(57)【要約】【課題】特定の接合材料を使用した場合における供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】最外層としてのＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第１及び第２のＸ系金属材（Ｃｕ層３Ａ，３Ｂ）と、第１及び第２のＸ系金属材の間に設けられた〔Ｚｎ層１／Ａｌ層２〕とが積層され、第１のＸ系金属材（Ｃｕ層３Ａ）が第２のＸ系金属材（Ｃｕ層３Ｂ）よりも厚く、接合材料の総厚の３％以上の厚さを有する接合材料１０を第１のＸ系金属材（Ｃｕ層３Ａ）を上側に向けて下側にある被接合材（ヒートブロック１００）に接合する接合方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
最外層としてのＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第１及び第２のＸ系金属材と、前記第１及び第２のＸ系金属材の間に設けられたＺｎを主成分として含有するＺｎ系金属材及びＡｌを主成分として含有する第１のＡｌ系金属材とが積層された接合材料であって、
前記第１のＸ系金属材は、前記第２のＸ系金属材よりも厚く、前記接合材料の総厚の３％以上の厚さを有することを特徴とする接合材料。
【請求項２】
前記第１のＸ系金属材は、前記接合材料の総厚の５％以上１００％未満の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の接合材料。
【請求項３】
前記第１及び第２のＸ系金属材の間にＡｌを主成分として含有する第２のＡｌ系金属材がさらに設けられており、前記第１及び第２のＸ系金属材の間の積層構造が、前記第１のＡｌ系金属材／前記Ｚｎ系金属材／前記第２のＡｌ系金属材であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合材料を前記第１のＸ系金属材を上側に向けて下側にある被接合材に接合することを特徴とする接合方法。
【請求項５】
前記Ｚｎ系金属材、前記第１のＡｌ系金属材、及び前記第２のＸ系金属材が溶融し、前記被接合材に濡れ広がった後に、前記第１のＸ系金属材を除去する工程を有することを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合材料を用いてはんだ接合する工程を含むことを特徴とする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、接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電機・電子機器の部品の電気的接合に使用されている接合材料であるはんだには、従来、鉛が含まれていた。しかし、２００３年頃から、人体への有害性が指摘される鉛の使用を規制する動きが欧州を中心に広がり、鉛を含有しない、鉛フリー代替材料の開発が進められてきている。
【０００３】
はんだは、融点により高温、中温、低温の３種類に分けられる。このうち、高温はんだについては、市場要求（２６０℃耐熱性、高熱電導性、接合信頼性、低コスト）のすべてを満たす鉛フリー高温はんだが存在していなかった。
【０００４】
そこで、市場要求のすべてを満たす鉛フリー高温はんだの開発が求められており、開発されたものとして、特許文献１に記載の鉛フリー接合材料がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−７１３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の接合材料は、Ｚｎ／Ａｌ界面から溶融するため、基板に濡れる前に表面張力により収縮する。収縮の際、拡散ムラが発生したり、被接合部材と接触する銅などからなる最外層の薄い部分で局所的な濡れが発生して、そこを中心として収縮するため、被接合部材へ接合材料を供給した際の中心位置から実装位置の中心位置がずれることがあるという点で改善の余地があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、特定の接合材料を使用した場合における供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［６］の接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法を提供する。
【０００９】
［１］最外層としてのＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第１及び第２のＸ系金属材と、前記第１及び第２のＸ系金属材の間に設けられたＺｎを主成分として含有するＺｎ系金属材及びＡｌを主成分として含有する第１のＡｌ系金属材とが積層された接合材料であって、前記第１のＸ系金属材は、前記第２のＸ系金属材よりも厚く、前記接合材料の総厚の３％以上の厚さを有することを特徴とする接合材料。
［２］前記第１のＸ系金属材は、前記接合材料の総厚の５％以上１００％未満の厚さを有することを特徴とする前記［１］に記載の接合材料。
［３］前記第１及び第２のＸ系金属材の間にＡｌを主成分として含有する第２のＡｌ系金属材がさらに設けられており、前記第１及び第２のＸ系金属材の間の積層構造が、前記第１のＡｌ系金属材／前記Ｚｎ系金属材／前記第２のＡｌ系金属材であることを特徴とする前記［１］又は前記［２］に記載の接合材料。
［４］前記［１］〜［３］の何れか１つに記載の接合材料を前記第１のＸ系金属材を上側に向けて下側にある被接合材に接合することを特徴とする接合方法。
