(57)【要約】【課題】接合材料の主成分であるＢｉは、延性が低いことから、パワー半導体素子とリードフレームとの間の接合部の接合材料に用い、ヒートサイクルによる繰り返し応力が加わると、モールド樹脂と接合部との界面で剥離が発生しやすくなる。【解決手段】接合構造体２００は、半導体素子１０１と、半導体素子１０１に対向して配置される電極１０３と、半導体素子１０１の裏面電極２０１に対向する側の表面のバリア層２０４と、半導体素子１０１と電極１０３とを接続するＢｉを主成分とする接合材料からなる接合部１０５とを有し、半導体素子１０１、バリア層２０４、電極１０３及び接合部１０５の外周をモールド樹脂２０６により封止されている接合構造体２００であって、接合材料が有機物由来の官能基２０７を含有していることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子に対向して配置される電極と、
前記半導体素子の前記電極に対向する側の表面のバリア層と、
前記半導体素子と前記電極とを接続するＢｉを主成分とする接合材料からなる接合部とを有し、
前記半導体素子、前記バリア層、前記電極及び前記接合部の外周をモールド樹脂により封止されている接合構造体であって、
前記接合材料が有機物由来の官能基を含有していることを特徴とする接合構造体。
【請求項２】
前記有機物由来の官能基は、
メチル基、ヒドロキシル基、アルデヒド基、カルボキシル基、アミノ基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基であることを特徴とする請求項１に記載の接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛を含まない接合材料を有する接合構造体に係わるものであり、詳しくは、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の半導体素子と電極とを接合した半導体部品の接合構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品は、フローはんだ付け材料を用いて、マザー基板に実装される。半導体部品をマザー基板に実装する際は、はんだ浸漬方式のディップ装置により、融点２２０℃のＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕのはんだ材料で、半導体部品の外部電極をマザー基板にはんだ付けする。この際ディップ装置は、はんだ付け材料を溶融するため２５０〜２６０℃に加熱されているため、半導体部品の内部温度が２５０〜２６０℃に達することがある。半導体部品内部において、半導体素子と内部電極とを接合している接合材料が溶融すると、短絡、断線、あるいは半導体素子の電気特性の低下により半導体部品の故障につながる可能性がある。従って、半導体部品の内部接合に用いる接合材料は、ディップ装置ではんだ付けする際に半導体部品内部が到達する最高温度より高い融点を有することが求められる。
【０００３】
そこで融点が２６０℃を超え、かつＰｂを含まない接合材料として、Ｂｉを９０重量％以上含む接合材料（以降「Ｂｉを主成分とする接合材料」とする）（例えばＢｉ−２．５重量％Ａｇ  融点２６２℃、Ｂｉ−０．５Ｃｕ  融点２７０℃）が適していると考えられている。他の接合材料としてＺｎも検討されているが、濡れ性や接合のしやすさなどを考慮すれば、現在では、前記のＢｉを主成分とする接合材料が適している。そこで、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いたパワー半導体モジュールが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
図４は、特許文献１に記載された従来の接合構造体の断面図である。図４において、接合構造体であるパワー半導体モジュール４０１は、パワー半導体素子４０２とリードフレーム４０３との間に接合部４０４を有する。この接合部４０４は、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いている。このパワー半導体モジュール４０１は更に、マザー基板に実装する為の外部電極以外の部分がモールド樹脂４０５で封止されている（マザー基板、外部電極は図示せず）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２８１４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１の接合材料の主成分であるＢｉは、延性が低いことから、パワー半導体素子４０２とリードフレーム４０３との間の接合部４０４の接合材料に用い、ヒートサイクルによる繰り返し応力が加わると、モールド樹脂４０５と接合部４０４との界面で剥離が発生しやすくなる。特に、パワー半導体モジュール４０１では、実使用中にモールド樹脂４０５と接合部４０４の界面で剥離が生じると、パワー半導体素子４０２と外部電極とをつなぐボンディングワイヤの接続が開放される等の半導体部品の故障につながる可能性がある。このことから、前記特許文献１の、Ｂｉを主成分とする接合材料による接合構造体ではモジュール使用時の熱的応力による半導体部品内部のモールド樹脂と接合材料との接合強度を向上しなければならないという課題を有している。
