のＣｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層では、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物あるいはＮｉ含有率の低い（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物が大部分を占めるため、金属間化合物を通じてのＮｉの拡散が遅くなる。また、結晶粒径が大きいほど、粒界の割合が少なくなりＮｉが拡散しにくくなるため、はんだ接続時にＮｉ系メタライズの拡散バリア層として機能する。
【００２８】
また、平均結晶粒径が４．８μｍ以上であるＣｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層が、Ｃｕ３Ｓｎを含有しないことが望ましい。該金属間化合物層にＣｕ３Ｓｎが存在する場合、パワー半導体装置通電時の発熱、または１５０℃以上の高温環境下で半導体装置を使用した場合に、Ｃｕ３ＳｎがＣｕ６Ｓｎ５もしくは（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５に変態するため、接続界面近傍にカーケンダルボイドおよび体積変化に伴うボイドが発生して接続信頼性が得られない。Ｓｎ系はんだとの反応により、Ｎｉ系メタライズ上にＣｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層を形成しようとすると、局所的に未反応のＣｕやＣｕ３Ｓｎ化合物が残存する可能性が高いためである。
【００２９】
金属間化合物とはんだ部全体のCu含有率が４ｍａｓｓ％以上であることが望ましい。平均結晶粒径が４．８μｍより小さい金属間化合物を有し、金属間化合物とはんだ部全体のCu含有率が４ｍａｓｓ％未満となる接続部の場合、接続時に半導体素子のNi系メタライズ消失を抑制できない。図１１に、接続部のCu含有率とNi系メタライズ上に形成された金属間化合物に占める図９のNi置換量の多い（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の比率を示す。接続部のCu含有率が低いほど、Ni置換量の多い（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の比率が増加する。接続部のCu含有率が４ｍａｓｓ％未満となる場合、Ni置換量の多い（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物とSnが接触することで、Niが拡散しやすく、Ni系メタライズの消失を抑制することが難しい。それに対し、Cu含有率が４ｍａｓｓ％以上の場合、SnとNi置換量の多い（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の間に、図１０のNi置換量の少ないＣｕ６Ｓｎ５化合物あるいは（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が存在するため、Ni系メタライズの消失を効果的に抑制することができる。
【００３０】
次に、本発明の接続材料を用いた半導体装置及びその製造方法の一形態について、車載用交流発電機用の半導体装置を示す図１２、図１３を用いて説明する。
【００３１】
図１２に示す半導体装置は、半導体素子１と、半導体素子１の第一の面と本発明の接続材料を用いて形成された接続部材２を介して接続される接続部にＮｉ系めっきを施したリード電極体７と、半導体素子１の第二の面と本発明の接続材料を用いて接続された接続部材４を介して接続される接続部にＮｉ系めっきを施した熱膨張率差緩衝材９と、熱膨張率差緩衝材９の他方の面と本発明の接続材料を用いて接続された接続部材６を介して接続される接続部にＮｉ系めっきを施した支持電極体２０とを有する。
【００３２】
本発明の接続材料を用いて接続することにより、高温下での使用でも界面反応を抑制し、接続信頼性のある半導体装置を提供することができる。なお、すべての接続部で本発明の接続材料を用いず、一部他の材料の使用も可能だが、接続信頼性の観点からすべての接続部で本発明の接続材料を用いることが好ましい。この際、共晶組成よりＣｕ６Ｓｎ５相の含有量が多い組成の接続材料および／または（Ｃｕ、Ｎｉ）Ｓｎ６化合物であればいかなるものでもよく、各接続部で異なる材料であっても構わない。