［５］前記Ｚｎ系金属材、前記第１のＡｌ系金属材、及び前記第２のＸ系金属材が溶融し、前記被接合材に濡れ広がった後に、前記第１のＸ系金属材を除去する工程を有することを特徴とする前記［４］に記載の接合方法。
［６］前記［１］〜［３］の何れか１つに記載の接合材料を用いてはんだ接合する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、特定の接合材料を使用した場合における供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る接合材料の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す接合材料を用いてヒートブロック上に接合する際の接合材料の状態変化を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（接合材料の構成）
本発明の実施の形態に係る接合材料は、最外層としてのＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第１及び第２のＸ系金属材と、前記第１及び第２のＸ系金属材の間に設けられたＺｎを主成分として含有するＺｎ系金属材及びＡｌを主成分として含有する第１のＡｌ系金属材とが積層された接合材料であって、前記第１のＸ系金属材は、前記第２のＸ系金属材よりも厚く、前記接合材料の総厚の３％以上の厚さを有する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る接合材料の一例を模式的に示す断面図である。
【００１４】
図１に示される本発明の実施形態に係る接合材料は板状であり、平角状の断面を有するＺｎ系金属材の片面に、Ａｌ系金属材、及びＸ系金属材が順に設けられ、他方の面にＸ系金属材が設けられている。Ａｌ系金属材は、Ｚｎ系金属材の片面にのみ設ける場合に限られず、Ｚｎ系金属材の両面に設ける構成であってもよい。
【００１５】
図１に示される接合材料１０は、Ｘ系金属材としてＣｕを例示したものであり、大部分が前述の特許文献１に記載の構成と同じであるが、主として第１のＸ系金属材が第２のＸ系金属材よりも厚く、接合材料１０の総厚の３％以上の厚さを有するものとしている点において異なる。具体的には、最外層としてのＣｕ系金属材（Ｃｕ層３Ａ，３Ｂ）と、Ｃｕ系金属材３Ａ，３Ｂの間にＺｎ系金属材（Ｚｎ層１）／Ａｌ系金属材（Ａｌ層２）の順で設けられた２層とが積層された４層構造の積層材である。
【００１６】
接合材料１０は、第１のＸ系金属材（Ｃｕ層３Ａ）を上側に向けて、すなわち第２のＸ系金属材（Ｃｕ層３Ｂ）を下側に向けて、下側にある被接合材に接合されるものである。
【００１７】
Ｚｎ系金属材（Ｚｎ層１）（以下、単にＺｎと記載することがある）は、Ｚｎを主成分（最も多く含まれる成分、以下同じ）としており、Ｚｎが９０質量％以上であることが好ましい。すなわち、Ｚｎ単体、又は不純物が１０質量％以下のＺｎ合金が好ましい。
【００１８】
Ａｌ系金属材（Ａｌ層２）（以下、単にＡｌと記載することがある）は、Ａｌを主成分としており、Ａｌが９０質量％以上であることが好ましい。すなわち、Ａｌ単体、又は不純物が１０質量％以下のＡｌ合金が好ましい。
【００１９】
第１及び第２のＸ系金属材（以下、単にＸと記載することがある）は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分としており、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎが９０質量％以上であることが好ましい。特に、図に示される、Ｃｕを主成分としており、Ｃｕが９０質量％以上であるＣｕ系金属材（Ｃｕ層３Ａ，３Ｂ）（以下、単にＣｕと記載することがある）であることが好ましい。すなわち、Ｃｕ単体、又は不純物が１０質量％以下のＣｕ合金が好ましい。例えば、無酸素銅、タフピッチ銅等の純銅や、３〜１５質量ｐｐｍの硫黄と、２〜３０質量ｐｐｍの酸素と、５〜５５質量ｐｐｍのＴｉとを含む希薄銅合金等を使用することができる。
【００２０】
Ｘ（第１）／Ｚｎ／Ａｌ／Ｘ（第２）の４層構造については、溶融時に十分な液相を生じさせ、濡れを向上させる目的から、後に除去されるＸ（第１）以外のＺｎ／Ａｌ／Ｘ（第２）の３層構造の総厚が２５μｍ以上であることが望ましい。また、接合部の熱抵抗を下げ、信頼性確保するため、Ｚｎ／Ａｌ／Ｘ（第２）の３層構造の総厚を５００μｍ以下にすることが望ましい。
【００２１】
Ｘ（第１）／Ａｌ／Ｚｎ／Ａｌ／Ｘ（第２）の５層構造の場合には、Ａｌ／Ｚｎ／Ａｌ／Ｘ（第２）の４層構造の総厚を２５μｍ以上５００μｍ以下にすることが望ましい。
【００２２】
（Ａｌの合計の層厚）／（Ｚｎの層厚）は、１／６０〜１／３であることが望ましい。また、３８２〜４２０℃の接合温度範囲内で、積層材全体を均一に溶融させるため、Ｘ／Ａｌ／Ｚｎ／Ａｌ／Ｘの５層構造の場合には、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｌの層厚比は、Ａｌ：Ｚｎ：Ａｌ＝１：６：１〜１：６０：１の比率にすることが望ましい。さらに、溶融組織の均一性の観点から、Ａｌ：Ｚｎ：Ａｌ＝１：８：１〜１：３０：１の範囲がより望ましい。Ｘ／Ａｌ／Ｚｎ／Ｘの４層構造の場合には、Ａｌ、Ｚｎの層厚比は、Ａｌ：Ｚｎ＝１：３〜１：６０の比率にすることが望ましい。
【００２３】
