(57)【要約】  はんだ接合層は、マトリクスに分散した第１結晶部（２１）同士の結晶粒界に微細粒状の複数の第２結晶部（２２）が析出した構造を有する。第１結晶部（２１）は、錫とアンチモンとを所定の割合で含む複数のＳｎ結晶粒である。第２結晶部（２２）は、Ｓｎ原子に対してＡｇ原子を所定の割合で含む第１部分、または、Ｓｎ原子に対してＣｕ原子を所定の割合で含む第２部分、もしくはその両方で構成される。また、はんだ接合層は、Ｓｎ原子に対してＳｂ原子を所定の割合で含む結晶粒である第３結晶部（２３）を有しても良い。これにより、低融点でのはんだ接合を可能とし、実質的に均一な金属組織を有し、信頼性の高いはんだ接合層を形成することができる。
2014181883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置であって、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記はんだ接合層は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の比率で錫とアンチモンとを含む第３結晶部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であり、
前記第３結晶部は、前記第１結晶部と当該第１結晶部への固溶限界を超えたアンチモンとが反応してなる結晶粒であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２結晶部は、前記第１結晶部間の結晶粒界に析出していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１部分の平均粒径は１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記はんだ接合層の融点は２６０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置の製造方法であって、
アンチモンを含む合金粉末とアンチモンを含まない合金粉末との混合を含むはんだペーストを前記構成部の一方の上に塗布する工程と、
熱処理により前記はんだペーストを固化して前記はんだ接合層を形成し、前記はんだ接合層によって前記構成部同士を接合する工程を含み、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さい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】
この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、絶縁基板に設けられた回路パターン上に半導体チップを接合したパッケージ構造の半導体装置が公知であり、半導体チップと回路パターンとを接合する接合材として比較的低い温度で接合が可能なはんだ材が用いられている。このようなはんだ材として、主に錫（Ｓｎ）を主成分とするはんだ、例えば低融点で接合可能な錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系はんだ材、高信頼性の錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）系はんだ材等が用いられている。はんだ接合後のＳｎ−Ａｇ系はんだ材、および、はんだ接合後のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材の状態について説明する。【０００３】
Ｓｎを主成分とするはんだは、融点２００℃〜３００℃程度である。Ｓｎを主成分とするはんだを用いたはんだ接合層は、Ｓｎ結晶粒が分散した構造を有する。Ｓｎ１００％のはんだ材を用いた場合のはんだ接合層では、高温でＳｎ結晶粒が粗大化し、さらに温度変化によって非接合材との線膨張係数差による応力がはんだ接合層にかかるため、Ｓｎ結晶粒同士の結晶粒界に粒界クラック（粒界割れ）が発生し、この粒界クラックが隣接するＳｎ結晶粒同士の結晶粒界へと進展するという問題がある。このような粒界クラックの進展を防止したはんだ材として、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材やＳｎ−Ｓｂ系はんだ材が公知である。【０００４】
図７は、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材によるはんだ接合層の状態を模式的に示す説明図である。従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材によるはんだ接合層（以下、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ接合層とする）の初期（パワーサイクル等による熱負荷がかかる前）の状態を図７（ａ）に示す。Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材は、析出強化型のはんだ材である。図７（ａ）に示すように、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材を用いたはんだ接合層では、ＡｇはＳｎ結晶粒中にほぼ固溶しないため、微細粒状の硬いＡｇ3Ｓｎ化合物１２２となり、マトリクスとして分散したＳｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界に析出する。これによって、Ｓｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界が強化されて結晶が変形しにくくなるため、Ｓｎ結晶粒単体のはんだ接合層と比べて粒界クラックが進展しにくい。【０００５】
図８は、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材によるはんだ接合層の状態を模式的に示す説明図である。従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材によるはんだ接合層（以下、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ接合層とする）の初期の状態を図８（ａ）に示す。Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ材は、固溶強化型のはんだ材である。図８（ａ）に示すように、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材を用いたはんだ接合層では、Ｓｎ結晶粒１３１中に８．５重量％（＝８．３原子パーセント（ａｔ％））程度までＳｂが固溶し、Ｓｎ結晶粒１３１全体が強化される。【０００６】
固溶したＳｂによってＳｎ結晶粒１３１全体が強化されることにより、半導体装置の動作中における発熱および放熱の繰り返しサイクルによる熱負荷によって生じるＳｎ結晶粒１３１の粗大化を抑制することができる。また、固溶限界を超えたＳｂは、Ｓｎ結晶粒１３１中のＳｎの一部とともに固いＳｎＳｂ化合物１３２となって部分的に析出する。これによって、結晶が変形しにくくなり、粒内クラック（粒内割れ）が進展しにくくなる。【０００７】
このようなＳｎ、ＡｇおよびＳｂを含むはんだ材として、Ａｇ：１％〜３０％およびＳｂ：０．５％〜２５％のうち１種または２種を含有し、残りがＳｎと不可避不純物からなる組成を有するＳｎ合金はんだにおいて、接合部の熱疲労特性を向上させるために、不可避不純物として酸素（Ｏ2）含有量を５ｐｐｍ以下とし、かつ平均結晶粒径を３μｍ以下としたはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。【０００８】
また、別のはんだ材として、Ｓｂを５重量％〜１５重量％、Ａｇを２重量％〜１５重量％含み、残部が不可避不純物を除いて実質的にＳｎからなり、表面粗度Ｒａ＝１０μｍ以下であるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。【０００９】
また、別のはんだ材として、はんだ材中に粉末を含有した複合はんだ材において、はんだ材がＳｂを５重量％〜１５重量％、Ａｇを２重量％〜１５重量％含み、残部が不可避不純物を除いて実質的にＳｎからなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献３参照。）。【００１０】
また、別のはんだ材として、２５重量％〜４０重量％のＡｇと、２４重量％〜４３重量％のＳｂと、残部としてＳｎとを含む合金からなるはんだ材において、その溶融温度を少なくとも２５０℃以上とするはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献４参照。）。【００１１】
また、別のはんだ材として、質量％で、Ａｇ：０．９％〜１０．０％、Ａｌ：０．０１％〜０．５０％、Ｓｂ：０．０４％〜３．００％を含み、Ａｌ／Ｓｂの比が０．２５以下の関係（０を含まない）を満たし、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなり、酸化物または酸化表面を有する部材を接合するはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献５参照。）。【００１２】
また、別のはんだ材として、Ａｇが０．０５質量％〜２．０質量％、銅（Ｃｕ）が１．０質量％以下、Ｓｂが３．０質量％以下、ビスマス（Ｂｉ）が２．０質量％以下、インジウム（Ｉｎ）が４．０質量％以下、ニッケル（Ｎｉ）が０．２質量％以下、ゲルマニウム（Ｇｅ）が０．１質量％以下、コバルト（Ｃｏ）が０．５質量％以下（但し、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｇｅ、およびＣｏは、いずれも０質量％ではない）、および残部が錫からなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献６参照。）。【００１３】
また、別のはんだ材として、ＳｎＳｂＡｇＣｕ系を主成分としたはんだ材において、はんだ材の組成が、４２重量％＜Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８重量％であって、５重量％≦Ａｇ＜２０重量％であり、３重量％≦Ｃｕ＜１０重量％であって、かつ５重量％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５重量％であり、残りが他の不可避不純物元素から構成されるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献７参照。）。【００１４】
また、別のはんだ材として、高温はんだ材料全体に対して、それぞれＳｂが１２質量％〜１６質量％、Ａｇが０．０１質量％〜２質量％、Ｃｕが０．１質量％〜１．５質量％含まれ、さらに珪素（Ｓｉ）が０．００１質量％〜０．１質量％含まれかつ、Ｂが０．００１質量％〜０．０５質量％含まれ、残部がＳｎおよび不可避不純物であるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献８参照。）。【００１５】
また、別のはんだ材として、固相温度２２５℃のＳｎＳｂＡｇＣｕ系を主成分とし、合金の構成比率がＡｇ、Ｃｕで１０重量％〜３５重量％で、かつＳｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）の重量比率が０．２３〜０．３８であるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献９参照。）。【００１６】
また、別のはんだ材として、Ｓｎを８８質量％〜９８．５質量％、Ｉｎを１質量％〜１０質量％、Ａｇを０．５質量％〜３．５質量％、Ｃｕを０質量％〜１質量％含み、凝固されたはんだ中の金属間相の成長を抑制する結晶化改質剤でのドープを有する、Ｓｎ−Ｉｎ−Ａｇはんだ合金をベースとするはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１０参照。）。【００１７】
また、別のはんだ材として、Ａｇ：２質量％〜３質量％、Ｃｕ：０．３質量％〜１．５質量％、Ｂｉ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｓｂ：０．２質量％〜１．５質量％を含み、かつＡｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉの合計含有量が５質量％以下であり、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなり、リフロー後の表面性状が滑らかであるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１１参照。）。なお、リフローとは、接合材にはんだペースト（はんだの粉末にフラックスを加えて、適当な粘度にしたもの）層を形成し、その上に部品を載せてから熱を加えてはんだを溶かし、はんだ付けをおこなう方法である。【００１８】
また、別のはんだ材として、Ａｇが１質量％〜３質量％、Ｃｕが０．５質量％〜１．０質量％、Ｂｉが０．５質量％〜３．０質量％、Ｉｎが０．５質量％〜３．０質量％、Ｇｅが０．０１質量％〜０．０３重量％あるいはセレン（Ｓｅ）が０．０１質量％〜０．１質量％、残部がＳｎからなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１２参照。）。【００１９】
また、別のはんだ材として、Ｂｉを１５．０％〜３０．０％、銀を１．０％〜３．０％、含み、そして場合により、銅を０％〜２．０％、そしてＳｂおよび付随的不純物を０％〜４．０％、含んでいてもよく、残りがＳｎであるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１３参照。）。【００２０】
また、別のはんだ材として、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ４元合金であって、Ｓｂが全体の１．０重量％〜３．０重量％、Ａｇが１．０重量％以上、２．０重量％未満、Ｃｕが１．０重量％以下の割合で含有されており、残部がＳｎよりなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１４参照。）。【００２１】
また、別のはんだ材として、Ｓｂを３．０重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、銀を３．５重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、Ｎｉを１．０重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、リン（Ｐ）を０．２重量％以下（範囲下限値の零を含まず）含有し、残部はＳｎおよび不可避不純物からなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１５参照。）。【００２２】
また、別のはんだ材として、Ｓｂを２．５重量％〜３．５重量％、Ａｇを１．０重量％〜３．５重量％、Ｎｉを１．０重量％以下（範囲下限値の零を含まず）含有し、残部はＳｎおよび不可避不純物からなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１６参照。）。【００２３】
また、別のはんだ材として、棒状、線状、プリフォ−ム状、やに入りはんだのいずれかであり、Ａｇが０．５重量％〜３．５重量％、Ｂｉが３．０重量％〜５．０重量％、Ｃｕが０．５重量％〜２．０重量％、Ｓｂが０．５重量％〜２．０重量％、残部がＳｎからなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１７参照。）。【００２４】
また、別のはんだ材として、０．８重量％以上５重量％以下のＡｇと、いずれも０．１重量％以上で両者の合計が１７重量％以下のＩｎおよびＢｉを含み、残部がＳｎと不可避不純物とからなり、０．１重量％以上１０重量％以下のＳｂをさらに添加したはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１８参照。）。【００２５】