【００３３】
ここで、熱膨張率差緩衝材９としては、Ａｌ，Ｍｇ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ｎｉのうちのいずれかを用いることができる。これらは降伏応力が小さい金属であり、惰性変形しやすい。そこで、接続部にこれらの金属を付与することにより、接続後の冷却時および温度サイクル時に接続部に被接続材の熱膨張率差により発生する応力を緩衝することができる。このとき、図１４に示すように、降伏応力が７５ＭＰａ以下であることが好ましい。降伏応力が１００ＭＰａ以上の場合、応力を充分に緩衝できず、半導体素子に割れが発生する場合があるためである。厚さは、３０〜５００μｍにすることが好ましい。厚さが、３０μｍ以下の場合、応力を充分に緩衝できず、半導体素子および金属間化合物にクラックが発生する場合がある。厚さが、５００μｍ以上の場合、Ａｌ，Ｍｇ，Ａｇ，ＺｎはＣｕ製の電極より熱膨張率が大きいため、熱膨張率の効果が大きくなり、信頼性の低下につながる場合がある。
【００３４】
また、熱膨張率差緩衝材９としては、Ｃｕ／インバー合金／Ｃｕ複合材、Ｃｕ／Ｃｕ２０複合材Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを用いることができる。この熱膨張率差緩衝材９により、半導体素子とＣｕ電極との間の熱膨張率差から生じる温度サイクル時及び接続後の冷却時の接続に発生する応力を緩衝することができる。このとき、厚さが薄すぎると応力を十分に緩衝できず、半導体素子および金属間化合物にクラックが発生する場合があるので、その厚さを３０μｍ以上にすることが好ましい。
【００３５】
なお、Ｓｎ系はんだは高鉛はんだに比べて熱伝導率が高いため、半導体装置の低抵抗化および高放熱化の可能であり、図１３のように熱膨張率緩衝材９を省略することも可能だが、高鉛はんだよりも硬いＳｎ系はんだを使用しても十分な接続信頼性を得るべく、挿入する方が好ましい。
【００３６】
各被接続材に設けるＮｉ系めっきとしては、上記の通り、Ｎｉ，Ｎｉ−Ｐ，Ｎｉ−Ｂ等を用いればよいが、そのめっき上に更にＡｕめっき、Ａｇめっき、Ｐｄめっきを施しても構わない。これにより、濡れ性を向上させることができる。その場合、Ａｕ、Ａｇといっためっき層は接続時にはんだ内部に全て拡散させることにより、下地のＮｉ系めっき上にＣｕ−Ｓｎ化合物のバリア層を形成することができる。また、Ｎｉ系メタライズ層の下にＴｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｖのうちの少なくとも１つのメタライズ層を有していても良い。Ni系メタライズ層の下にＴｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｖのうちの少なくとも１つのメタライズ層を有しても、その上にＮｉ系メタライズ層があれば、接続界面には安定なＣｕ６Ｓｎ５と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも一つを有する金属間化合物層が形成される。
【００３７】
次に、半導体装置の製造方法について説明する。図１２に示すような部材および接続部材の順序で、すなわち支持電極体２０の上に、室温から２００℃においてＣｕ６Ｓｎ５相を含有するＳｎ系はんだ箔６、熱膨張係数が１１×１０−６／℃の直径６．８ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのＮｉめっきＣＩＣ（Ｃｕ／Ｉｎｖｅｒ／Ｃｕ）クラッド材の熱膨張率差緩衝材９、室温から２００℃においてＣｕ６Ｓｎ５相を含有するＳｎ系はんだ箔、直径６ｍｍ厚さ０．２ｍｍのＮｉめっき半導体素子１、室温から２００℃においてＣｕ６Ｓｎ５相を含有するＳｎ系はんだ箔、直径４．５ｍｍ厚さ０．２ｍｍのＣｕ板付Ｃｕリード電極体７を積み重ね、位置合わせ治具内に置き、熱処理炉にて、窒素に水素５０％を混合した還元性雰囲気で、３８０℃、1分の温度条件で接続し、続いて接続部周辺にシリコーンゴム８を注入後硬化させて、半導体装置を製造する。なお、接続工程は２２０〜４５０℃、還元性雰囲気で行えば、フラックスを使用しないで良好な接続を行うことができる。このとき、はんだ接続材料はＳｎ−４〜１０Ｃｕ（ｍａｓｓ％）であることが望ましい。