【０００７】
本発明は、従来の課題を解決するもので、Ｂｉを主成分とする接合材料とモールド樹脂との界面の接合強度を向上させた、半導体素子と電極とを接合しモールド樹脂で封止した接合構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の接合構造体は、半導体素子と、前記半導体素子に対向して配置される電極と、前記半導体素子の前記電極に対向する側の表面のバリア層と、前記半導体素子と前記電極とを接続するＢｉを主成分とする接合材料からなる接合部とを有し、前記半導体素子、前記バリア層、前記電極及び前記接合部の外周をモールド樹脂により封止されている接合構造体であって、前記接合材料が有機物由来の官能基を含有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明の接合構造体によれば、有機物由来の官能基を含有していることにより、接合部の厚み方向の外周面に接合材料に含まれた有機物由来の官能基を分散させ、外周面に分散された官能基とモールド樹脂を構成するエポキシ樹脂に含まれる官能基とが界面において化学結合し、それにより接合強度を向上させることができる。よってヒートサイクルによる繰り返し応力でモールド樹脂と接合材料との界面を剥離させることなく、接合構造体の製品歩留まり向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における接合構造体の上面模式図
【図２】本発明の実施の形態１における接合構造体の断面模式図
【図３】有機物由来の官能基の量と製品歩留まりの関係を示した図
【図４】従来の接合構造体の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における接合構造体の上面模式図である。図１において、半導体素子１０１が、リードフレーム１０２の電極１０３上の表面処理層１０４とＢｉを主成分とする接合材料からなる接合部１０５を介して接合されている。また、半導体素子１０１上のパッド１０６、半導体素子表面１０７とリードフレーム１０２の外部電極１０８とが、Ａｌ製のワイヤ１０９により接続されている。図１には図示しないが、半導体素子１０１の半導体素子表面１０７に半導体素子保護樹脂が被覆形成されており、更に外部電極１０８以外の部分はモールド樹脂により封止されている。
【００１３】
図２は、本発明の実施の形態１における接合構造体の断面模式図である。ここで図２は図１の破線Ｘ−Ｘ´の断面に該当する。図２における接合構造体２００は、半導体素子１０１と、半導体素子１０１に対向して配置される電極１０３と、半導体素子１０１の裏面電極２０１に対向する側の表面のバリア層２０４と、半導体素子１０１と電極１０３とを接続するＢｉを主成分とする接合材料からなる接合部１０５とを有し、半導体素子１０１、バリア層２０４、電極１０３及び接合部１０５の外周をモールド樹脂２０６により封止されている接合構造体２００であって、接合材料が有機物由来の官能基２０７を含有し、接合部１０５の厚み方向の外周面に官能基２０７が分散されていることを特徴とする。なお、図２における１０６は半導体素子１０１上のパッドであり、１０９はＡｌ製のワイヤである。次に各々の構成について詳細に説明する。
【００１４】
図２において、接合構造体２００は、半導体素子１０１がリードフレーム１０２の電極１０３上の表面処理層１０４対向する側には、裏面電極２０１、バリア層２０４が形成されている。本発明実施の形態１における接合構造体２００では、裏面電極２０１として、Ｃｒからなる厚さ０．５μｍの拡散防止層２０２、Ｎｉからなる厚さ０．５μｍの中間接合層２０３、また、Ａｇからなる厚さ１μｍのバリア層２０４が順に蒸着によって配置されている。
【００１５】
ここで、裏面電極２０１の各構成は、溶融温度が接合材料を溶融させる時の温度を超え（本発明実施の形態１では３２０℃を越える温度）、かつリードフレーム或いは接合材料中のＣｕがＳｉからなる半導体素子に固相拡散しない金属であればよい。例えば、拡散防止層２０２にＮｉ、Ｎｉ−Ｃｒの２層を配置し、３層の裏面電極構成としてもよい。またバリア層２０４は、接合材料からなる接合部１０５とバリア層２０４が接しているため、接合部１０５の溶融時にバリア層２０４のＡｇが接合部１０５に拡散することから１μｍの厚みを越えるＡｇからなる必要がある。
【００１６】
また、半導体素子１０１は、Ｓｉからなり、直径６インチで厚さ３００μｍのウエハから、２．４ｍｍ×３．０ｍｍでダイシングしている。
【００１７】
次に接合部１０５を構成するＢｉを主成分とする接合材料について説明する。本発明の実施の形態１における接合構造体２００では、接合材料としてＢｉ−０．８重量％Ｃｕを用いた。しかし、接合材料はＢｉ−０．８重量％Ｃｕ以外でも、Ｂｉを主成分としていて、かつ融点が２６０℃を超えている組成であればこの限りではない。例えば、０．１〜１０重量％のＣｕ、０．１〜１０重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素を含み、不可避的不純物を除き、残部がＢｉからなる組成を有する接合材料であってもよい。