また、別のはんだ材として、Ｓｎを６１重量％〜６９重量％と、Ｓｂを８重量％〜１１重量％と、Ａｇを２３重量％〜２８重量％含有するはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１９参照。）。【００２６】
また、別のはんだ材として、Ｓｎを９３重量％〜９８重量％、Ａｇを１．５重量％〜３．５重量％、Ｃｕを０．２重量％〜２．０重量％、およびＳｂを０．２重量％〜２．０重量％含み、２１０℃〜２１５℃の融点を有するはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２０参照。）。【００２７】
また、別のはんだ材として、Ｓｎを９０．３重量％〜９９．２重量％、Ａｇを０．５重量％〜３．５重量％、Ｃｕを０．１重量％〜２．８重量％、およびＳｂを０．２重量％〜２．０重量％含み、２１０℃〜２１６℃の融点を有するはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２１参照。）。【００２８】
また、別のはんだ材として、少なくとも９０重量％のＳｎと、有効量のＡｇとＢｉとを含み、また任意選択としてＳｂ、またはＳｂとＣｕを含むはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２２参照。）。【００２９】
また、別のはんだ材として、Ｓｂを０．５重量％〜４．０重量％、亜鉛（Ｚｎ）を０．５重量％〜４．０重量％、Ａｇを０．５重量％〜２．０重量％、およびＳｎを９０．０重量％〜９８．５重量％含むはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２３参照。）。【００３０】
また、別のはんだ材として、第１金属粉末と、第１金属粉末よりも融点の高い第２金属粉末とからなる金属成分と、フラックス成分とを含むソルダペーストであって、第１金属は、Ｓｎ単体、またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、金（Ａｕ）、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｃｏ、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、Ｓｉ、ストロンチウム（Ｓｒ）、テルル（Ｔｅ）、Ｐからなる群より選ばれる少なくとも１種と、Ｓｎとを含む合金であるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開昭６１−２６９９９８号公報
【特許文献２】特開平７−２８４９８３号公報
【特許文献３】特開平８−００１３７２号公報
【特許文献４】特開２００３−２９０９７５号公報
【特許文献５】特開２０１１−００５５４５号公報
【特許文献６】特許第４７８７３８４号公報
【特許文献７】特許第４６０９２９６号公報
【特許文献８】特許第４４７１８２５号公報
【特許文献９】特開２００５−３４０２６８号公報
【特許文献１０】特表２０１０−５０５６２５号公報
【特許文献１１】特開２００２−０１８５９０号公報
【特許文献１２】特開２００１−３３４３８５号公報
【特許文献１３】特表２００１−５２０５８５号公報
【特許文献１４】特開平１１−２９１０８３号公報
【特許文献１５】特許第３３５３６６２号公報
【特許文献１６】特許第３３５３６４０号公報
【特許文献１７】特許第３６７３０２１号公報
【特許文献１８】特開平９−０７０６８７号公報
【特許文献１９】米国特許第４１７０４７２号明細書
【特許文献２０】米国特許第５３５２４０７号明細書
【特許文献２１】米国特許第５４０５５７７号明細書
【特許文献２２】米国特許第５３９３４８９号明細書
【特許文献２３】米国特許第４６７０２１７号明細書
【特許文献２４】国際公開第２０１１／０２７６５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
半導体装置は、動作中における発熱および放熱の繰り返し（パワーサイクル）の熱負荷や環境温度変化（加熱・冷却）などのヒートサイクルの熱負荷を受ける。しかしながら、従来より、半導体装置は、これらのパワーサイクル等による熱負荷によりはんだ接合層が劣化するという問題がある。はんだ接合層の寿命は半導体装置の寿命を決定する要因となるため、はんだ接合層の寿命を向上することが必要である。また、半導体装置全体および冷却体を小型化するためには、半導体装置の高温発熱時（例えば１７５℃以上）における動作を実現し、かつ、特にパワー半導体においてはこの温度でのパワーサイクル信頼性を確保する必要がある。また、自動車に搭載される半導体装置や新エネルギー用途の半導体装置は長寿命である必要がある。このため、低融点でのはんだ接合を可能とし、かつパワーサイクル等に対する高信頼性を有するはんだ接合層を形成可能なはんだ材が求められる。なお、パワーサイクル信頼性とは、半導体装置を動作させて所定の温度サイクルを負荷した際の、半導体装置の諸特性である。【００３３】
例えば、上述した従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材として一般的に用いられるＳｎ３．５Ａｇはんだ材（Ｓｎを９６．５重量％およびＡｇを３．５重量％含むはんだ材）は、低融点（例えば２２０℃程度）でのはんだ接合が可能であるが、高温動作時の信頼性が低いという問題がある。また、上記特許文献１〜５のようにＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層中のＡｇ含有量を増加させる場合、材料コストが増大したり（例えばＡｇ含有量１％増につき約２０％のはんだコスト増）、高融点（例えばＳｎ１０Ａｇはんだ材（Ｓｎを９０．０重量％およびＡｇを１０．０重量％含むはんだ材）の融点は３００℃程度）となる。このため、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ接合層中のＡｇ含有量を増加させることは現実的でない。【００３４】
また、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層は、パワーサイクルの熱負荷により次の問題が生じる。従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態（パワーサイクルによる熱負荷を受けた状態）を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）に示すように、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層では、パワーサイクルによる熱負荷によってＳｎ結晶粒１２１が粗大化し、Ａｇ3Ｓｎ化合物１２２は５μｍ程度の大きさの粒径に凝集・粗大化してしまう。これによって、Ａｇ3Ｓｎ化合物１２２によるＳｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界の強化がなくなるため、Ｓｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界に粒界クラック１２３が生じ、この粒界クラック１２３が隣接するＳｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界へと進展する。【００３５】
また、上述した従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材は、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ材に含まれるＳｂの含有量が多いほど信頼性が高くなるが、Ｓｂの含有量が多いほど融点が高くなるという問題がある。例えば、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材として一般的に用いられるＳｎ１３Ｓｂはんだ材（Ｓｎを８７．０重量％およびＳｂを１３．０重量％含むはんだ材）は融点３００℃程度である。また、融点が３００℃となる程度にＳｂの含有量を増やして信頼性を向上させたＳｎ−Ｓｂ系はんだ材であっても、１７５℃程度の環境下で半導体装置を動作させる場合において装置の使用用途等によってはさらに高い信頼性が必要となる場合がある。【００３６】
また、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層は、パワーサイクル等の熱負荷により次の問題が生じる。従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）に示すように、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層では、Ｓｎ結晶粒１３１同士の結晶粒界が強化されていないため、応力によってはんだが歪んだ場合にＳｎ結晶粒１３１同士の結晶粒界に粒界クラック１３３が生じ、この粒界クラック１３３が隣接するＳｎ結晶粒１３１同士の結晶粒界へと進展するという問題がある。【００３７】
また、一般的に、はんだペーストのリフロー熱処理は窒素（Ｎ2）雰囲気の炉内で行われるが、はんだペーストの耐熱性（はんだペーストの樹脂の耐熱性  ２５０℃程度）の点から３００℃以上での熱処理は困難であり、融点が３００℃程度のはんだ材は製造プロセス上使用しにくい。また、水素（Ｈ2）雰囲気の炉内ではんだペーストのリフロー熱処理を行う場合には、３００℃以上での熱処理が可能であるが、３５０℃以上の温度の熱処理によって半導体チップにダメージが生じるおそれがある。また、３００℃程度の温度で３０分間程度の長時間の熱処理を行う場合、電極材料や構造材料として用いたアルミニウム（Ａｌ）や銅が軟化し、寿命低下や形状不良が発生するおそれがある。【００３８】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、低融点でのはんだ接合を可能とし、信頼性の高いはんだ接合層を有する半導体装置および半導体装置の製造方法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】
【００３９】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置であって、次の特徴を有する。前記はんだ接合層は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなる。そして、前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さい。【００４０】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記はんだ接合層は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の比率で錫とアンチモンとを含む第３結晶部を有することを特徴とする。【００４１】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であることを特徴とする。【００４２】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であり、前記第３結晶部は、前記第１結晶部と当該第１結晶部への固溶限界を超えたアンチモンとが反応してなる結晶粒であることを特徴とする。【００４３】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２結晶部は、前記第１結晶部間の結晶粒界に析出していることを特徴とする。【００４４】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１部分の平均粒径は１μｍ以下であることを特徴とする。【００４５】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記はんだ接合層の融点は２６０℃以下であることを特徴とする。【００４６】
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。まず、アンチモンを含む合金粉末とアンチモンを含まない合金粉末との混合を含むはんだペーストを前記構成部の一方の上に塗布する工程を行う。次に、熱処理により前記はんだペーストを固化して前記はんだ接合層を形成し、前記はんだ接合層によって前記構成部同士を接合する工程を行う。この前記はんだ接合層は、第１結晶部と第２結晶部と、からなる。前記第１結晶部は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む。前記第２結晶部は、錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する。前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さい。【００４７】
上述した発明によれば、実質的に規則的に配列され均一な金属組織をなす、アンチモンが固溶した第１結晶部（錫結晶粒）と、第１結晶部同士の結晶粒界に析出した複数の第１部分（錫および銀を含む化合物）または第２部分（錫および銅を含む化合物）もしくはその両方からなる第２結晶部とによってはんだ接合層が構成され強化されている。具体的には、第１結晶部に固溶したアンチモンによって第１結晶部全体が固溶強化されているため、パワーサイクル等の熱負荷による第１結晶部の粗大化を抑制することができる。また、第１結晶部同士の結晶粒界が第２結晶部によって強化され、第１結晶部の結晶が変形しにくい。これによって、従来の錫−銀系はんだ接合層や錫−アンチモン系はんだ接合層よりも粒内クラックおよび粒界クラックの進展を抑制することができる。【００４８】
また、上述した発明によれば、第１結晶部の一部が固溶限界を超えたアンチモンと反応して第３結晶部を構成していることにより、はんだ接合層に応力によるひずみが生じにくいため、第１結晶部の結晶をさらに変形しにくくすることができる。また、上述した発明によれば、第１，２結晶部によってはんだ接合層の融点を３００℃よりも低い温度、例えば２６０℃以下の温度とすることができる。これにより、３００℃以上の温度でのはんだ付けプロセスが必要であった従来の錫−アンチモン系はんだ接合層以上のパワーサイクル信頼性を、３００℃よりも低い温度でのはんだ付けプロセスによって得ることができる。３００℃よりも低い温度でのはんだ付けプロセスが可能であるため、半導体装置にかかる熱負荷を低減することができ、従来よりも熱負荷による悪影響の少ない半導体装置を提供することができる。なお、パワーサイクル信頼性耐量とは、半導体装置への断続的な繰返し通電に対して、発生する繰り返し発熱とそれに伴う応力によって半導体装置として必要な所定の特性が得られなくなるまでの繰り返し回数である。また、実施の形態によれば、アンチモンを含む第１粉末とアンチモンを含まない第２粉末とを混合してなる混合ペーストを用いてはんだ接合層を形成することで、１つの合金の粉末からなる均一ペーストを用いてはんだ接合層を形成する場合よりも、はんだ接合層をさらに第１〜３結晶部が実質的に規則的に配列された均一な金属組織とすることができる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、低融点でのはんだ接合を可能とし、信頼性の高いはんだ接合層を有する半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１のはんだ接合層の構成を模式的に示す説明図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施例１にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施例３にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、比較例１のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、比較例２のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図５】図５は、半導体装置のＳｂ含有量とパワーサイクル信頼性耐量との関係を示す特性図である。