Ｓｎ−４〜１０Ｃｕ（ｍａｓｓ％）を用いてＮｉ系メタライズを有する半導体素子を接続することにより、Ｎｉ系メタライズ上に平均結晶粒径が４．８μｍ以上であるＣｕ６Ｓｎ５化合物と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物が晶出・析出し、あるいははんだ中に浮島状に存在するＣｕ６Ｓｎ５が対流等によりでＮｉ系メタライズ上に付着することで、拡散層を形成することができる。接続を、固相線温度以上、液相線温度より２０℃高い温度で行うことで、半導体素子のＮｉ系メタライズを消失させることなく、接続することが可能となる。また、液相線温度以上の場合、溶融はんだがＮｉ系メタライズに接触しやすくなるため、液相線温度以下で接続した方が望ましい。還元雰囲気中で接続することにより、良好な濡れと低ボイド率を両立することができる。
【００３８】
次に、本発明の接続材料を用いたパワー半導体モジュールの製造方法の他の形態について、図１を用いて説明する。
【００３９】
図１のように、位置ずれを防止する治具を用いて、基板３上にＳｎ−（４〜１０）Ｃｕ（ｍａｓｓ％）２箔を積層し、その上にパワー半導体素子1を積層した後に、Ni系メタライズ上に平均粒径４．８μｍmであるＣｕ６Ｓｎ５あるいは（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物層の少なくとも１つを含む金属間化合物層が形成できるような工程により、還元雰囲気中で接続を行った。その後、半導体素子１上と基板３上の電極間Ａｌワイヤ２１によりボンディングした。これを、位置ずれ防止する治具を用いて、支持部材５上にSn系はんだ箔、その上に半導体素子１を搭載した基板を積層し、還元雰囲気中で３００℃１０ｍｉｎ．で接続を行った。基板３上電極と外部電極とをＡｌワイヤ２１で接続した後、接続部周辺にゲルを注入し硬化させ、ケースを取り付けて半導体装置を作製した。
【００４０】
この半導体装置組立後の半導体素子のＮｉ系メタライズ残存状況を断面観察および超音波による非破壊検査により調査した。その結果を表１に示す。Ｓｎと未反応のＮｉ系メタライズが、接続部面積に対して９０％以上残存している場合を○、９０％未満の残存の場合を×で表記した。実施例１〜16の全てにおいて、Ｎｉ系メタライズが接続面積の９０％以上で残存していることを確認した。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
なお、上記では全体構造を半導体素子と基板、基板と支持部材の接続を別々に接続するプロセスについて述べたが、半導体素子、はんだ箔、基板、はんだ箔、支持部材を積層した後、一度のプロセスで接続しても良い。
（比較例１−７）
接続構造は、実施例１−１６と同じである。この半導体装置組立後の半導体素子のＮｉ系メタライズ残存状況を断面観察および超音波による非破壊検査により調査した。その結果を表１に示す。Ｓｎと未反応のＮｉ系メタライズが、接続部面積に対して９０％以上残存している場合を○、９０％未満の場合を×で表記した。比較例１−７の全てにおいて、半導体素子Ｎｉ系メタライズが残存している接続部面積の割合は９０％未満となった。全てのものでＮｉ系メタライズの残存域は、２０％程度となっていた。
【００４３】
以上、本発明者によってなされた発明を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。
【００４４】
すなわち、上記説明では、本発明の適用について、パワーモジュールの半導体素子の接続を例に挙げて説明したが、適用可能な半導体装置はオルタネータに限定する必要はなく、Ｓｎ系はんだを用いた接続全てにも適用できる。
【００４５】
次に、本発明の接続材料を用いた半導体装置の他の形態について、図１５を用いて説明する。図１５はプリント基板への部品実装の例であり、プリント基板１０２と、前記プリント基板１０２と本発明の接続材料を用いて接続され、実装された表面実装部品１０８と、前記プリント基板１０２と本発明の接続材料を用いて接続され、実装されたチップ部品１０３と、前記プリント基板１０２と本発明の接続材料を用いて接続され、実装された挿入実装部品１１１とを有する。図示しないが、接続される各面にはＮｉ系めっきが施される。本発明の接続機構を用いて実装することにより、高温下でも界面反応を抑制し、接続信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００４６】