また、Ｘ系金属材はＺｎとＡｌの酸化を防止する機能を持たせるため、一定以上の厚さが必要となる。一方、第２のＸ系金属材は、ＺｎとＡｌが反応し溶融したＺｎ−Ａｌ合金内に溶融し、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金を構成することになるが、元素ＸがＺｎ−Ａｌ合金の硬さや融点に与える影響を最小限にとどめることが望ましい。そのため、第２のＸ系金属材はＺｎとＡｌに比べて薄い必要がある。層厚比は（Ａｌの合計の層厚＋Ｚｎの層厚）：第２のＸの層厚＝１：０．０００１〜０．１０の比率にすることが望ましく、１：０．０００１７５〜０.０７５の比率にすることがより望ましく、１：０．０００２５〜０．０５の比率にすることがさらに望ましい。
【００２４】
また、本実施の形態において、第１のＸ系金属材は、第２のＸ系金属材よりも厚く、４層構造の接合材料１０の総厚の３％以上の厚さを有する。第１のＸ系金属材の厚さの上限は、接合材料１０の総厚の１００％未満であることが好ましく、８０％以下であることがより好ましく、５０％以下であることがさらに好ましい。１００％以上であると、廃棄する部分が増える点で実用性が低下する。第１のＸ系金属材の厚さの下限は、除去（特に後述する吸着除去の場合）を容易化する点において、接合材料１０の総厚の５％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましく、１５％以上であることがさらに好ましい。
【００２５】
Ｘ／Ａｌ／Ｚｎ／Ａｌ／Ｘの５層構造の場合においても、第１のＸ系金属材の厚さは、上記４層構造の場合と同様である。
【００２６】
（接合材料の製造方法）
次に、本実施の形態に係る接合材料の製造方法について説明する。
本実施の形態に係る接合材料は、クラッド圧延法、めっき法、又は蒸着法により製造することができる。詳細は、特許文献１（特開２０１２−７１３４７号公報）に記載の方法により製造できるため、説明を省略する。
【００２７】
但し、上記特許文献１に記載の製造方法において、第１のＸ系金属材は、第２のＸ系金属材よりも厚く、接合材料の総厚に対して前述の範囲の厚さとなるようにする点で異なる。
【００２８】
（接合方法）
本発明の実施の形態に係る接合方法は、上記本発明の実施の形態に係る接合材料を第１のＸ系金属材を上側に向けて下側にある被接合材に接合することを特徴とする。
【００２９】
図２は、図１に示す接合材料を用いてヒートブロック上に接合する際の接合材料の状態変化を模式的に示す断面図である。
【００３０】
接合材料１０のＣｕ層３Ａ（第１のＸ系金属材）を上側に向け、Ｃｕ層３Ｂ（第２のＸ系金属材）を下側に向けて下側にある被接合材であるヒートブロック１００（加熱された基板等）に接合する際、ヒートブロック１００上に供給された接合材料１０は、図２中の中央図に示されるように、Ｃｕ層３Ａの大部分を残してＺｎ層１、Ａｌ層２、及びＣｕ層３Ｂの一部が先にＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ融液２０となる。次いで、図２中の右図に示されるように、Ｃｕ層３Ｂの残部も溶融し、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ融液２０の一部となり、ヒートブロック１００上に濡れ広がる。溶融時、上層に厚いＣｕ層３Ａがあるため、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ融液２０の収縮は抑えられる。
【００３１】
Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ融液２０がヒートブロック１００上に濡れ広がった後に、残っているＣｕ層３Ａを除去する（図２中の右下図）。除去する方法としては、例えばコレットでＣｕ層３Ａを吸着させて除去する方法が挙げられる。
【００３２】
（用途）
本発明の実施の形態に係る接合材料は、様々な構造の半導体装置のダイボンディング材料、リード材、封止用材料、絶縁基板の接合材料として使用できる。適用例としては、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、ＬＥＤ、リチウムイオン電池の保護回路用ＭＯＳＦＥＴ、ＤＢＣ基板やＤＢＡ基板などのセラミック基板が挙げられる。ゆえに、本発明の実施の形態に係る接合材料を用いてはんだ接合する工程を経て製造された種々の半導体装置を得ることができる。
また、自動車用熱交換器等に用いられるアルミニウムブレージングシートのＡｌ合金上に積層されるろう材として適用することも出来る。
【００３３】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、特定の接合材料を使用した場合において、上層に厚いＣｕ層３Ａ（第１のＸ系金属材）があるため、溶融時に局所的に濡れても融液が収縮しないので、被接合材へ接合材料を供給した供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００３４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず種々に変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０：接合材料
１：Ｚｎ層、２：Ａｌ層、３Ａ，３Ｂ：Ｃｕ層
２０：Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ融液、１００：ヒートブロック
【図１】
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【図２】
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