(57)【要約】【課題】  従来のＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いて接続した半導体装置によっては、半導体装置内のダイボンディング時に、熱膨張率差によって生じる熱応力を緩和できず、半導体素子が破壊してしまうことがある。また接続温度が３９０〜４００℃以上と高いと、Ｓｉチップ、フレームの被接続材を含む周辺部材の耐熱性は少なくとも４００℃以上必要となり、部材の選択肢の幅が狭まるという課題がある。【解決手段】  Ｍｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうちの１種以上の金属を含有する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。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうちの１種以上の金属を含有する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。
【請求項２】
請求項１記載の接続材料において、
前記Ａｌ系合金層はＭｇを含有しており、Ｍｇ含有率が２０〜５０ｍａｓｓ％であることを特徴とする接続材料。
【請求項３】
請求項２記載の接続材料において、前記Ａｌ系合金層のＳｎ含有率が２０〜５０ｍａｓｓ％であることを特徴とする接続材料。
【請求項４】
第１のＺｎ系合金層の上にＭｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうちの１種以上の金属を含有するＡｌ系合金層を重ね、前記Ａｌ系合金層の上に第２のＺｎ系合金層を重ねて、クラッド圧延により製造することを特徴とする接続材料の製造方法。
【請求項５】
第１のＺｎ系合金層の上にＭｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうちの１種以上の金属を含有するＡｌ系合金層を重ね、前記Ａｌ系合金層の上に第２のＺｎ系合金層を重ねて、加圧成形により製造することを特徴とする接続材料の製造方法。
【請求項６】
半導体素子と、
前記半導体素子を接続するフレームと、
一端が外部端子となるリードと、
前記リードの他端と前記半導体素子の電極とを接続するワイヤと、
前記半導体素子および前記ワイヤを樹脂封止するレジンとを有し、
前記半導体素子と前記フレームとを接続する接続材料は、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうちの１種以上の金属を含有する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半導体装置。
【請求項７】
半導体素子と、
前記半導体素子を接続する基板と、
一端が外部端子となるリードと、
前記リードの他端と前記半導体素子の電極とを接続するワイヤと、
前記半導体素子および前記ワイヤを気密封止し、前記基板に接続する金属キャップとを有し、
前記基板と前記金属キャップとを接続する接続材料は、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうちの１種以上の金属を含有する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半導体装置。
【請求項８】
請求項７記載の半導体装置において、
前記半導体素子と前記基板とを接続する接続材料は、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうちの１種以上の金属を含有する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半導体装置。
【請求項９】
半導体素子を有し、
前記半導体素子と該半導体素子を実装する基板とを接続する接続材料は、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうちの１種以上の金属を含有する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半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接続材料、接続材料の製造方法および半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉛は人体の神経や造血系への悪影響が明らかとなっており、欧州では自動車中の鉛使用を制限するＥＬＶ指令（Ｅｎｄ‐ｏｆ  Ｌｉｆｅ  Ｖｅｈｉｃｌｅｓ  ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ、廃自動車に関する指令）および電気・電子機器中の鉛使用を禁止するＲｏＨＳ（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｃｅｒｔａｉｎ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）指令が２０００年１０月および２００６年７月にそれぞれ施行された。電気・電子機器の部品の電気的接続に使用されているはんだには従来、鉛が含まれていた。