【図６】図６は、半導体装置のＡｇ含有量とパワーサイクル信頼性耐量との関係を示す特性図である。
【図７】図７は、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材によるはんだ接合層の状態を模式的に示す説明図である。
【図８】図８は、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材によるはんだ接合層の状態を模式的に示す説明図である。
【図９】図９は、図１のはんだ接合層を形成するための均一ペーストの溶融時の状態を模式的に示す説明図である。
【図１０】図１０は、図１のはんだ接合層を形成するための混合ペーストの溶融時の状態を模式的に示す説明図である。
【図１１】図１１は、実施例４にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図１２】図１２は、実施例５にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図１３】図１３は、実施例４にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【図１４】図１４は、実施例５にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【図１５】図１５は、実施例１にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５２】
（実施の形態）
実施の形態にかかる半導体装置の構造について説明する。図１は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。図１に示すように、実施の形態にかかる半導体装置は、半導体チップ１と、セラミクス絶縁基板（ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板）などの絶縁基板２と、銅（Ｃｕ）ベース６と、を備えた、例えばモジュール構造の半導体装置である。なお、図１においては、冷却体、樹脂ケース、外部端子、ボンディングワイヤなどの図示を省略している。絶縁基板２は、絶縁層３のおもて面側に例えばＣｕなどの導体からなる回路パターン（金属箔）４が設けられ、裏面側に裏銅箔５などの金属箔が設けられている。
【００５３】
半導体チップ１の裏面は、はんだ接合層１１を介して回路パターン（金属箔）４と接合している。Ｃｕベース６のおもて面は、はんだ接合層１２を介して裏銅箔５と接合している。図示はしないが、Ｃｕベース６の裏面は、サーマルコンパウンドを介して冷却体と接合している。また、Ｃｕベース６の周縁には、外部端子の設けられた樹脂ケースが接着されている。半導体チップ１のおもて面に設けられた図示省略した電極と回路パターン（金属箔）４とは図示省略したアルミワイヤなどのワイヤボンディングによって電気的に接続されている。
【００５４】
はんだ接合層１１，１２による被接合部材同士の接合方法としては、被接合部材同士をはんだペースト等を介して接触させた後、例えば２５０℃以上３５０℃以下程度の温度で、０．５分間以上３０分間以下程度、好ましくは１分間以上５分間以下程度保持して熱処理する。その後、所定の降温速度で冷却することにより、はんだペーストを固化させ、はんだ接合層を形成する。この熱処理の昇温速度は１℃／秒程度であるが、降温速度は５℃／秒以上であるのが好ましく、８℃／秒以上１５℃／秒以下であるのがより好ましい。従来の接合方法では、はんだ接合層を形成するための熱処理の降温速度は１℃／秒であったが、所定の構成を有するはんだ接合層とすることはできず、はんだ接合層にクラックが生じてパワーサイクル信頼性が劣化していた。それに対して、本発明においては、降温速度を上記条件にすることにより、以下に示すような金属組織のはんだ接合層１１，１２とすることができる。なお、このときの炉内環境は窒素雰囲気でも水素雰囲気でもかまわない。なお、前記被接合部材は、半導体チップ、回路パターン（金属箔）４、金属箔（絶縁基板）、ヒートスプレッダ（Ｃｕベース）などの半導体装置の構成部である。具体的には、接合する構成部は、半導体チップ１と回路パターン(金属箔)４、Ｃｕベース６と裏銅箔５、リードフレームと金属箔（絶縁基板）などである。
【００５５】
はんだ接合層１１，１２は、例えば、所定の材料を所定の割合で含むはんだ材料の粉末と、フラックス（松やに等）とを混合したクリーム状のはんだペーストを用いて形成する。はんだ接合層１１，１２を形成するためのはんだペーストは、所定の表面積に濡れ広がる適度な粘性を有し、かつディスペンサなどで被接合部材上に塗布することができればよく、１種類の合金の粉末を含むはんだペースト（以下、均一ペーストとする）であってもよいし、異なる組成に調整された２種類以上の合金の粉末を含むはんだペースト（以下、混合ペーストとする）であってもよい。はんだペーストを用いて被接合部材同士を接合するには、例えば、一方の被接合部材上に、はんだ接合層１１，１２となるはんだペーストを塗布する。その後、このはんだペースト上に、他方の被接合部材を配置し、熱処理によってはんだペーストを固化させてなるはんだ接合層１１，１２を形成することで、被接合部材同士を貼り合わせ、一体化させる。なお、はんだペーストに含まれるフラックスは、半導体等で通常用いられる材料を使用してもよい。
【００５６】
また、はんだ接合層１１，１２を形成するためのはんだペーストに含まれるはんだ材料の粉末は、所定の組成に調整された粉末を用いてもよい。例えば、はんだ接合層１１，１２が８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇ（Ｓｎを８９．０重量％、Ｓｂを８．０重量％およびＡｇを３．０重量％含む）はんだ材を用いて形成されている場合、８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇ合金の粉末を使用してもよい（すなわち均一ペーストを形成）。また、はんだ接合層１１，１２を形成するためのはんだペーストに含まれるはんだ材料の粉末は、異なる組成に調整された２種類以上の合金の粉末を混合したものを用いてもよい（すなわち混合ペーストを形成）。２種類以上の合金の粉末を混合する場合、Ｓｂを含む第１粉末と、Ｓｂを含まない第２粉末とを所定の重量比で混合したはんだペーストを用いてもよい。具体的には、例えば、８１．５Ｓｎ１６Ｓｂ２．５Ａｇ合金（Ｓｎを８１．５重量％、Ｓｂを１６．０重量％およびＡｇを２．５重量％含む合金）の第１粉末と、９６．５Ｓｎ３．５Ａｇ合金（Ｓｎを９６．５重量％およびＡｇを３．５重量％含む合金）の第２粉末とを重量比で１：１に混合してはんだペーストとする。このはんだペーストを熱処理することで８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇ合金のはんだ接合層１１，１２を形成することができる。
【００５７】
次に、はんだ接合層１１，１２の構成について詳細に説明する。図２は、図１のはんだ接合層の構成を模式的に示す説明図である。はんだ接合層１１，１２の初期（パワーサイクルによる熱負荷がかかる前）の状態を図２（ａ）に示す。はんだ接合層１１，１２は、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）および銀（Ａｇ）をそれぞれ所定量含むはんだ材を用いて一般的なはんだ接合方法により形成される。はんだ接合層１１，１２は、さらにＣｕを所定の割合で含有していてもよい。この場合、はんだ接合層１１，１２は、Ｓｎ、Ｓｂ、ＡｇおよびＣｕをそれぞれ所定量含むはんだ材を用いて形成されてもよい。はんだ接合層１１，１２にＡｇが含まれていることにより、はんだ濡れ性を向上させることができる。
【００５８】
図２（ａ）に示すように、はんだ接合層１１，１２は、マトリクスとして分散した第１結晶部２１同士の結晶粒界に、第１結晶部２１よりも硬く、かつ第１結晶部２１よりも粒径（直径）の小さい微細粒状ないし柱状等の複数の第２結晶部（結晶粒）２２が析出した構造となっている。第１結晶部２１は、Ｓｎ原子に対してＳｂ原子を０より多く固溶限界以下、例えばＳｎ原子：Ｓｂ原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率でＳｎとＳｂとを含むＳｎ結晶粒であり、第１結晶部２１に固溶したＳｂによって結晶粒全体が固溶強化されており、第１結晶部２１の結晶が変形しにくくなっている。
【００５９】
また、第１結晶部２１同士の結晶粒界に複数の第２結晶部２２が析出していることにより、第１結晶部２１同士の結晶粒界が強化されて結晶が変形しにくくなっている。なお、前記Ｓｎ原子：Ｓｂ原子とは、ＳｎとＳｂとの原子数の比である。第１結晶部２１の平均粒径は、０．２μｍ以上１００μｍ以下であることが信頼性の点から好ましい。この理由は、第１結晶部２１の粒径が０．２μｍに近いほうが熱負荷に対して強く、平均粒径が１００μｍを超えるとボイドが発生したり、熱物性・機械物性等が不均一になったりして信頼性が落ちる可能性があるためである。また、第１結晶部２１の平均粒径が上記範囲の粒径である場合、第２結晶部２２が第１結晶部２１同士の結晶粒界に形成されやすいからである。
【００６０】
第２結晶部２２は、例えば、Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率でＳｎとＡｇとを含む第１金属間化合物（第１部分）２２−１である。複数の第１金属間化合物２２−１のうち、大半の第１金属間化合物２２−１の平均粒径は１０μｍ以下であることが好ましく、さらに０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが信頼性の点から好ましい。１μｍ以下の粒径を有する第１金属間化合物２２−１がはんだ接合層１１，１２に多く含まれるほど、第１結晶部２１同士の結晶粒界の強化機構が向上するため好ましい。第２結晶部２２中のＡｇ含有量は、はんだ材中のＳｂの含有量や、はんだ接合時の他の原子の存在等によって変化する。第１金属間化合物２２−１とは、ＡｇとＳｎからなるＡｇ3Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：３）化合物やＡｇ4Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：４）化合物などである。
【００６１】
第２結晶部２２は第１結晶部２１同士の結晶粒界に存在し、第１結晶部２１同士は第２結晶部２２を介して結合している部分を有している。また、第１結晶部２１同士が直接界面をなしている部分も存在しても良い。また、第２結晶部２２は、被接合部材と第１結晶部２１との間に形成されてもよく、組成の異なる他の第２結晶部２２と第１結晶部２１との間に形成されてもよい。さらに、第２結晶部２２は、後述する第３結晶部２３同士、第３結晶部２３と第１結晶部２１との間、または、第３結晶部２３と被接合部材との間に形成されてもよい。このように、第２結晶部２２が形成されることにより、第１結晶部２１の結晶粒界にクラックが生じにくくなる。このことは第１結晶部２１の結晶粒界が強化されたことを意味する。
【００６２】
第１結晶部２１の面積に対する第１金属間化合物２２−１の面積の割合（以下、第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１とする）は、例えば０％より大きく５％以下であるのがよい（０％＜Ｓ１≦５％）。第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１を０％より大きくすることにより、粒界クラックの進展を防止する効果が得られる。好ましくは、第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１は、例えば２％以上５％以下であるのがよい（２％≦Ｓ１≦５％）。その理由は、次の通りである。第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１を２％以上とすることにより、第１金属間化合物２２−１によって第１結晶部２１をほぼ完全に覆うことができるため、粒界クラックの進展を防止する効果を高めることができるからである。また、第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１が５％より大きい場合、第１金属間化合物２２−１（例えばＡｇ3Ｓｎ化合物）の粒径が大きくなるため、粒界クラックの進展を防止する効果が低くなるからである。面積比率および平均粒径は、第１金属間化合物２２−１の１μｍ程度の粒径を判別することができる、例えば倍率１５００倍のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像から、第１結晶部２１の粒径よりも十分大きな領域、例えば３０μｍ×３０μｍの領域において画像処理により算出したものである。具体的には、画像処理により粒子の輪郭を明確にし、所定の粒子を認定する。その粒子を円または多角形等で近似して面積や粒径を求める。
【００６３】
また、第２結晶部２２は、例えば、Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率でＳｎとＣｕとを含む第２金属間化合物（第２部分）２２−２であってもよい。また、第２結晶部２２は、第１金属間化合物２２−１と第２金属間化合物２２−２とで構成されていてもよい。第２金属間化合物２２−２とは、Ｃｕ6Ｓｎ5（Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝５：６）化合物やＣｕ3Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝１：３）化合物などである。第２結晶部２２中のＣｕ3Ｓｎ化合物は、Ｃｕ部材（回路パターン４や裏銅箔５）からはんだ接合層１１，１２中に溶融したＣｕがＳｎ（第１結晶部２１等）と反応して形成される。Ｃｕ3Ｓｎ化合物は、例えば２５０℃以上３５０℃以下の温度で、０．５分間以上３０分間以下、好ましくは１分間以上５分間以下程度の反応時間での熱処理によって生成されたものであり、はんだ接合層１１，１２中のＣｕ部材付近に存在する。Ｃｕ3Ｓｎ化合物が生成されるときの熱処理では、降温速度は５℃／秒以上が好ましく、８℃／秒以上１５℃／秒未満がより好ましい。
【００６４】
また、Ｃｕ3Ｓｎ化合物は、パワーサイクルによる熱負荷（１サイクル中の温度が室温（例えば２５℃）から１７５℃まで変化）によってもＣｕ部材付近のみならずＣｕの拡散によりはんだ接合層１１，１２中の全体に形成される場合もある。また、第２金属間化合物２２−２は、１サイクル中の温度が室温から、１５０℃以上２５０℃以下の範囲内の温度まで変化するパワーサイクルによる熱負荷においても同様に生成される。この理由は、次のように推測される。オン・オフを繰り返した際の半導体装置の降温速度が５℃／秒以上１０℃／秒以下の範囲内である。このことから、パワーサイクル試験における保持温度と急冷する条件とが第２結晶部２２の第２部分である第２金属間化合物２２−２（Ｃｕ−Ｓｎ化合物）の生成に適していることによるものと考えられる。
【００６５】
第２金属間化合物２２−２が生成されるにつれ、第１結晶部２１内のＳｎが消費されるため、第１結晶部２１内のＳｂ濃度が上昇する。これによって、第１結晶部２１ははんだ単体の場合よりも強化され、さらに後述する第３結晶部２３が新たに生成されて（第３結晶部２３が既に存在する場合はその数が増加して）信頼性向上効果をもたらす。はんだ接合層１１，１２によって接合される被接合部材表面として、Ｃｕの他、ニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）、ＡｇなどＳｎとの化合物を形成する他の材料を用いることによっても、Ｃｕを用いた場合と同様な効果が得られる。そして、第２金属間化合物２２−２の平均粒径は１０μｍ以下が好ましく、さらに０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが信頼性の点から好ましい。