半導体素子搭載基板をベースに接続する際に、半導体素子接続部が再溶融するが、その際にも同様の効果により、Ｎｉ系メタライズの消失を抑制できる。
【００４７】
なお、図１５は表面実装部品１０８、チップ部品１０３、挿入実装部品１１１の全てが実装されているが、いずれか一つ又は二つだけであっても構わない。また、一部の接続においてＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ等の他のはんだ材料を用いても構わない。
【００４８】
次に、本発明の接続材料を用いた半導体装置の他の形態について、図１６を用いて説明する。
【００４９】
図１６に示す半導体装置は、半導体素子１と、半導体素子１と本発明の接続材料を用いて接続されたフレーム１１２と、半導体素子１に設けられた電極（図示しない）とワイヤ１１３により電気的に接続された外部リード１０７と、半導体素子１を覆うように設けられたモールド樹脂１１４とを有する。図示しないが、接続される各面にはＮｉ系めっきが施される。本発明の接続機構を用いることにより、高温下でも界面反応を抑制し、接続信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００５０】
他の半導体装置の形態について、図１７を用いて説明する。
【００５１】
図１７に示す半導体装置は、ＲＦモジュール等に代表される構造であり、モジュール基板１０９と、モジュール基板に本発明の接続材料を用いて接続された表面実装部品１０８と、モジュール基板に本発明の接続材料を用いて接続された半導体素子１と、モジュール基板に本発明の接続材料を用いて接続されたチップ部品１０３と、モジュール基板１の裏面に設けられたはんだボール１１０とを有する。図示しないが、接続される各面にはＮｉ系めっきが施される。本発明の接続機構を用いることにより、高温下でも界面反応を抑制し、接続信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００５２】
以上、半導体装置の実施形態についていくつか説明したが、本発明はこれら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。例えば、パワートランジスタ、パワーＩＣ、ＩＧＢＴ基板、ＲＦモジュール等のフロントエンドモジュール、自動車用パワーモジュール等のダイボンディング等に用いても構わない。また、接続に用いる本発明の接続材料は、共晶組成よりＣｕ６Ｓｎ５相の含有量が多い組成のＳｎ系はんだであれば、その供給形態は問わず、プリント基板へのレベリング処理、部品へのディップ、印刷、箔、ワイヤ等いずれの方法でも構わない。
【符号の説明】
【００５３】
１：半導体素子、２・４：接続部材、３：基板、５：支持部材、６：Ｓｎ系はんだ箔、７：リード電極体、８：シリコーンゴム、９：熱膨張率差緩衝材、１０：Ｃｕ−Ｓｎ化合物の相（Ｃｕ６Ｓｎ５相）、１１：Ｎｉ系めっき、１２：被接続材、１７：はんだ箔、１８：はんだペースト、１９：はんだワイヤ、２０：支持電極体、２１：電極間Ａｌワイヤ、１０１：Cu６Sn５と（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５化合物の少なくとも１つを含む金属間化合物層、１０２：プリント基板、１０３：チップ部品、１０４：Ｎｉ系以外のメタライズ、
１０５：Ｎｉ系メタライズ、１０６：Ｓｎ系はんだ、１０７：外部リード、１０８：表面実装部品、１０９：モジュール基板、１１０：はんだボール、１１１：挿入実装部品、１１２：フレーム、１１３：ワイヤ、１１４：モールド樹脂
【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（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図５（ｄ）】
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【図５（ｅ）】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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