はんだは融点により、高温、中温、低温の３種類に分けられ、中温はんだとしてはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ‐Ｃｕ系はんだ等、低温はんだとしてはＳｎ‐Ｂｉ系はんだ、Ｓｎ‐Ｉｎ系はんだ等がすでに開発・実用化され、ＥＬＶ指令、ＲｏＨＳ指令に適合してきた。ところが、これらのはんだは鉛の含有率が８５％以上と高く、高融点を有する高鉛はんだは、これに代わる鉛フリーの高耐熱接続材料が開発されていないため、上記ＥＬＶ指令、ＲｏＨＳ指令の対象除外になっている。しかしながら、高鉛はんだは、構成成分として８５ｗｔ．％以上の鉛を含有しており、ＲｏＨＳ指令で禁止されているＳｎ‐Ｐｂ共晶はんだに比べて環境への負荷が大きい。よって、高鉛はんだに代わる代替接続材の開発が切望されている。
【０００３】
代替接続材の従来技術として用いられているはんだとしては、「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」が特許文献１（特開２００８‐１２６２７２号公報）に開示されている。
【０００４】
図１は、上記従来の高鉛はんだを用いて接続した半導体装置の構造の一例を示す図である。また、図２は、図１の半導体装置において再溶融したはんだによるフラッシュが発生した半導体装置の構造の一例を示す図である。
【０００５】
図１の半導体装置７は、半導体素子１、フレーム２、はんだ３、ワイヤ４、リード５、封止用のレジン６とを備えて構成される。半導体素子１がフレーム２上にはんだ３により接続（ダイボンディング）され、ワイヤ４によりリード５のインナーリードと半導体素子１の電極がワイヤボンディングされた後、封止用のレジン６あるいは不活性ガスにより封止されて製造される。
【０００６】
この半導体装置７は、例えばＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系の中温の鉛フリーはんだによりプリント基板にリフローはんだ付けされる。Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系鉛フリーはんだの融点は約２２０℃と高く、リフロー接続の際に接続部が最高２６０℃まで加熱されることが想定される。そのため、リフロー接続の際に接続（ダイボンディング）部が再溶融しないように、ダイボンディングには、２９０℃以上の融点を有する高鉛はんだが使用される。
【０００７】
現在、既に開発されているＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系等の中温鉛フリーはんだは融点が約２２０℃であるため、半導体素子のダイボンディングに使用した場合、半導体装置をプリント基板にリフロー接続する際にはんだが溶融してしまう。接続部周りがレジンでモールドされている場合、内部のはんだが溶融すると、溶融時の体積膨張により、図２に示すように、フラッシュと呼ばれる封止用のレジン６とフレーム２の界面からはんだ３が漏れ出すこと現象が発生する場合がある。あるいは、漏れ出さないまでも、漏れ出そうと作用し、その結果、凝固後にはんだの中に大きなボイド８が形成され不良品となることがある。代替材料の候補としては、融点の面からＡｕ‐Ｓｎ、Ａｕ‐Ｓｉ、Ａｕ‐Ｇｅ等のＡｕ系はんだ、Ｚｎ、Ｚｎ‐Ａｌ系のはんだおよびＢｉ、Ｂｉ‐Ｃｕ、Ｂｉ‐Ａｇ等のはんだが報告されており、世界中で検討が進められている。
【０００８】
しかしながら、Ａｕ系のはんだは、構成成分としてＡｕを８０ｗｔ．％以上含有しており、コストの面で汎用性に難があり、また硬くて脆いハードソルダーである。Ｂｉ系はんだは、熱伝導率が約９Ｗ／ｍ・Ｋと現行の高鉛はんだより低く、高放熱性が要求されるパワー半導体装置およびパワーモジュール等への適用は難しいと推定できる。またこのはんだも硬くて脆い。また、Ｚｎ及びＺｎ‐Ａｌ系はんだは、約１００Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を有するが、濡れにくく（特にＺｎ‐Ａｌ系はんだ）、はんだが硬く、熱膨張率が大きいため、接続後の冷却時に熱応力によって半導体素子が破壊しやすい等の問題がある。また、純Ｚｎは反応性が高く、高温で界面反応が著しく進むため、たとえ良好な接続が得られたとしても、高耐熱性が得られない。
【０００９】
またＺｎ‐Ａｌ系はんだの課題である濡れにくいこと及び硬いことを解決する接続材として、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いる方法が開示されている。開示内容によれば、表面のＺｎ層により濡れ性（接続性）を確保でき、内層のＡｌは金属の中では軟らかいため、応力緩衝能があり、接続信頼性を確保できるとしている。また、Ｚｎ及びＡｌの融点はそれぞれ４２０℃、６６０℃であり、ＺｎとＡｌの拡散により生成するＺｎ‐Ａｌ共晶（Ｚｎ‐６Ａｌ）の融点も３８２℃であるため、接続材は高融点であり、高耐熱性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】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】
【００１１】