【００６６】
このため、はんだ接合層１１，１２によるはんだ接合後に、実際に使用される前に予め熱処理を施すことにより第２金属間化合物２２−２を生成しておくのも好ましい。この熱処理の際の熱負荷は、室温から、１５０℃以上２５０℃以下の範囲内の温度まで変化する１サイクルを数秒間から数分間毎に１回以上繰り返すものである。また、この熱処理は、１５０℃以上２５０℃以下の範囲内の温度で数分間保持するものであってもよい。また、この熱処理の降温速度は５℃／秒以上が好ましく、８℃／秒以上１５℃／秒未満であるのがより好ましい。この熱処理の降温速度を１５℃／秒以上にした場合、他の部材および部材間で熱応力が生じるため好ましくない。このような急冷処理を行うためには、空冷の他に冷媒を用いてもよい。
【００６７】
第１結晶部２１の面積に対する第２金属間化合物２２−２の面積の割合（以下、第２金属間化合物２２−２の面積比率Ｓ２とする）は、例えば０％より大きく５０％以下であるのがよい（０％＜Ｓ２≦５０％）。その理由は、次の通りである。第２金属間化合物２２−２の面積比率Ｓ２が大きいほど粒界クラックの進展を防止する効果を高めることができるからである。また、第２金属間化合物２２−２の面積比率Ｓ２が５０％よりも大きい場合、第２金属間化合物２２−２が障害となり、はんだ接合時に溶融したはんだ中のボイド（気泡）が抜けにくくなるため、はんだ付け性が劣化するからである。したがって、第１結晶部２１と第２結晶部２２との面積比率は２％より大きく５５％以下であることが好ましい。
【００６８】
また、はんだ接合層１１，１２は、第１結晶部２１と第１結晶部２１への固溶限界を超えたＳｂとが反応してなる第３結晶部２３を有していてもよい。第３結晶部２３は、例えば、Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の比率でＳｎとＳｂとを含む結晶粒である。具体的には、第３結晶部２３は、ＳｎＳｂ（Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：１）化合物やＳｂ2Ｓｎ3（Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝３：２）化合物などの金属間化合物であり、第１結晶部２１よりも硬い。Ｓｎ結晶粒に対するＳｂの固溶限界（飽和量）は、はんだ接合時の熱処理温度や冷却温度、はんだ材中のＳｂの含有量、はんだ接合時の他の原子の存在等によって変化する。なお、第３結晶部２３の平均粒径は、０．１μｍ以上１００μｍ以下が信頼性の点から好ましい。これも前記第１結晶部２１の場合と同じ理由によると考えられる。また、第３結晶部２３の粒径が１００μｍよりも大きい場合、第３結晶部２３が障害となり、はんだ接合時に溶融したはんだ中のボイドが抜けにくくなるため、はんだ付け性が劣化するため好ましくない。
【００６９】
第１結晶部２１の面積に対する第３結晶部２３の面積の割合（以下、第３結晶部２３の面積比率Ｓ３とする）は、例えば０％より大きく１５％以下であるのがよい（０％＜Ｓ３≦１５％）。その理由は、次の通りである。第３結晶部２３の面積比率Ｓ３が大きいほど粒界クラックの進展を防止する効果を高めることができるからである。また、第３結晶部２３の面積比率Ｓ３が１５％よりも大きい場合、第３結晶部２３が障害となり、はんだ接合時に溶融したはんだ中のボイドが抜けにくくなるため、はんだ付け性が劣化するからである。なお、実際の第１結晶部２１、第２結晶部２２、および第３結晶部２３は複数の断面においてＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）やＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等により組成分析をおこない、良好な組成を明らかにした。
【００７０】
このような構成のはんだ接合層１１，１２のパワーサイクル信頼性試験時の状態（パワーサイクルによる熱負荷を受けた状態）を図２（ｂ）に示す。なお、パワーサイクル信頼性試験は１サイクル中の温度が発熱により室温から１７５℃まで変化する条件で、電流ＯＮ時間０．５秒〜３秒、ＯＦＦ時間０．５秒〜２０秒の繰り返し通電を加えて行った（試験時間：５０時間）。上述したように、固溶したＳｂによって第１結晶部２１全体が固溶強化されているため、パワーサイクルによる熱負荷を受けたとしても第１結晶部２１は粗大化しない。したがって、第２結晶部２２による第１結晶部２１同士の結晶粒界の析出強化機構は崩れない。このため、図２（ｂ）に示すように、１つの第１結晶部２１において粒界クラックや粒内クラック（以下、クラック２４とする）が生じたとしても、クラック２４が生じた第１結晶部２１に連続する第１結晶部２１や、第１結晶部２１同士の結晶粒界へクラック２４が進展することを低減することができる。
【００７１】
次に、はんだ接合層１１，１２を形成するためのはんだペーストの溶融メカニズムについて、まず、均一ペーストの溶融メカニズムを説明する。図９は、図１のはんだ接合層を形成するための均一ペーストの溶融時の状態を模式的に示す説明図である。図９（ａ）には均一ペーストの熱処理前の状態を示し、図９（ｂ）には均一ペーストの熱処理時の状態を示す。図９（ａ）に示すように、熱処理前の均一ペーストは、例えば、マトリクスに分散した９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒（Ｓｎを９２．０重量％およびＳｂを８．０重量％含む結晶粒）６１同士の結晶粒界に、９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１よりも粒径（直径）の小さい微細粒状ないし柱状等の複数のＡｇ3Ｓｎ化合物６２が析出された構成を有する。均一ペーストは１種類の合金の粉末のみからなるため、上述した９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１およびＡｇ3Ｓｎ化合物６２からなる構成は均一ペースト全体に一様分布されている。
【００７２】
この均一ペーストにはんだ接合層１１，１２を形成するための熱処理を行った場合、図９（ｂ）に示すように、熱処理の温度が例えば（２２１＋α）℃程度の温度に達したときにＳｂ濃度の低い部分、すなわち融点の高いＳｂを含まないＡｇ3Ｓｎ化合物６２が先に溶融される。Ａｇ3Ｓｎ化合物６２は均一ペースト全体に部分的に分散された状態で存在するため、Ａｇ3Ｓｎ化合物６２が９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１よりも早く溶融したとしても、均一ペースト全体の見かけ上の融点は９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１の融点とほぼ変わらない。したがって、均一ペーストの場合は、熱処理の温度がＡｇ3Ｓｎ化合物６２の融点に達しＡｇ3Ｓｎ化合物６２が溶融し、その後、９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１の融点に達したときに全体が液化される。均一ペーストにおいては、熱処理時間が短い場合にボイドが発生する虞があるが、熱処理時間を長くすることで均一ペーストが濡れ広がるため、ボイドが発生しない程度に熱処理時間を設定することが好ましい。例えば、炉内の温度を２６０℃（半導体チップを載置する加熱板の温度を２３５℃）とし窒素雰囲気において２７０秒以上程度の熱処理を行った場合に、均一ペーストを用いたはんだ接合層１１，１２にボイドがほぼ発生しないことが確認されている。
【００７３】
次に、混合ペーストの溶融メカニズムを説明する。図１０は、図１のはんだ接合層を形成するための混合ペーストの溶融時の状態を模式的に示す説明図である。図１０（ａ）には混合ペーストの熱処理前の状態を示し、図１０（ｂ）には混合ペーストの熱処理時の状態を示す。図１０（ａ）に示すように、混合ペーストには、第１粉末７０−１と第２粉末７０−２が所定の重量比で分離した状態で含まれる。第１粉末７０−１は、Ｓｂを含む粉末であり、例えばＳｂが固溶したＳｎ結晶粒７１−１がマトリクスに分散した構成を有する。符号７１−２は、固溶限界を超えたＳｂが、Ｓｎ結晶粒７１−１中のＳｎの一部とともに析出したＳｎＳｂ化合物である。第２粉末７０−２は、Ｓｂを含まない粉末であり、例えばマトリクスに分散したＳｎ結晶粒７２−１同士の結晶粒界に、Ｓｎ結晶粒７２−１よりも粒径の小さい微細粒状ないし柱状等の複数のＡｇ3Ｓｎ化合物７２−２が析出された構成を有する。
【００７４】
この混合ペーストにはんだ接合層１１，１２を形成するための熱処理を行った場合、図１０（ｂ）に示すように、熱処理の温度が例えば２２１℃程度の温度に達したときにＳｂ濃度の低い部分、すなわち融点の高いＳｂを含まない第２粉末７０−２が先に溶融され液化される。すなわち、第２粉末７０−２全体が液化され、混合ペーストの一部が液化された状態となる。また、先に溶融された第２粉末７０−２は第１粉末７０−１中に拡散し（不図示）、混合ペースト全体が均一ペーストよりも短時間で液化される。このように、Ｓｂを含まないことで融点が低い第２粉末７０−２によって混合ペースト全体の見かけ上の融点が下がる。また、混合ペーストにおいては、均一ペーストを用いる場合よりも短時間で液化されることで濡れ性が向上するため、均一ペーストを用いる場合よりもボイドの発生を抑制することができる。例えば、炉内の温度を２６０℃（半導体チップを載置する加熱板の温度を２３５℃）とし窒素雰囲気において１１０秒程度の熱処理を行った場合、均一ペーストを用いたはんだ接合層１１，１２のほぼ全体にボイドが発生したが、混合ペーストを用いたはんだ接合層１１，１２にはボイドがほぼ発生しないことが確認されている。
【００７５】
上述したはんだ接合層１１，１２をパワーサイクル信頼性試験によって検証した。まず、均一ペーストを用いてはんだ接合層１１，１２を形成した場合のパワーサイクル信頼性試験結果について説明する。例えば、８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇはんだ材（Ｓｎを８９．０重量％、Ｓｂを８．０重量％、およびＡｇを３．０重量％含むはんだ材：融点約２５３℃）からなる均一ペースト（すなわち８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇ合金の粉末を含む均一ペースト、以下、はんだ材からなる均一ペーストとする）を用いたはんだ接合によって、厚さ１００μｍのはんだ接合層１１，１２を形成し、このはんだ接合層１１，１２のパワーサイクル信頼性試験時の状態を観察した。この結果を図３Ａに示す（以下、実施例１とする）。なお、実施例１の熱処理の温度は２７０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。また、８４Ｓｎ１３Ｓｂ３Ａｇはんだ材（Ｓｎを８４．０重量％、Ｓｂを１３．０重量％、およびＡｇを３．０重量％含むはんだ材：融点約２９０℃）からなる均一ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層１１，１２を形成し、このはんだ接合層１１，１２のパワーサイクル信頼性試験時の状態を観察した。この結果を図３Ｂに示す（以下、実施例３とする）。実施例３の熱処理の温度は３２０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。比較例１として、従来の８７Ｓｎ１３Ｓｂはんだ材（Ｓｎを８７．０重量％およびＳｂを１３．０重量％含むはんだ材：融点約３００℃）からなる均一ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成し、このはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を観察した。この結果を図４Ａに示す。比較例１の熱処理の温度は３２０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。図３Ａは、実施例１にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図３Ｂは、実施例３にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図４Ａは、比較例１のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図３Ａ，３Ｂ，４Ａは、半導体チップおもて面側から観察したＳＥＭ画像である（図４Ｂ，１１，１２も同様）。
【００７６】
図３Ａに示すように、実施例１のはんだ接合層３０−１には、Ｓｂが固溶した複数のＳｎ結晶粒３１がマトリクスとして分散し、Ｓｎ結晶粒３１（第１結晶部）同士の結晶粒界にＳｎ結晶粒３１（平均粒径約３０μｍ）を囲むように、０．５μｍ以下の粒径を有する微細粒状の硬いＡｇ3Ｓｎ化合物３２−１（第２結晶部の第１金属間化合物）が析出することが確認された。また、１つ以上のＳｎ結晶粒３１が固溶限界を超えたＳｂと反応してＳｎＳｂ化合物３３（第３結晶部）となり、また、はんだ接合層３０−１とＣｕ部材３０−２との接合界面付近にＣｕ6Ｓｎ5化合物３２−２（第２結晶部の第２金属間化合物）が析出することが確認された。これは、はんだ接合時（２７０℃の温度で５分間程度の熱処理など）に形成されたものであり、これによって、第２結晶部の第１金属間化合物と第２金属間化合物とが一つ乃至複数の第１結晶部を囲むように形成される。また、第２結晶部の一部はパワーサイクルによる熱負荷（１サイクル中の温度が室温から１７５℃まで変化）を経ることによって形成されたものである。そして、さらにパワーサイクルによる熱負荷を受けた後も、Ｓｎ結晶粒３１の粒径は粗大化せず、かつＡｇ3Ｓｎ化合物３２−１、Ｃｕ6Ｓｎ5化合物３２−２およびＳｎＳｂ化合物３３によるＳｎ結晶粒３１同士の結晶粒界の析出強化機構は崩れず、クラックの発生がないことが確認された。なお、第２結晶部の第２金属間化合物は、１サイクル中の温度が室温から、１５０℃以上２５０℃以下の範囲内の温度まで変化するパワーサイクルによる熱負荷においても同様に発生する。また、図３Ｂに示すように、実施例３においても、実施例１と同様に、Ｓｎ結晶粒３１、Ａｇ3Ｓｎ化合物３２−１およびＳｎＳｂ化合物３３が析出することが確認された。一方、比較例１のはんだ接合層４０では、第２結晶部がないため、熱応力によってはんだが歪むことにより、Ｓｎ結晶粒４１同士の結晶粒界にクラック４４が生じることが確認された（図４Ａ）。
【００７７】
次に、混合ペーストを用いてはんだ接合層１１，１２を形成した場合のパワーサイクル信頼性試験結果について説明する。混合ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層１１，１２を形成し、このはんだ接合層１１，１２のパワーサイクル信頼性試験時の状態を観察した。この結果を図１１，１２に示す（以下、実施例４，５とする）。図１１は、実施例４にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図１２は、実施例５にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図１１，１２には、それぞれ、熱処理温度を２６０℃とし窒素雰囲気において３００秒（５分）間程度の熱処理をおこなった場合の実施例４，５を示す。また、熱処理温度を２３０℃（最大２３２℃）とし、窒素雰囲気において３００秒（５分）間程度の熱処理を行った場合の実施例４，５をそれぞれ図１３，１４に示す。なお、降温速度は１０℃／秒でおこなった。図１３は、実施例４にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。図１４は、実施例５にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【００７８】