【００１８】
次に接合部１０５の形成方法を説明する。接合部は、成膜方法である電解めっき法を用いた。電解めっき法による成膜条件として、めっき浴の量はＢｉめっき浴、Ｃｕめっき浴の混合浴を５００ｍｌ、めっき浴温を約７０℃、ｐＨを約５．５と一定にして、半導体素子１０１のバリア層２０４上、或いは、リードフレーム１０２の表面処理層１０４上にＢｉ−０．８重量％Ｃｕの組成からなる厚みが約２０μｍの接合材料を成膜する。
【００１９】
ここで、電解めっき法によるＢｉめっき浴の成膜時に用いる平滑剤として、ノニオン系界面活性剤の有機物由来の官能基が含まれる高分子材料をめっき浴に添加した。この平滑剤（活性剤）は、比較的分子量が大きい為、成膜後のめっき粒子の界面に有機物として取り残されることを特徴とする。ここで本発明の実施の形態１における接合構造体２００で確認した有機物由来の官能基としては、メチル基、ヒドロキシル基、アルデヒド基、カルボキシル基、アミノ基が挙げられる。
【００２０】
また接合部１０５は、電解めっき法により成膜した接合材料を水素雰囲気、３２０℃の条件下で加熱し、半導体素子１０１とリードフレーム１０２とを接合し、室温まで冷却している。ここで、接合部１０５の厚み方向の外周面、特にモールド樹脂２０６と接合部１０５の界面、バリア層２０４と接合部１０５の界面に多く有機物由来の官能基２０７が分散していることを特徴とする。
【００２１】
リードフレーム１０２は、Ｃｕ合金からなり、溶融状態の接合材料との濡れ性を確保するためにリードフレーム１０２の電極１０３上の表面処理層１０４を成膜した。本発明実施の形態１における接合構造体２００では、表面処理層１０４としてＡｇを１μｍの厚みで電解めっき法により成膜した。表面処理層１０４は、溶融状態の接合材料との濡れ性が良い金属であるＡｕ、Ｎｉ、Ｐｄを用いてもよく、厚みも１μｍの成膜厚みバラつきを考慮して１μｍ以上あればよく、成膜方法も電解めっき法に限らず蒸着法、無電解めっき法等の方法を用いてもよい。
【００２２】
さらに、半導体素子１０１の半導体素子表面１０７に半導体素子保護樹脂２０５が被覆形成されており、図２のように以上の構成全体をモールド樹脂２０６で封止したものが本発明の接合構造体２００である。
【００２３】
半導体素子保護樹脂２０５は、ポリイミドリコーン樹脂（容量約０．０１ｍｌ）を硬化させたものであり、モールド樹脂２０６はエポキシ樹脂を硬化させたものである。モールド樹脂はエポキシ樹脂により構成されているため、例えば、ヒドロキシル基、アルデヒド基、メチル基といった官能基が含まれている。
【００２４】
次に、有機物由来の官能基量が製品歩留まりに与える影響を検証する。
【００２５】
図３は、有機物由来の官能基の量と製品歩留まりの関係を示した図であり、有機物由来の官能基の量を電解めっきに用いる平滑剤の量を制御することにより変化させたときの製品歩留まりの影響を示している。製品歩留まりの算出法について次に説明する。
【００２６】
まず有機物由来の官能基量を測定するためのサンプルを製作する。Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕからなる接合材料（容積約０．５ｍｍ3）により水素雰囲気、３２０℃の条件下で半導体素子とリードフレームとを接合し、室温まで冷却し、半導体素子表面上にポリイミドシリコーンからなる半導体素子保護樹脂（容量約０．０１ｍＬ）を塗布、硬化した接合構造体を組み立て工程まで行ったＩＧＢＴを用いる。次にこのように製作したＩＧＢＴに対して冷熱サイクル試験（−６０℃、１５０℃各５分を１サイクルとし、１００サイクル実施）を行った後、超音波映像装置により半導体部品を非破壊検査し、半導体部品内部のモールド樹脂と接合部との界面で剥離が発生したサンプルを不良とし、良品サンプルの製品歩留まりを算出した（Ｎ数各２０）。また、有機物由来の官能基量は、半導体部品の破断面Ｘ線光電子分光装置により表面分析を行い、接合部の厚み方向の外周面全体に対して存在する有機物由来の官能基の割合を算出した。
【００２７】
図３より、平滑剤を添加しなかった場合つまりは有機物由来官能基量０ｐｐｍのとき、製品歩留まりが３０％と低い歩留まりであったのに対して、有機物由来官能基量が５０ｐｐｍ以上では製品歩留まりが７５％以上と歩留まりが向上することがわかる。
【００２８】
これは、接合部の厚み方向の外周面に存在する有機物由来の官能基量が増大したことにより、モールド樹脂に存在する官能基（例えば、ヒドロキシル基、アルデヒド基、メチル基）と接合部の厚み方向の外周面に存在する官能基との化学結合が促進されたことにより、冷熱サイクルによる繰り返し応力によるモールド樹脂と接合部との界面の剥離が軽減したと考えられる。
【００２９】
前記化学結合とは、より詳細には、接合部の厚み方向の外周面に存在する有機物由来の官能基中の原子、分子とモールド樹脂に存在する官能基中の原子、分子との間に形成される結合であるファンデルワールス結合、水素結合であり、これらの結合より複合的に得られる結合力により、モールド樹脂と接合部との界面の密着性が向上したものと考えられる。