特許文献１（特開２００８‐１２６２７２号公報）記載のＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いた接続を行うことで、接続性および接続信頼性を得ることができるが、Ｚｎ‐Ａｌの共晶接続を利用しても、最低でも３８２℃、実用上は３９０〜４００℃以上の接続温度が必要である。接続後の冷却の際、接続部が最後に凝固する温度はＺｎ‐Ａｌ共晶の融点３８２℃である。３８２℃から室温までの温度差は３８２−２５＝３５７℃と非常に大きい。またＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の主な用途である半導体装置内のダイボンディングの場合、通常、半導体素子（Ｓｉチップ）とＣｕまたはＣｕ合金製のフレームを接続する。ＳｉとＣｕまたはＣｕ合金の熱膨張率差は非常に大きいため、はんだの凝固温度から室温までの温度差が大きい場合、前述の熱膨張率差によって生じる熱応力を緩和できず、半導体素子が破壊してしまうことがある。また接続温度が３９０〜４００℃以上と高いと、Ｓｉチップ、フレームの被接続材を含む周辺部材の耐熱性は少なくとも４００℃以上必要となり、部材の選択肢の幅が狭まるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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簡単に説明すれば、次のとおりである。
（１）Ｍｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうちの１種以上の金属を含有する
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である。
（２）（１）記載の接続材料において、前記Ａｌ系合金層はＭｇを含有しており、Ｍｇ含有率が２０〜５０ｍａｓｓ％であることを特徴とする接続材料である。
（３）（２）記載の接続材料において、前記Ａｌ系合金層のＳｎ含有率が２０〜５０ｍａｓｓ％であることを特徴とする接続材料である。
【発明の効果】
【００１３】
本願によれば、良好な応力緩衝能を有する接続材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の高鉛はんだを用いて接続した半導体装置の構造の一例を示す図である。
【図２】図１の半導体装置において、再溶融したはんだによるフラッシュの説明図である。
【図３】クラッド圧延の方法の説明図である。
【図４】加圧成形の方法の説明図である。
【図５】本発明に係る接続材料の断面の一例を示す図である。
【図６】本発明に係る接続材料の実験条件を示す図である。
【図７】本発明に係る接続材料を用いて接続した半導体装置の断面の一例を示す図である。
【図８】本発明に係る接続材料による接続部の断面写真を示す図である。
【図９】本発明に係る半導体装置における実験結果を示す図である。
【図１０】本発明に係る接続材料を用いて接続した半導体装置の断面の一例を示す図である。
【図１１】図１０の半導体装置における接続材料一体型の金属キャップの一例を示す図である。
【図１２】本発明に係る半導体装置における実験結果を示す図である。
【図１３】本発明に係る接続材料を用いて接続した半導体装置の断面および実装構造の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１６】
図５は、本発明に係る接続材料の断面の一例を示す図である。接続材料は、Ｚｎ層１０１、Ａｌ系合金層１０２とを有して構成され、下から、Ｚｎ層（単にＺｎとも記す）１０１、Ａｌ系合金層（単にＡｌ系合金とも記す）１０２、Ｚｎ層（単にＺｎとも記す）１０１の順に積層されてなる。ここで、中間のＡｌ系合金層はＭｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｉｎのうち１種以上の金属を含有することにより、Ｚｎと反応した際、融点が３５０℃以下のＺｎ‐Ａｌ系合金を形成する。Ａｌ系合金層にＭｇを含有する場合は、Ｍｇ含有率は２０〜５０ｍａｓｓ％が望ましい。さらに、Ｍｇ以外にＳｎを含有し、その含有率が２０〜５０ｍａｓｓ％であることが望ましい。これにより、低融点のＺｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系、Ｚｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ‐Ｓｎ系、Ｚｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ‐Ｇｅ系等の合金を接続部に形成可能となる。
【００１７】
図３は、本発明に係る接続材料を製造するためのクラッド圧延の方法の説明図である。ここで、１０１ａはＺｎ層、１０２ａはＡｌ系合金層、１０１ａはＺｎ層であり、これらを重ねてローラー１０３により圧延加工する、すなわちクラッド圧延を行う。ローラー１０３を用いて圧延を行うと、Ｚｎ層１０１ａとＡｌ系合金層１０２ａが接触するのと同じタイミングで圧力により大きな変形が生じるため、Ｚｎ層１０１ａおよびＡｌ系合金層１０２ａの表面に形成されていた酸化物膜が破れ、新生面により金属接合される。
【００１８】