実施例４は、７０Ｓｎ３０Ｓｂ合金（Ｓｎを７０．０重量％およびＳｂを３０．０重量％含む合金）の第１粉末と、９６Ｓｎ４Ａｇ合金（Ｓｎを９６．０重量％およびＡｇを４．０重量％含む合金）の第２粉末とを混合してなる混合ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成した。実施例４において、第１粉末と第２粉末との重量比は１：２．８である。実施例５は、７０Ｓｎ３０Ｓｂ合金（Ｓｎを７０．０重量％およびＳｂを３０．０重量％含む合金）の第１粉末と、９６Ｓｎ４Ａｇ合金（Ｓｎを９６．０重量％およびＡｇを４．０重量％含む合金）の第２粉末とを混合してなる混合ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成した。実施例５において、第１粉末と第２粉末との重量比は１：１である。また、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、実施例４，５においても、実施例１と同様に、第３結晶部（ＳｎＳｂ化合物）が形成されていることが確認された。図１１，１２には、第１，３結晶部をまとめて符号８１で示す。また、比較として、熱処理温度を２３０℃（最大２３２℃）とし、窒素雰囲気において３００秒（５分）間程度の熱処理を行った場合の実施例１を図１５に示す。図１５は、実施例１にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【００７９】
図１１，１２に示す結果より、混合ペーストを用いたはんだ接合による実施例４，５においても、８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇはんだ材からなる均一ペーストを用いたはんだ接合による実施例１と同様に（図３Ａ）、第１結晶部（第３結晶部を含む）８１および第２結晶部８２が形成されることが確認された。すなわち、混合ペーストを用いてはんだ接合層１１，１２を形成した場合においても、均一ペーストを用いてはんだ接合層１１，１２を形成した場合と同様に、はんだ接合層１１，１２を、第１結晶部（第３結晶部を含む）８１および第２結晶部８２が実質的に規則的に配列された均一な金属組織とすることができることが確認された。また、実施例４，５においては、実施例１よりも第１結晶部（第３結晶部を含む）８１および第２結晶部８２ともにさらに微細化され、さらに均一な金属組織とすることができることが確認された。すなわち、混合ペーストを用いることにより、均一ペーストを用いる場合よりも、第３結晶部が凝集して第１，３結晶部が粗大化することを抑制することができる。その理由は、次の通りである。
【００８０】
図１３，１４に示すように、混合ペーストを用いた実施例４，５においては、２３０℃程度で溶融していることが確認された。一方、図１５に示すように、均一ペーストを用いた実施例１においては、半導体チップを載置する加熱板の温度が２３０℃程度では溶融しないことが確認された。また、図示省略するが、均一ペーストを用いた実施例１においては、半導体チップを載置する加熱板の温度が２６０℃程度であっても完全に溶融せず、ボイドが発生することが確認されている。混合ペーストを用いた実施例４，５が均一ペーストを用いた実施例１よりも短時間に溶融されるのは、混合ペースト中の、Ｓｂを含まない第２粉末が先に溶融し、Ｓｂを含む第１粉末中に拡がるからであると推測される。そして、実施例４，５において、このように、混合ペーストの液化が短時間で進むことで、第１結晶部（第３結晶部を含む）８１および第２結晶部８２の微細化が進むと推測される。
【００８１】
次に、はんだ接合層１１，１２中のＳｂ含有量について説明する。図５は、半導体装置のＳｂ含有量とパワーサイクル信頼性耐量との関係を示す特性図である。Ｓｎを（１００−ｘ−ｙ）重量％、Ｓｂをｘ重量％、およびＡｇをｙ重量％含む（１００−ｘ−ｙ）ＳｎｘＳｂｙＡｇはんだ材によるはんだ接合層１１，１２について、上記実施例１（８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇはんだ材からなる均一ペーストによるはんだ接合層）および上記比較例１（８７Ｓｎ１３Ｓｂはんだ材からなる均一ペーストによるはんだ接合層）および上記実施例３（８４Ｓｎ１３Ｓｂ３Ａｇはんだ材からなる均一ペーストによるはんだ接合層）の他に、実施例２および比較例２の試料を作製してパワーサイクル信頼性耐量を測定した結果を図５に示す。比較例２は、９７Ｓｎ３Ａｇはんだ材（Ｓｎを９７．０重量％およびＡｇを３．０重量％含むはんだ材）からなる均一ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成した。比較例２の熱処理の温度は２８０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。実施例２は、９０Ｓｎ８Ｓｂ２Ａｇはんだ材（Ｓｎを９０．０重量％、Ｓｂを８．０重量％、およびＡｇを２．０重量％含むはんだ材）からなる均一ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成した。実施例２の熱処理の温度は２７０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。
【００８２】
Ｓｎを９７重量％およびＡｇを３重量％含む試料、すなわちＳｂ含有量を０重量％とし、Ａｇ含有量を３重量％とした■印（パワーサイクル信頼性耐量＝１００％）は、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層を示している（比較例２）。この比較例２を基準として図５の縦軸に示すパワーサイクル信頼性耐量（％）が算出されている。図５の横軸にはＳｂ含有量（重量％）を示す。また、図５の基準線５１ははんだ材の融点２６０℃付近を示しており、基準線５１よりも左側に進むほど低融点であり、基準線５１よりも右側に進むほど高融点であることを示している。図４Ｂに、比較例２のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図を示す。図４Ｂは、比較例２のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【００８３】
また、これら実施例１〜３の組成は、組成分析の結果、次のとおりであった。第１結晶部は、Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）であり、第２結晶部の第１金属間化合物（第１部分）は、Ａｇ3Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：３）化合物やＡｇ4Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：４）化合物などであり、Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の範囲であった。また、第２結晶部の第２金属間化合物（第２部分）は、Ｃｕ6Ｓｎ5（Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝５：６）化合物やＣｕ3Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝１：３）化合物などが主であり、Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の範囲であった。第３結晶部は、ＳｎＳｂ（Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：１）化合物やＳｂ2Ｓｎ3（Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝３：２）化合物であり、Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の範囲であった。そして、第２結晶部の平均粒径は、第１結晶部の平均粒径よりも小さいことが断面ＳＥＭ観察により観察された。
【００８４】
図５に示す結果より、実施例１〜３においては、Ｓｂ含有量を０重量％よりも多くすることにより比較例２よりもパワーサイクル信頼性耐量を向上させることができることが確認された。また、Ｓｂ含有量が増えるほどパワーサイクル信頼性耐量を向上させることができることが確認された。具体的には、２５０℃（実施例１，２を作製するためのはんだ材の融点）付近において比較例２の２倍程度のパワーサイクル信頼性耐量が得られ、２９０℃（実施例３を作製するためのはんだ材の融点）付近において比較例２の２倍より大きいパワーサイクル信頼性耐量が得られることが確認された。これらの実施例１〜３においては、図３Ａ，３Ｂに示すように、クラック等は確認されなかった。したがって、本願発明にかかる半導体装置は、１７５℃程度の環境下で使用され高信頼性が要求される例えば自動車に搭載される半導体装置や新エネルギー用途の半導体装置にも十分に対応可能であることが確認された。一方、比較例２の場合、図４Ｂに示すように、Ｓｂの入っていない従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材料と同様に、はんだ接合層４０においてＡｇＳｎ化合物４２の粒径が５μｍ程度に粗大化し、クラック４４を生じることが確認された。このことが原因で、パワーサイクル信頼性耐量が劣っていると考えられる。また、Ｓｂ含有量が１５重量％よりも多い場合（図５の符号５２で示す点線よりも右側に進んだ場合）、はんだ材の融点が上昇し過ぎたり、はんだ濡れ性が低下することが確認された。このため、はんだ接合層１１，１２中のＳｂ含有量は０重量％よりも多く１５重量％以下であるのが好ましい。
【００８５】
次に、はんだ接合層１１，１２中のＡｇ含有量について説明する。図６は、半導体装置のＡｇ含有量とパワーサイクル信頼性耐量との関係を示す特性図である。Ｓｎを（１００−ｘ−ｙ）重量％、Ｓｂをｘ重量％、およびＡｇをｙ重量％含む（１００−ｘ−ｙ）ＳｎｘＳｂｙＡｇはんだ材によるはんだ接合層１１，１２について、パワーサイクル信頼性耐量を測定した結果を図６に示す。
【００８６】
Ｓｎを９７重量％およびＡｇを３重量％含む試料、すなわちＳｂ含有量を０重量％とし、Ａｇ含有量を３重量％とした▲印（パワーサイクル信頼性耐量＝１００％）は、上述した比較例２である。この比較例２を基準として図６の縦軸に示すパワーサイクル信頼性耐量（％）が算出されている。図６の横軸にはＡｇ含有量（重量％）を示す。また、Ｓｎを８７重量％およびＳｂを１３重量％含む試料、すなわちＳｂ含有量を１３重量％とし、Ａｇ含有量を０重量％とした■印（パワーサイクル信頼性耐量＝１５０％程度）は、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層を示している（比較例１）。
【００８７】
図６に示す結果より、Ｓｂ含有量が０重量％よりも多く、かつ、Ａｇ含有量を０重量％よりも多くすることにより、比較例１，２よりもパワーサイクル信頼性耐量を向上させることができることが確認された。また、Ａｇ含有量が増えるほどパワーサイクル信頼性耐量を向上させることができることが確認された。さらに、Ａｇ含有量が３重量％よりも多い場合（符号５３で示す点線よりも右側に進んだ場合）、はんだ付け性が低下したり、材料コストが上昇することが確認された。このため、はんだ接合層１１，１２中のＡｇ含有量は０重量％よりも多く３重量％以下であるのが好ましい。
【００８８】
以上、説明したように、実施の形態（実施例２）によれば、実質的に規則的に配列され均一な金属組織をなす、Ｓｂが固溶した第１結晶部（Ｓｎ結晶粒）と、マトリクスとして分散した第１結晶部同士の結晶粒界に析出した複数の第２結晶部とによってはんだ接合層が構成され強化されている。第２結晶部の平均粒径は、第１結晶部の平均粒径よりも小さく、第１結晶部の平均粒径は３０μｍであり、第２結晶部の平均粒径は０．８μｍであった。具体的には、第１結晶部に固溶したＳｂによって第１結晶部全体が固溶強化されているため、パワーサイクル等の熱負荷による第１結晶部の粗大化を抑制することができる。また、第１結晶部よりも硬い微細粒状の第２結晶部である第１金属間化合物（ＳｎおよびＡｇを含む化合物）によって、マトリクス状に分散した第１結晶部同士の結晶粒界が強化され、第１結晶部の結晶が変形しにくい。これによって、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層やＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層よりも粒内クラックおよび粒界クラックの進展を抑制することができ、パワーサイクル信頼性を向上させることができる。
【００８９】
また、実施の形態（実施例１，３）によれば、第１結晶部の一部が固溶限界を超えたＳｂと反応して第３結晶部を構成していることにより、はんだ接合層に応力によるひずみが生じにくいため、第１結晶部の結晶をさらに変形しにくくすることができる。かつ、第３結晶部は第１結晶部よりも硬いため、粒内クラックの進展をさらに抑制することができる。これによって、パワーサイクル信頼性耐量をさらに向上させることができる。また、実施の形態によれば、第２結晶部がはんだとＣｕ部材との接合時およびパワーサイクルによる熱負荷によって形成される第２金属間化合物（ＳｎおよびＣｕを含む化合物）を有するものであってもよく、第２結晶部として第１金属間化合物（第１部分）に加えて、さらに第２金属間化合物（第２部分）を含むことにより、マトリクスとして分散した第１結晶部同士の結晶粒界がさらに強化される。これによって、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層やＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層よりも粒界クラックの進展をさらに抑制することができる。したがって、パワーサイクル信頼性耐量をさらに向上させることができる。
【００９０】
また、実施の形態によれば、Ａｇを高濃度添加することなく、第１，２結晶部または第３結晶部を所定の粒径および組成に形成することによってはんだ接合層の融点を３００℃よりも低い温度、例えば２６０℃以下（例えば２３０℃程度）の温度とすることができる。すなわち、これにより、３００℃以上の温度でのはんだ付けプロセスが必要であった従来のＳｎ−Ｓｂ系等はんだ接合層以上のパワーサイクル信頼性耐量を、３００℃よりも低い温度でのはんだ付けプロセスによって得ることができる。３００℃よりも低い温度でのはんだ付けプロセスが可能であるため、半導体装置にかかる熱負荷を低減することができ、従来よりも熱負荷による悪影響の少ない信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、実施の形態によれば、Ｓｂを含む第１粉末とＳｂを含まない第２粉末とを混合してなる混合ペーストを用いてはんだ接合層を形成することで、１つの合金の粉末からなる均一ペーストを用いてはんだ接合層を形成する場合よりも、はんだ接合層をさらに第１〜３結晶部が実質的に規則的に配列された均一な金属組織とすることができる。そして、パワーサイクル信頼性耐量は、実施例４は２３０（％）であり、実施例５は２４０（％）であった。このように、第１〜３結晶部が実質的に規則的に配列された均一な金属組織となり、第１、第２結晶部が微細化することでパワーサイクル信頼性を向上させることができる。
【００９１】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、半導体装置が複数のはんだ接合層を備える場合、これらのはんだ接合層は上述した構成の範囲内であればともに同一組成を有していてもよいし、異なる組成を有していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、はんだ接合層を介して半導体チップや回路パターンなどの各部材を接合したパッケージ構造の半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１  半導体チップ
２  絶縁基板
３  絶縁層
４  回路パターン（金属箔）
５  裏銅箔
６  銅ベース
１１，１２  はんだ接合層
２１  第１結晶部（Ｓｂが固溶したＳｎ結晶粒）
２２  第２結晶部