【００３０】
次に、電解めっきに用いる平滑剤の量を変化させたときの製品歩留まり、有機酸由来官能基量との関係を表１に示した。
【００３１】
【表１】
2011003824.tif 000003
【００３２】
表１より、比較例では、平滑剤を添加しなかった場合、製品歩留まりが３０％と低い歩留まりであり、有機物由来官能基量０ｐｐｍでは本発明の効果が発現していないことがわかる。実施例１〜８では、製品歩留まりが７５〜１００％であり、製品歩留まりが向上していることがわかる。
【００３３】
ただし、前記有機物由来の官能基量は、モールド樹脂と接合部との界面の剥離に対して影響を与えるだけではなく、はんだの濡れ拡がり、つまりは、はんだ付け性に対しても影響を与える場合がある。例えば、実施例１〜６で、有機物由来官能基量が５０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの範囲では接合材料の濡れ拡がりが半導体素子の表面積以上に濡れ広がっていた。しかしながら、その濡れ広がりの状態は、有機物由来官能基量が増大するほど接合材料の濡れ拡がり面積は減少傾向にあり、実施例６の有機物由来官能基量が１０００ｐｐｍの場合は接合材料の濡れ拡がり面積は半導体素子の表面積とほぼ同等であった。それに対して実施例７〜８で、有機物由来官能基量が２０００、３０００ｐｐｍでは、接合材料の濡れ拡がり面積は半導体素子の表面積よりも濡れ拡がらないことがわかった。これは、接合部の厚み方向の外周面に存在する有機物由来の官能基量が過剰に存在することにより、溶融状態の接合材料と表面処理層との濡れ性が阻害されたと考えられる。
【００３４】
以上のことより、有機物由来官能基量が多いほど、モールド樹脂に存在する官能基（例えば、ヒドロキシル基、アルデヒド基、メチル基）と接合部の厚み方向の外周面に存在する官能基との化学結合が促進されたことにより、冷熱サイクルによる繰り返し応力によるモールド樹脂と接合部との界面の剥離が軽減し、製品歩留まりが向上するが、有機物由来官能基は、同時に溶融状態の接合材料と表面処理層との濡れ性を阻害する影響を与えるため、本発明実施の形態１における接合構造体では製品歩留まりが１００％であり、かつ半導体素子の表面積以上の接合材料の濡れ広がり面積を確保している実施例６の平滑剤量が３５ｇ／Ｌで、有機物由来官能基量が１０００ｐｐｍの条件が最も好ましいと言える。
【００３５】
本発明の実施の形態１における接合構造体では、電解めっき法によるＢｉの成膜時に用いる平滑剤として用いるノニオン系界面活性剤の高分子材料平滑剤の量を制御することにより、接合部の厚み方向の外周面に分散する有機物由来の官能基の量を変化させた。有機物由来の官能基の量は、めっき浴温やｐＨの条件にも依存するため、製品歩留まり、はんだ付け性の両方を最適にする成膜条件を検討する必要がある。
【００３６】
また、有機物由来の官能基が存在する場所についてであるが、本発明の実施の形態１における接合構造体では、めっき粒子の界面に有機物を有する接合材料が水素雰囲気、３２０℃の条件下で溶融状態になった時、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕより比重の小さい有機物が接合部の厚み方向の外周面へと浮上する。ここで、溶融状態の接合材料中であるＢｉ−０．８重量％Ｃｕはバリア層と拡散反応を行うため、有機物は外周部へと追い出され、最終的には図２の有機物由来の官能基２０７のように接合部の厚み方向の外周面に多くの有機物由来の官能基が分散するようになり、所望の形態を得ることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の接合構造体では、接合部の厚み方向の外周面に有機物由来の官能基を分散させることにより、モールド樹脂に含まれる官能基と接合部の厚み方向の外周面の官能基に化学結合が生じる。この結合により、モールド樹脂と接合部の接合強度を向上させ、半導体部品使用時のモールド樹脂と接合部の界面にかかる熱的応力による剥離を軽減させることが可能であり、パワー半導体、小電力トランジスタ等の半導体パッケージ用途への活用が期待される。
【符号の説明】
【００３８】
１０１  半導体素子
１０２  リードフレーム
１０３  電極
１０４  表面処理層
１０５  接合部
１０６  パッド
１０７  半導体素子表面
１０８  外部電極
１０９  ワイヤ
２００  接合構造体
２０１  裏面電極
２０２  拡散防止層
２０３  中間接合層
２０４  バリア層
２０５  半導体素子保護樹脂
２０６  モールド樹脂
２０７  有機物由来の官能基
４０１  パワー半導体モジュール
４０２  パワー半導体素子
４０３  リードフレーム
４０４  接合部
４０５  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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