また、図４は、本発明に係る接続材料を製造するための加圧成形の方法の説明図である。ここで、１０１ｂはＺｎ層、１０２ｂ はＡｌ系合金層、１０１ｂ はＺｎ層であり、これらを重ねて加圧成型機１０４を用いて加圧成形を行う。加圧成型機１０４を用いて加圧成形を行うと、Ｚｎ層１０１ｂとＡｌ系合金層１０２ｂが接触すると同時に圧力によって大きな変形が生じるため、Ｚｎ層１０１ｂ及びＡｌ系合金層１０２ｂの表面に形成されていた酸化物膜が破れ、新生面により金属接合される。加圧成形において、ＺｎとＡｌ系合金の拡散が顕著になる温度まで熱負荷がかからないようにすれば、Ａｌ系合金成分が表面のＺｎ層を拡散して最表面まで達することはなく、接続時に良好な濡れを得ることが可能となる。
【００１９】
図７は、本発明に係る接続材料を用いて接続した半導体装置の一例を示す図である。図３または図４により作製したＺｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材を用いて、半導体装置１１の内部のダイボンディングを行う。半導体装置１１は、具体的には、半導体素子１と、接続材料１０を介して半導体素子と接続されるフレーム２と、一端が外部端子となるリード５と、リード５の他端と半導体素子１の電極とを接続するワイヤ４と、半導体素子１およびワイヤ４を樹脂封止するレジン６とを有して構成される。この半導体装置１１において、半導体素子１とフレーム２との接続に、図３または図４により作製したＺｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材を用いた。
【００２０】
接続時にＺｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材のＡｌ系合金層とＺｎ層とが反応することにより、接続部はＺｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金となる。この合金の融点は３５０℃以下であるので、Ｚｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金の共晶接続により、３５０℃の低温で接続することが可能となる。また、接続後の冷却時に半導体素子が破壊されるようなことはなく、さらに、接続部はＺｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金を有してなるため、融点は３５０℃以下となるが、少なくとも３００℃以上であるため、３００℃の耐熱性を有しており、後工程の２６０℃リフローに十分耐えることができる。さらに、中間のＡｌ系合金層の応力緩衝能により良好な接続信頼性が得られるという効果も有する。
【００２１】
この半導体装置１１の製造方法について説明する。ＮｉあるいはＮｉ／ＡｇあるいはＮｉ／Ａｕめっきを施したフレームに上に接続材料を供給し、大きさ５ｍｍ角の半導体素子１を積層した後、加圧しながらＮ２雰囲気中で３５０℃、２ｍｉｎ．加熱してダイボンディングを行い、半導体素子１とフレーム２とをはんだ１０により接続する。図８は、この半導体装置１１のはんだ接続部の断面図である。接続時の加熱によりＺｎとＡｌ系合金が反応することにより、３５０℃の低温で接続することができ、接続後は接続部はＺｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金相となる。その後、半導体素子１とリード５間をワイヤ４でワイヤボンディングし、１８０℃で封止用のレジン６で封止を行う。
【００２２】
また、図１０は、本発明に係るＺｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材を、半導体装置の内部の気密封止部の接続およびダイボンディングに用いて接続した半導体装置２１の構成図である。
【００２３】
具体的には、半導体素子１と、本発明に係るＺｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材を介して半導体素子１と接続される基板２３と、一端が外部端子となるリード５と、リード５の他端と半導体素子１の電極とを接続するワイヤ４と、半導体素子１およびワイヤ４を気密封止し、基板２３に接続する金属キャップ２２とを有する半導体装置２１において、基板２３と金属キャップ２２との接続に本発明に係るＺｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材を用いた。
【００２４】
接続時にＺｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材のＡｌ系合金層とＺｎ層が反応することにより、接続部はＺｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金となる。この合金の融点は３５０℃以下であるので、Ｚｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金の共晶接続により、３５０℃の低温で接続することが可能となる。また、本実施例により接続した半導体装置の接続後の接続部にはクラックが発生しない。さらに接続部はＺｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金からなるため、融点は３５０℃以下となるが、少なくとも３００℃以上であるため、３００℃の耐熱性を有しており、後工程の２６０℃リフローに十分耐えられる。さらに、中間のＡｌ系合金層の応力緩衝能により良好な接続信頼性が得られる。また、本発明に係る接続材料をダイボンディングに用いて接続した半導体装置においても、同様の効果を得ることができる。