２２−１  第１金属間化合物（ＳｎおよびＡｇを含む化合物）
２２−２  第２金属間化合物（ＳｎおよびＣｕを含む化合物）
２３  第３結晶部（第１結晶部と第１結晶部への固溶限界を超えたＳｂとが反応してなるＳｎ結晶粒）
【図１】
2014181883.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年10月9日(2015.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置であって、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記はんだ接合層は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の比率で錫とアンチモンとを含む第３結晶部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であり、
前記第３結晶部は、前記第１結晶部と当該第１結晶部への固溶限界を超えたアンチモンとが反応してなる結晶粒であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２結晶部は、前記第１結晶部間の結晶粒界に析出していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１部分の平均粒径は１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記はんだ接合層の融点は２６０℃以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項８】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置の製造方法であって、
アンチモンを含む合金粉末とアンチモンを含まない合金粉末との混合を含むはんだペーストを前記構成部の一方の上に塗布する工程と、
熱処理により前記はんだペーストを固化して前記はんだ接合層を形成し、前記はんだ接合層によって前記構成部同士を接合する工程を含み、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、絶縁基板に設けられた回路パターン上に半導体チップを接合したパッケージ構造の半導体装置が公知であり、半導体チップと回路パターンとを接合する接合材として比較的低い温度で接合が可能なはんだ材が用いられている。このようなはんだ材として、主に錫（Ｓｎ）を主成分とするはんだ、例えば低融点で接合可能な錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系はんだ材、高信頼性の錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）系はんだ材等が用いられている。はんだ接合後のＳｎ−Ａｇ系はんだ材、および、はんだ接合後のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材の状態について説明する。
【０００３】
Ｓｎを主成分とするはんだは、融点２００℃〜３００℃程度である。Ｓｎを主成分とするはんだを用いたはんだ接合層は、Ｓｎ結晶粒が分散した構造を有する。Ｓｎ１００％のはんだ材を用いた場合のはんだ接合層では、高温でＳｎ結晶粒が粗大化し、さらに温度変化によって非接合材との線膨張係数差による応力がはんだ接合層にかかるため、Ｓｎ結晶粒同士の結晶粒界に粒界クラック（粒界割れ）が発生し、この粒界クラックが隣接するＳｎ結晶粒同士の結晶粒界へと進展するという問題がある。このような粒界クラックの進展を防止したはんだ材として、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材やＳｎ−Ｓｂ系はんだ材が公知である。
【０００４】
図７は、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材によるはんだ接合層の状態を模式的に示す説明図である。従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材によるはんだ接合層（以下、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ接合層とする）の初期（パワーサイクル等による熱負荷がかかる前）の状態を図７（ａ）に示す。Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材は、析出強化型のはんだ材である。図７（ａ）に示すように、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材を用いたはんだ接合層では、ＡｇはＳｎ結晶粒中にほぼ固溶しないため、微細粒状の硬いＡｇ3Ｓｎ化合物１２２となり、マトリクスとして分散したＳｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界に析出する。これによって、Ｓｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界が強化されて結晶が変形しにくくなるため、Ｓｎ結晶粒単体のはんだ接合層と比べて粒界クラックが進展しにくい。
【０００５】
図８は、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材によるはんだ接合層の状態を模式的に示す説明図である。従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材によるはんだ接合層（以下、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ接合層とする）の初期の状態を図８（ａ）に示す。Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ材は、固溶強化型のはんだ材である。図８（ａ）に示すように、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材を用いたはんだ接合層では、Ｓｎ結晶粒１３１中に８．５重量％（＝８．３原子パーセント（ａｔ％））程度までＳｂが固溶し、Ｓｎ結晶粒１３１全体が強化される。
【０００６】
固溶したＳｂによってＳｎ結晶粒１３１全体が強化されることにより、半導体装置の動作中における発熱および放熱の繰り返しサイクルによる熱負荷によって生じるＳｎ結晶粒１３１の粗大化を抑制することができる。また、固溶限界を超えたＳｂは、Ｓｎ結晶粒１３１中のＳｎの一部とともに固いＳｎＳｂ化合物１３２となって部分的に析出する。これによって、結晶が変形しにくくなり、粒内クラック（粒内割れ）が進展しにくくなる。
【０００７】
このようなＳｎ、ＡｇおよびＳｂを含むはんだ材として、Ａｇ：１％〜３０％およびＳｂ：０．５％〜２５％のうち１種または２種を含有し、残りがＳｎと不可避不純物からなる組成を有するＳｎ合金はんだにおいて、接合部の熱疲労特性を向上させるために、不可避不純物として酸素（Ｏ2）含有量を５ｐｐｍ以下とし、かつ平均結晶粒径を３μｍ以下としたはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。
【０００８】
また、別のはんだ材として、Ｓｂを５重量％〜１５重量％、Ａｇを２重量％〜１５重量％含み、残部が不可避不純物を除いて実質的にＳｎからなり、表面粗度Ｒａ＝１０μｍ以下であるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。
【０００９】
また、別のはんだ材として、はんだ材中に粉末を含有した複合はんだ材において、はんだ材がＳｂを５重量％〜１５重量％、Ａｇを２重量％〜１５重量％含み、残部が不可避不純物を除いて実質的にＳｎからなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献３参照。）。
【００１０】
また、別のはんだ材として、２５重量％〜４０重量％のＡｇと、２４重量％〜４３重量％のＳｂと、残部としてＳｎとを含む合金からなるはんだ材において、その溶融温度を少なくとも２５０℃以上とするはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献４参照。）。
【００１１】
また、別のはんだ材として、質量％で、Ａｇ：０．９％〜１０．０％、Ａｌ：０．０１％〜０．５０％、Ｓｂ：０．０４％〜３．００％を含み、Ａｌ／Ｓｂの比が０．２５以下の関係（０を含まない）を満たし、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなり、酸化物または酸化表面を有する部材を接合するはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献５参照。）。
【００１２】
また、別のはんだ材として、Ａｇが０．０５質量％〜２．０質量％、銅（Ｃｕ）が１．０質量％以下、Ｓｂが３．０質量％以下、ビスマス（Ｂｉ）が２．０質量％以下、インジウム（Ｉｎ）が４．０質量％以下、ニッケル（Ｎｉ）が０．２質量％以下、ゲルマニウム（Ｇｅ）が０．１質量％以下、コバルト（Ｃｏ）が０．５質量％以下（但し、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｇｅ、およびＣｏは、いずれも０質量％ではない）、および残部が錫からなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献６参照。）。
【００１３】
また、別のはんだ材として、ＳｎＳｂＡｇＣｕ系を主成分としたはんだ材において、はんだ材の組成が、４２重量％＜Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８重量％であって、５重量％≦Ａｇ＜２０重量％であり、３重量％≦Ｃｕ＜１０重量％であって、かつ５重量％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５重量％であり、残りが他の不可避不純物元素から構成されるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献７参照。）。
【００１４】
また、別のはんだ材として、高温はんだ材料全体に対して、それぞれＳｂが１２質量％〜１６質量％、Ａｇが０．０１質量％〜２質量％、Ｃｕが０．１質量％〜１．５質量％含まれ、さらに珪素（Ｓｉ）が０．００１質量％〜０．１質量％含まれかつ、Ｂが０．００１質量％〜０．０５質量％含まれ、残部がＳｎおよび不可避不純物であるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献８参照。）。
【００１５】
また、別のはんだ材として、固相温度２２５℃のＳｎＳｂＡｇＣｕ系を主成分とし、合金の構成比率がＡｇ、Ｃｕで１０重量％〜３５重量％で、かつＳｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）の重量比率が０．２３〜０．３８であるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献９参照。）。
【００１６】
また、別のはんだ材として、Ｓｎを８８質量％〜９８．５質量％、Ｉｎを１質量％〜１０質量％、Ａｇを０．５質量％〜３．５質量％、Ｃｕを０質量％〜１質量％含み、凝固されたはんだ中の金属間相の成長を抑制する結晶化改質剤でのドープを有する、Ｓｎ−Ｉｎ−Ａｇはんだ合金をベースとするはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１０参照。）。
【００１７】
また、別のはんだ材として、Ａｇ：２質量％〜３質量％、Ｃｕ：０．３質量％〜１．５質量％、Ｂｉ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｓｂ：０．２質量％〜１．５質量％を含み、かつＡｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉの合計含有量が５質量％以下であり、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなり、リフロー後の表面性状が滑らかであるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１１参照。）。なお、リフローとは、接合材にはんだペースト（はんだの粉末にフラックスを加えて、適当な粘度にしたもの）層を形成し、その上に部品を載せてから熱を加えてはんだを溶かし、はんだ付けをおこなう方法である。
【００１８】
また、別のはんだ材として、Ａｇが１質量％〜３質量％、Ｃｕが０．５質量％〜１．０質量％、Ｂｉが０．５質量％〜３．０質量％、Ｉｎが０．５質量％〜３．０質量％、Ｇｅが０．０１質量％〜０．０３重量％あるいはセレン（Ｓｅ）が０．０１質量％〜０．１質量％、残部がＳｎからなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１２参照。）。
【００１９】
また、別のはんだ材として、Ｂｉを１５．０％〜３０．０％、銀を１．０％〜３．０％、含み、そして場合により、銅を０％〜２．０％、そしてＳｂおよび付随的不純物を０％〜４．０％、含んでいてもよく、残りがＳｎであるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１３参照。）。
【００２０】
また、別のはんだ材として、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ４元合金であって、Ｓｂが全体の１．０重量％〜３．０重量％、Ａｇが１．０重量％以上、２．０重量％未満、Ｃｕが１．０重量％以下の割合で含有されており、残部がＳｎよりなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１４参照。）。
【００２１】
また、別のはんだ材として、Ｓｂを３．０重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、銀を３．５重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、Ｎｉを１．０重量％以下（範囲下限値の零を含まず）、リン（Ｐ）を０．２重量％以下（範囲下限値の零を含まず）含有し、残部はＳｎおよび不可避不純物からなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１５参照。）。
【００２２】
また、別のはんだ材として、Ｓｂを２．５重量％〜３．５重量％、Ａｇを１．０重量％〜３．５重量％、Ｎｉを１．０重量％以下（範囲下限値の零を含まず）含有し、残部はＳｎおよび不可避不純物からなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１６参照。）。
【００２３】
また、別のはんだ材として、棒状、線状、プリフォ−ム状、やに入りはんだのいずれかであり、Ａｇが０．５重量％〜３．５重量％、Ｂｉが３．０重量％〜５．０重量％、Ｃｕが０．５重量％〜２．０重量％、Ｓｂが０．５重量％〜２．０重量％、残部がＳｎからなるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１７参照。）。
【００２４】
また、別のはんだ材として、０．８重量％以上５重量％以下のＡｇと、いずれも０．１重量％以上で両者の合計が１７重量％以下のＩｎおよびＢｉを含み、残部がＳｎと不可避不純物とからなり、０．１重量％以上１０重量％以下のＳｂをさらに添加したはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１８参照。）。
【００２５】
また、別のはんだ材として、Ｓｎを６１重量％〜６９重量％と、Ｓｂを８重量％〜１１重量％と、Ａｇを２３重量％〜２８重量％含有するはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献１９参照。）。
【００２６】
また、別のはんだ材として、Ｓｎを９３重量％〜９８重量％、Ａｇを１．５重量％〜３．５重量％、Ｃｕを０．２重量％〜２．０重量％、およびＳｂを０．２重量％〜２．０重量％含み、２１０℃〜２１５℃の融点を有するはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２０参照。）。
【００２７】
また、別のはんだ材として、Ｓｎを９０．３重量％〜９９．２重量％、Ａｇを０．５重量％〜３．５重量％、Ｃｕを０．１重量％〜２．８重量％、およびＳｂを０．２重量％〜２．０重量％含み、２１０℃〜２１６℃の融点を有するはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２１参照。）。
【００２８】
また、別のはんだ材として、少なくとも９０重量％のＳｎと、有効量のＡｇとＢｉとを含み、また任意選択としてＳｂ、またはＳｂとＣｕを含むはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２２参照。）。
【００２９】
また、別のはんだ材として、Ｓｂを０．５重量％〜４．０重量％、亜鉛（Ｚｎ）を０．５重量％〜４．０重量％、Ａｇを０．５重量％〜２．０重量％、およびＳｎを９０．０重量％〜９８．５重量％含むはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２３参照。）。
【００３０】
また、別のはんだ材として、第１金属粉末と、第１金属粉末よりも融点の高い第２金属粉末とからなる金属成分と、フラックス成分とを含むソルダペーストであって、第１金属は、Ｓｎ単体、またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、金（Ａｕ）、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｃｏ、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、Ｓｉ、ストロンチウム（Ｓｒ）、テルル（Ｔｅ）、Ｐからなる群より選ばれる少なくとも１種と、Ｓｎとを含む合金であるはんだ材が提案されている（例えば、下記特許文献２４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開昭６１−２６９９９８号公報
【特許文献２】特開平７−２８４９８３号公報
【特許文献３】特開平８−００１３７２号公報
【特許文献４】特開２００３−２９０９７５号公報
【特許文献５】特開２０１１−００５５４５号公報
【特許文献６】特許第４７８７３８４号公報
【特許文献７】特許第４６０９２９６号公報
【特許文献８】特許第４４７１８２５号公報
【特許文献９】特開２００５−３４０２６８号公報
【特許文献１０】特表２０１０−５０５６２５号公報
【特許文献１１】特開２００２−０１８５９０号公報
【特許文献１２】特開２００１−３３４３８５号公報
【特許文献１３】特表２００１−５２０５８５号公報
【特許文献１４】特開平１１−２９１０８３号公報
【特許文献１５】特許第３３５３６６２号公報
【特許文献１６】特許第３３５３６４０号公報
【特許文献１７】特許第３６７３０２１号公報
【特許文献１８】特開平９−０７０６８７号公報
【特許文献１９】米国特許第４１７０４７２号明細書
【特許文献２０】米国特許第５３５２４０７号明細書
【特許文献２１】米国特許第５４０５５７７号明細書
【特許文献２２】米国特許第５３９３４８９号明細書
【特許文献２３】米国特許第４６７０２１７号明細書
【特許文献２４】国際公開第２０１１／０２７６５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
半導体装置は、動作中における発熱および放熱の繰り返し（パワーサイクル）の熱負荷や環境温度変化（加熱・冷却）などのヒートサイクルの熱負荷を受ける。しかしながら、従来より、半導体装置は、これらのパワーサイクル等による熱負荷によりはんだ接合層が劣化するという問題がある。はんだ接合層の寿命は半導体装置の寿命を決定する要因となるため、はんだ接合層の寿命を向上することが必要である。また、半導体装置全体および冷却体を小型化するためには、半導体装置の高温発熱時（例えば１７５℃以上）における動作を実現し、かつ、特にパワー半導体においてはこの温度でのパワーサイクル信頼性を確保する必要がある。また、自動車に搭載される半導体装置や新エネルギー用途の半導体装置は長寿命である必要がある。このため、低融点でのはんだ接合を可能とし、かつパワーサイクル等に対する高信頼性を有するはんだ接合層を形成可能なはんだ材が求められる。なお、パワーサイクル信頼性とは、半導体装置を動作させて所定の温度サイクルを負荷した際の、半導体装置の諸特性である。
【００３３】
例えば、上述した従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材として一般的に用いられるＳｎ３．５Ａｇはんだ材（Ｓｎを９６．５重量％およびＡｇを３．５重量％含むはんだ材）は、低融点（例えば２２０℃程度）でのはんだ接合が可能であるが、高温動作時の信頼性が低いという問題がある。また、上記特許文献１〜５のようにＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層中のＡｇ含有量を増加させる場合、材料コストが増大したり（例えばＡｇ含有量１％増につき約２０％のはんだコスト増）、高融点（例えばＳｎ１０Ａｇはんだ材（Ｓｎを９０．０重量％およびＡｇを１０．０重量％含むはんだ材）の融点は３００℃程度）となったりする。このため、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ接合層中のＡｇ含有量を増加させることは現実的でない。
【００３４】
また、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層は、パワーサイクルの熱負荷により次の問題が生じる。従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態（パワーサイクルによる熱負荷を受けた状態）を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）に示すように、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層では、パワーサイクルによる熱負荷によってＳｎ結晶粒１２１が粗大化し、Ａｇ3Ｓｎ化合物１２２は５μｍ程度の大きさの粒径に凝集・粗大化してしまう。これによって、Ａｇ3Ｓｎ化合物１２２によるＳｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界の強化がなくなるため、Ｓｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界に粒界クラック１２３が生じ、この粒界クラック１２３が隣接するＳｎ結晶粒１２１同士の結晶粒界へと進展する。
【００３５】
また、上述した従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材は、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ材に含まれるＳｂの含有量が多いほど信頼性が高くなるが、Ｓｂの含有量が多いほど融点が高くなるという問題がある。例えば、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材として一般的に用いられるＳｎ１３Ｓｂはんだ材（Ｓｎを８７．０重量％およびＳｂを１３．０重量％含むはんだ材）は融点３００℃程度である。また、融点が３００℃となる程度にＳｂの含有量を増やして信頼性を向上させたＳｎ−Ｓｂ系はんだ材であっても、１７５℃程度の環境下で半導体装置を動作させる場合において装置の使用用途等によってはさらに高い信頼性が必要となる場合がある。
【００３６】
また、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層は、パワーサイクル等の熱負荷により次の問題が生じる。従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）に示すように、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層では、Ｓｎ結晶粒１３１同士の結晶粒界が強化されていないため、応力によってはんだが歪んだ場合にＳｎ結晶粒１３１同士の結晶粒界に粒界クラック１３３が生じ、この粒界クラック１３３が隣接するＳｎ結晶粒１３１同士の結晶粒界へと進展するという問題がある。
【００３７】
また、一般的に、はんだペーストのリフロー熱処理は窒素（Ｎ2）雰囲気の炉内で行われるが、はんだペーストの耐熱性（はんだペーストの樹脂の耐熱性  ２５０℃程度）の点から３００℃以上での熱処理は困難であり、融点が３００℃程度のはんだ材は製造プロセス上使用しにくい。また、水素（Ｈ2）雰囲気の炉内ではんだペーストのリフロー熱処理を行う場合には、３００℃以上での熱処理が可能であるが、３５０℃以上の温度の熱処理によって半導体チップにダメージが生じるおそれがある。また、３００℃程度の温度で３０分間程度の長時間の熱処理を行う場合、電極材料や構造材料として用いたアルミニウム（Ａｌ）や銅が軟化し、寿命低下や形状不良が発生するおそれがある。
【００３８】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、低融点でのはんだ接合を可能とし、信頼性の高いはんだ接合層を有する半導体装置および半導体装置の製造方法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】
【００３９】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置であって、次の特徴を有する。前記はんだ接合層は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなる。そして、前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さい。
【００４０】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記はんだ接合層は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の比率で錫とアンチモンとを含む第３結晶部を有することを特徴とする。
【００４１】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であることを特徴とする。
【００４２】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であり、前記第３結晶部は、前記第１結晶部と当該第１結晶部への固溶限界を超えたアンチモンとが反応してなる結晶粒であることを特徴とする。
【００４３】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第２結晶部は、前記第１結晶部間の結晶粒界に析出していることを特徴とする。
【００４４】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第１部分の平均粒径は１μｍ以下であることを特徴とする。
【００４５】
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記はんだ接合層の融点は２６０℃以下であることを特徴とする。
【００４６】
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。まず、アンチモンを含む合金粉末とアンチモンを含まない合金粉末との混合を含むはんだペーストを前記構成部の一方の上に塗布する工程を行う。次に、熱処理により前記はんだペーストを固化して前記はんだ接合層を形成し、前記はんだ接合層によって前記構成部同士を接合する工程を行う。この前記はんだ接合層は、第１結晶部と第２結晶部と、からなる。前記第１結晶部は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む。前記第２結晶部は、錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する。前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さい。
【００４７】
上述した発明によれば、実質的に規則的に配列され均一な金属組織をなす、アンチモンが固溶した第１結晶部（錫結晶粒）と、第１結晶部同士の結晶粒界に析出した複数の第１部分（錫および銀を含む化合物）または第２部分（錫および銅を含む化合物）もしくはその両方からなる第２結晶部とによってはんだ接合層が構成され強化されている。具体的には、第１結晶部に固溶したアンチモンによって第１結晶部全体が固溶強化されているため、パワーサイクル等の熱負荷による第１結晶部の粗大化を抑制することができる。また、第１結晶部同士の結晶粒界が第２結晶部によって強化され、第１結晶部の結晶が変形しにくい。これによって、従来の錫−銀系はんだ接合層や錫−アンチモン系はんだ接合層よりも粒内クラックおよび粒界クラックの進展を抑制することができる。
【００４８】
また、上述した発明によれば、第１結晶部の一部が固溶限界を超えたアンチモンと反応して第３結晶部を構成していることにより、はんだ接合層に応力によるひずみが生じにくいため、第１結晶部の結晶をさらに変形しにくくすることができる。また、上述した発明によれば、第１，２結晶部によってはんだ接合層の融点を３００℃よりも低い温度、例えば２６０℃以下の温度とすることができる。これにより、３００℃以上の温度でのはんだ付けプロセスが必要であった従来の錫−アンチモン系はんだ接合層以上のパワーサイクル信頼性を、３００℃よりも低い温度でのはんだ付けプロセスによって得ることができる。３００℃よりも低い温度でのはんだ付けプロセスが可能であるため、半導体装置にかかる熱負荷を低減することができ、従来よりも熱負荷による悪影響の少ない半導体装置を提供することができる。なお、パワーサイクル信頼性耐量とは、半導体装置への断続的な繰返し通電に対して、発生する繰り返し発熱とそれに伴う応力によって半導体装置として必要な所定の特性が得られなくなるまでの繰り返し回数である。また、上述した発明によれば、アンチモンを含む第１粉末とアンチモンを含まない第２粉末とを混合してなる混合ペーストを用いてはんだ接合層を形成することで、１つの合金の粉末からなる均一ペーストを用いてはんだ接合層を形成する場合よりも、はんだ接合層をさらに第１〜３結晶部が実質的に規則的に配列された均一な金属組織とすることができる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、低融点でのはんだ接合を可能とし、信頼性の高いはんだ接合層を有する半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１のはんだ接合層の構成を模式的に示す説明図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施例１にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施例３にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、比較例１のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、比較例２のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図５】図５は、半導体装置のＳｂ含有量とパワーサイクル信頼性耐量との関係を示す特性図である。
【図６】図６は、半導体装置のＡｇ含有量とパワーサイクル信頼性耐量との関係を示す特性図である。