【００２５】
図１０に示す半導体装置２１の製造にあたっては、気密封止の封止材として本発明に係る接続材料を用いる。半導体装置２１の製造方法を以下に説明する。半導体素子１およびワイヤ４を気密封止し、基板２３に半導体素子１およびチップ部品等をＳｎ系の鉛フリーはんだ3、もしくは導電性接着剤、Ｃｕ粉／Ｓｎ系はんだ粉複合材等で接続した後、接続材料１０ａを基板２３と金属キャップ２２の間に置き、加圧しながら３５０℃、２ｍｉｎ．加熱して接続を行う。接続時の加熱によりＺｎとＡｌ系合金が反応することにより、３５０℃の低温で接続することができる。接続後、接続部はＺｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金相となる。
【００２６】
なお金属キャップについては、気密封止を行うために、図１１に示すように、コバール、インバー等の金属合金２４とＡｌ系合金層１０２およびＺｎ層１０１を一緒にクラッド圧延で加工して、接続材料一体型の金属キャップ２２ａとしても構わない。
【００２７】
また、本発明に係るＺｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材を、半導体装置２１の内部の半導体素子１と基板２３の接続に用いることもできる。具体的には、半導体素子１と、本発明に係る接続材料を用いて接続したはんだ３を介して基板２３と接続された半導体装置であってもよい。
【００２８】
接続時にＺｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材のＡｌ系合金層とＺｎ層が反応することにより、接続部はＺｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金となる。この合金の融点は３５０℃以下であるので、Ｚｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金の共晶接続により、３５０℃の低温で接続することが可能となる。また、接続後の冷却時に半導体素子が破壊されたり、接続部にクラックが発生することはなく、さらに、接続部はＺｎ‐Ａｌ‐Ｍｇ系等の合金を有してなるため、融点は３５０℃以下となるが、少なくとも３００℃以上であるため、３００℃の耐熱性を有しており、後工程の２６０℃リフローに十分耐えることができる。さらに、中間のＡｌ系合金層の応力緩衝能により良好な接続信頼性が得られるという効果も有する。
【００２９】
図６は、本発明に係る接続材料の実験条件を示す図である。上述の方法にて作製したクラッド材１乃至１２の厚さ、Ａｌ合金層組成および備考を示す。クラッド材１は、Ｚｎ層、Ａｌ系合金層、Ｚｎ層の厚さがそれぞれ２０、４０、２０μｍであり、クラッド材２乃至１２についても同様に表記してある。またＡｌ系合金層としては、Ａｌ‐４４Ｍｇ、Ａｌ‐３４Ｍｇ‐２３Ｓｎ、Ａｌ‐２７Ｍｇ‐３６Ｇｅ、Ａｌの４種類を用いた。ここで、クラッド材１乃至９は本発明に係る接続材料であり、クラッド材１０乃至１２は比較に用いる接続材料である。また、  以下に示す実施例では、Ｚｎ／Ａｌ系合金／Ｚｎクラッド材は全て、図３に示したクラッド圧延法を用いて作製した。
【００３０】
図９は、本発明に係る接続材料を用いて接続した半導体装置の濡れ性および接続後のチップ割れの有無の実験結果を示す図である。実施例１乃至２７は、本発明に係る接続材料であるクラッド材を用いてダイボンディングを行い半導体装置を製造した場合の濡れ性および接続後のチップ割れの有無を示すものであり、比較例１乃至９は、Ａｌ系合金層の組成がＡｌであるクラッド材１０乃至１２をそれぞれ用いてダイボンディングを行い半導体装置を製造した場合の濡れ性および接続後のチップ割れの有無を示すものである。
【００３１】
濡れ性については、半導体素子の面積（２５ｍｍ２）に対して９０％以上の濡れが得られた場合に〇、９０％未満７５％以上の場合を△、７５％未満の場合を×とした。
【００３２】
実験の結果、クラッド材１乃至９を用いた実施例１乃至２７については、クラッド材、何れのフレームめっきの場合も、９０％以上の濡れ性が得られた。また同様に何れのクラッド材、何れのフレームめっきの場合も、接続後、チップ割れの発生は無かった。
【００３３】
一方、クラッド材１０乃至１２を用いた比較例１乃至９の場合は、濡れ性については実施例１乃至２７と同様に比較例１乃至９全てについて９０％以上の濡れ性が得られたが、接続後のチップ割れについては、すべての比較例についてチップ割れが発生した。これは、比較例１乃至９においては接続後の接続部の凝固温度が３８２℃（Ｚｎ‐６Ａｌの融点）と高いことが原因と考えられる。
【００３４】
以上により、実施例１乃至２７によれば、本発明に係る接続材料を、半導体装置のダイボンディングに用いることにより、３５０℃の低温で接続することが可能となることが分かった。これにより、接続後の冷却時に発生する熱応力を低減でき、半導体素子の破壊を防止することができる。
【００３５】
図１２は、本発明に係る接続材料を用いて接続した図１０に示す半導体装置２１の濡れ性および接続後の接続部のクラックの有無の実験結果を示す図である。実施例２８乃至４５は、本発明に係る接続材料であるクラッド材を用いて接続した半導体装置２１の濡れ性および接続後の接続部のクラックの有無を示すものであり、比較例１０乃至１５は、Ａｌ系合金層の組成がＡｌであるクラッド材１０または１１のいずれかを用いて接続を行い半導体装置を製造した場合の濡れ性および接続後の接続部のクラックの有無を示すものである。
【００３６】
濡れ性については、封止面積に対して気密が維持可能な濡れが得られた場合に〇、ボイド、クラック等で気密を維持できない場合を×とした。
【００３７】
実験の結果、クラッド材１乃至６を用いた実施例２８乃至４５については、クラッド材、何れのフレームめっきの場合も、９０％以上の濡れ性が得られた。また同様に何れのクラッド材、何れのフレームめっきの場合も、接続後、接続部にクラックの発生は無かった。
【００３８】
一方、クラッド材１０、１１のいずれかを用いた比較例１０乃至１５の場合は、濡れ性については、実施例２８乃至４５と同様に比較例１０乃至１５全てについて９０％以上の濡れ性が得られたが、接続後の接続部のクラックについては、すべての比較例についてクラックが発生した。これは、比較例１０乃至１５においては接続後の接続部の凝固温度が３８２℃（Ｚｎ‐６Ａｌの融点）と高いことが原因と考えられる。
【００３９】
以上により、実施例２８乃至４５によれば、本発明に係る接続材料を半導体装置２１の封止材として用いることにより、３５０℃の低温で接続することが可能となることが分かった。これにより、接続後の冷却時に発生する熱応力を低減でき、接続部のクラック発生を防止することができる。
【００４０】
図１３は、本発明に係る接続材料を用いて接続した半導体装置の別の実施例を示すものである。半導体装置３１は、フリップチップ実装を必要とする半導体装置のバンプとして本発明に係る接続材料１０ｂを用いたものである。この半導体装置３１は、半導体素子１を有し、この半導体素子１とこれを実装する基板３４とが接続材料１０ｂで接続されて構成される。
【００４１】
この半導体装置３１の製造方法を以下に説明する。接続材料１０ｂを、基板３４のＣｕ配線３５にＮｉまたはＮｉ／Ａｕめっき３６を施したパッドと、半導体素子１のＡｌ系合金配線３２にＺｎめっき３３を施した電極との間に置き、３５０℃で加圧しながら接続を行った。
【００４２】
他の実施例においても、本発明に係る接続材料１０ｂを、半導体装置のバンプとして用いることにより、３５０℃の低温で接続することができ、接続後の熱応力低減により、半導体素子の破壊もしくはバンプ部に発生するクラックを防止することができる。
【００４３】
以上、本発明者によってなされた発明の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。
すなわち、上記説明では、本発明の適用について、半導体装置のダイボンディングを例に挙げて説明したが、ダイボンディングさせる半導体装置であれば多様な半導体装置に適用できる。これらには、たとえば、オルタネータ用ダイオード、ＩＧＢＴモジュール、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が挙げられる。
【００４４】
また、上記説明では、半導体装置をモジュール基板にリフロー実装する場合を例に挙げて説明したが、たとえば、ＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）構成に使用する場合にも当然に適用できるものである。
【００４５】
本発明の半導体装置は、パワーデバイス、パワートランジスタ、パワーモジュール、ＬＳＩ等の半導体装置として利用可能である。特にダイボンディング、気密封止、フリップチップボンディング等の接続部が鉛フリーである半導体装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１ ・・・ 半導体素子、２ ・・・ フレーム、３ ・・・ はんだ、４ ・・・ ワイヤ、５ ・・・ リード、６ ・・・ レジン、７ ・・・ 半導体装置、８ ・・・ ボイド、１０、１０ａ、１０ｂ ・・・ 接続材料、１１ ・・・ 半導体装置、２１ ・・・ 半導体装置、２２、２２ａ ・・・ 金属キャップ、２３ ・・・ モジュール基板、２４ ・・・ 金属合金、３１ ・・・ 半導体装置、３２ ・・・ Ａｌ系合金配線、３３ ・・・ Ｚｎめっき、３４ ・・・ 基板、３５ ・・・ Ｃｕ配線、３６ ・・・ ＮｉまたはＮｉ／Ａｕめっき、１０１ ・・・ Ｚｎ層、１０２ ・・・ Ａｌ系合金層、１０３ ・・・ ローラー、１０４ ・・・ 加圧成形機
【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】
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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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