【図７】図７は、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材によるはんだ接合層の状態を模式的に示す説明図である。
【図８】図８は、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ材によるはんだ接合層の状態を模式的に示す説明図である。
【図９】図９は、図１のはんだ接合層を形成するための均一ペーストの溶融時の状態を模式的に示す説明図である。
【図１０】図１０は、図１のはんだ接合層を形成するための混合ペーストの溶融時の状態を模式的に示す説明図である。
【図１１】図１１は、実施例４にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図１２】図１２は、実施例５にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【図１３】図１３は、実施例４にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【図１４】図１４は、実施例５にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【図１５】図１５は、実施例１にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５２】
（実施の形態）
実施の形態にかかる半導体装置の構造について説明する。図１は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。図１に示すように、実施の形態にかかる半導体装置は、半導体チップ１と、セラミクス絶縁基板（ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板）などの絶縁基板２と、銅（Ｃｕ）ベース６と、を備えた、例えばモジュール構造の半導体装置である。なお、図１においては、冷却体、樹脂ケース、外部端子、ボンディングワイヤなどの図示を省略している。絶縁基板２は、絶縁層３のおもて面側に例えばＣｕなどの導体からなる回路パターン（金属箔）４が設けられ、裏面側に裏銅箔５などの金属箔が設けられている。
【００５３】
半導体チップ１の裏面は、はんだ接合層１１を介して回路パターン（金属箔）４と接合している。Ｃｕベース６のおもて面は、はんだ接合層１２を介して裏銅箔５と接合している。図示はしないが、Ｃｕベース６の裏面は、サーマルコンパウンドを介して冷却体と接合している。また、Ｃｕベース６の周縁には、外部端子の設けられた樹脂ケースが接着されている。半導体チップ１のおもて面に設けられた図示省略した電極と回路パターン（金属箔）４とは図示省略したアルミワイヤなどのワイヤボンディングによって電気的に接続されている。
【００５４】
はんだ接合層１１，１２による被接合部材同士の接合方法としては、被接合部材同士をはんだペースト等を介して接触させた後、例えば２５０℃以上３５０℃以下程度の温度で、０．５分間以上３０分間以下程度、好ましくは１分間以上５分間以下程度保持して熱処理する。その後、所定の降温速度で冷却することにより、はんだペーストを固化させ、はんだ接合層を形成する。この熱処理の昇温速度は１℃／秒程度であるが、降温速度は５℃／秒以上であるのが好ましく、８℃／秒以上１５℃／秒以下であるのがより好ましい。従来の接合方法では、はんだ接合層を形成するための熱処理の降温速度は１℃／秒であったが、所定の構成を有するはんだ接合層とすることはできず、はんだ接合層にクラックが生じてパワーサイクル信頼性が劣化していた。それに対して、本発明においては、降温速度を上記条件にすることにより、以下に示すような金属組織のはんだ接合層１１，１２とすることができる。なお、このときの炉内環境は窒素雰囲気でも水素雰囲気でもかまわない。なお、前記被接合部材は、半導体チップ、回路パターン（金属箔）４、金属箔（絶縁基板）、ヒートスプレッダ（Ｃｕベース）などの半導体装置の構成部である。具体的には、接合する構成部は、半導体チップ１と回路パターン（金属箔）４、Ｃｕベース６と裏銅箔５、リードフレームと金属箔（絶縁基板）などである。
【００５５】
はんだ接合層１１，１２は、例えば、所定の材料を所定の割合で含むはんだ材料の粉末と、フラックス（松やに等）とを混合したクリーム状のはんだペーストを用いて形成する。はんだ接合層１１，１２を形成するためのはんだペーストは、所定の表面積に濡れ広がる適度な粘性を有し、かつディスペンサなどで被接合部材上に塗布することができればよく、１種類の合金の粉末を含むはんだペースト（以下、均一ペーストとする）であってもよいし、異なる組成に調整された２種類以上の合金の粉末を含むはんだペースト（以下、混合ペーストとする）であってもよい。はんだペーストを用いて被接合部材同士を接合するには、例えば、一方の被接合部材上に、はんだ接合層１１，１２となるはんだペーストを塗布する。その後、このはんだペースト上に、他方の被接合部材を配置し、熱処理によってはんだペーストを固化させてなるはんだ接合層１１，１２を形成することで、被接合部材同士を貼り合わせ、一体化させる。なお、はんだペーストに含まれるフラックスは、半導体等で通常用いられる材料を使用してもよい。
【００５６】
また、はんだ接合層１１，１２を形成するためのはんだペーストに含まれるはんだ材料の粉末は、所定の組成に調整された粉末を用いてもよい。例えば、はんだ接合層１１，１２が８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇ（Ｓｎを８９．０重量％、Ｓｂを８．０重量％およびＡｇを３．０重量％含む）はんだ材を用いて形成されている場合、８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇ合金の粉末を使用してもよい（すなわち均一ペーストを形成）。また、はんだ接合層１１，１２を形成するためのはんだペーストに含まれるはんだ材料の粉末は、異なる組成に調整された２種類以上の合金の粉末を混合したものを用いてもよい（すなわち混合ペーストを形成）。２種類以上の合金の粉末を混合する場合、Ｓｂを含む第１粉末と、Ｓｂを含まない第２粉末とを所定の重量比で混合したはんだペーストを用いてもよい。具体的には、例えば、８１．５Ｓｎ１６Ｓｂ２．５Ａｇ合金（Ｓｎを８１．５重量％、Ｓｂを１６．０重量％およびＡｇを２．５重量％含む合金）の第１粉末と、９６．５Ｓｎ３．５Ａｇ合金（Ｓｎを９６．５重量％およびＡｇを３．５重量％含む合金）の第２粉末とを重量比で１：１に混合してはんだペーストとする。このはんだペーストを熱処理することで８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇ合金のはんだ接合層１１，１２を形成することができる。
【００５７】
次に、はんだ接合層１１，１２の構成について詳細に説明する。図２は、図１のはんだ接合層の構成を模式的に示す説明図である。はんだ接合層１１，１２の初期（パワーサイクルによる熱負荷がかかる前）の状態を図２（ａ）に示す。はんだ接合層１１，１２は、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）および銀（Ａｇ）をそれぞれ所定量含むはんだ材を用いて一般的なはんだ接合方法により形成される。はんだ接合層１１，１２は、さらにＣｕを所定の割合で含有していてもよい。この場合、はんだ接合層１１，１２は、Ｓｎ、Ｓｂ、ＡｇおよびＣｕをそれぞれ所定量含むはんだ材を用いて形成されてもよい。はんだ接合層１１，１２にＡｇが含まれていることにより、はんだ濡れ性を向上させることができる。
【００５８】
図２（ａ）に示すように、はんだ接合層１１，１２は、マトリクスとして分散した第１結晶部２１同士の結晶粒界に、第１結晶部２１よりも硬く、かつ第１結晶部２１よりも粒径（直径）の小さい微細粒状ないし柱状等の複数の第２結晶部（結晶粒）２２が析出した構造となっている。第１結晶部２１は、Ｓｎ原子に対してＳｂ原子を０より多く固溶限界以下、例えばＳｎ原子：Ｓｂ原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率でＳｎとＳｂとを含むＳｎ結晶粒であり、第１結晶部２１に固溶したＳｂによって結晶粒全体が固溶強化されており、第１結晶部２１の結晶が変形しにくくなっている。
【００５９】
また、第１結晶部２１同士の結晶粒界に複数の第２結晶部２２が析出していることにより、第１結晶部２１同士の結晶粒界が強化されて結晶が変形しにくくなっている。なお、前記Ｓｎ原子：Ｓｂ原子とは、ＳｎとＳｂとの原子数の比である。第１結晶部２１の平均粒径は、０．２μｍ以上１００μｍ以下であることが信頼性の点から好ましい。この理由は、第１結晶部２１の粒径が０．２μｍに近いほうが熱負荷に対して強く、平均粒径が１００μｍを超えるとボイドが発生したり、熱物性・機械物性等が不均一になったりして信頼性が落ちる可能性があるためである。また、第１結晶部２１の平均粒径が上記範囲の粒径である場合、第２結晶部２２が第１結晶部２１同士の結晶粒界に形成されやすいからである。
【００６０】
第２結晶部２２は、例えば、Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率でＳｎとＡｇとを含む第１金属間化合物（第１部分）２２−１である。複数の第１金属間化合物２２−１のうち、大半の第１金属間化合物２２−１の平均粒径は１０μｍ以下であることが好ましく、さらに０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが信頼性の点から好ましい。１μｍ以下の粒径を有する第１金属間化合物２２−１がはんだ接合層１１，１２に多く含まれるほど、第１結晶部２１同士の結晶粒界の強化機構が向上するため好ましい。第２結晶部２２中のＡｇ含有量は、はんだ材中のＳｂの含有量や、はんだ接合時の他の原子の存在等によって変化する。第１金属間化合物２２−１とは、ＡｇとＳｎからなるＡｇ3Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：３）化合物やＡｇ4Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：４）化合物などである。
【００６１】
第２結晶部２２は第１結晶部２１同士の結晶粒界に存在し、第１結晶部２１同士は第２結晶部２２を介して結合している部分を有している。また、第１結晶部２１同士が直接界面をなしている部分も存在しても良い。また、第２結晶部２２は、被接合部材と第１結晶部２１との間に形成されてもよく、組成の異なる他の第２結晶部２２と第１結晶部２１との間に形成されてもよい。さらに、第２結晶部２２は、後述する第３結晶部２３同士、第３結晶部２３と第１結晶部２１との間、または、第３結晶部２３と被接合部材との間に形成されてもよい。このように、第２結晶部２２が形成されることにより、第１結晶部２１の結晶粒界にクラックが生じにくくなる。このことは第１結晶部２１の結晶粒界が強化されたことを意味する。
【００６２】
第１結晶部２１の面積に対する第１金属間化合物２２−１の面積の割合（以下、第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１とする）は、例えば０％より大きく５％以下であるのがよい（０％＜Ｓ１≦５％）。第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１を０％より大きくすることにより、粒界クラックの進展を防止する効果が得られる。好ましくは、第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１は、例えば２％以上５％以下であるのがよい（２％≦Ｓ１≦５％）。その理由は、次の通りである。第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１を２％以上とすることにより、第１金属間化合物２２−１によって第１結晶部２１をほぼ完全に覆うことができるため、粒界クラックの進展を防止する効果を高めることができるからである。また、第１金属間化合物２２−１の面積比率Ｓ１が５％より大きい場合、第１金属間化合物２２−１（例えばＡｇ3Ｓｎ化合物）の粒径が大きくなるため、粒界クラックの進展を防止する効果が低くなるからである。面積比率および平均粒径は、第１金属間化合物２２−１の１μｍ程度の粒径を判別することができる、例えば倍率１５００倍のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像から、第１結晶部２１の粒径よりも十分大きな領域、例えば３０μｍ×３０μｍの領域において画像処理により算出したものである。具体的には、画像処理により粒子の輪郭を明確にし、所定の粒子を認定する。その粒子を円または多角形等で近似して面積や粒径を求める。
【００６３】
また、第２結晶部２２は、例えば、Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率でＳｎとＣｕとを含む第２金属間化合物（第２部分）２２−２であってもよい。また、第２結晶部２２は、第１金属間化合物２２−１と第２金属間化合物２２−２とで構成されていてもよい。第２金属間化合物２２−２とは、Ｃｕ6Ｓｎ5（Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝５：６）化合物やＣｕ3Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝１：３）化合物などである。第２結晶部２２中のＣｕ3Ｓｎ化合物は、Ｃｕ部材（回路パターン４や裏銅箔５）からはんだ接合層１１，１２中に溶融したＣｕがＳｎ（第１結晶部２１等）と反応して形成される。Ｃｕ3Ｓｎ化合物は、例えば２５０℃以上３５０℃以下の温度で、０．５分間以上３０分間以下、好ましくは１分間以上５分間以下程度の反応時間での熱処理によって生成されたものであり、はんだ接合層１１，１２中のＣｕ部材付近に存在する。Ｃｕ3Ｓｎ化合物が生成されるときの熱処理では、降温速度は５℃／秒以上が好ましく、８℃／秒以上１５℃／秒未満がより好ましい。
【００６４】
また、Ｃｕ3Ｓｎ化合物は、パワーサイクルによる熱負荷（１サイクル中の温度が室温（例えば２５℃）から１７５℃まで変化）によってもＣｕ部材付近のみならずＣｕの拡散によりはんだ接合層１１，１２中の全体に形成される場合もある。また、第２金属間化合物２２−２は、１サイクル中の温度が室温から、１５０℃以上２５０℃以下の範囲内の温度まで変化するパワーサイクルによる熱負荷においても同様に生成される。この理由は、次のように推測される。オン・オフを繰り返した際の半導体装置の降温速度が５℃／秒以上１０℃／秒以下の範囲内である。このことから、パワーサイクル試験における保持温度と急冷する条件とが第２結晶部２２の第２部分である第２金属間化合物２２−２（Ｃｕ−Ｓｎ化合物）の生成に適していることによるものと考えられる。
【００６５】
第２金属間化合物２２−２が生成されるにつれ、第１結晶部２１内のＳｎが消費されるため、第１結晶部２１内のＳｂ濃度が上昇する。これによって、第１結晶部２１ははんだ単体の場合よりも強化され、さらに後述する第３結晶部２３が新たに生成されて（第３結晶部２３が既に存在する場合はその数が増加して）信頼性向上効果をもたらす。はんだ接合層１１，１２によって接合される被接合部材表面として、Ｃｕの他、ニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）、ＡｇなどＳｎとの化合物を形成する他の材料を用いることによっても、Ｃｕを用いた場合と同様な効果が得られる。そして、第２金属間化合物２２−２の平均粒径は１０μｍ以下が好ましく、さらに０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが信頼性の点から好ましい。
【００６６】
このため、はんだ接合層１１，１２によるはんだ接合後に、実際に使用される前に予め熱処理を施すことにより第２金属間化合物２２−２を生成しておくのも好ましい。この熱処理の際の熱負荷は、室温から、１５０℃以上２５０℃以下の範囲内の温度まで変化する１サイクルを数秒間から数分間毎に１回以上繰り返すものである。また、この熱処理は、１５０℃以上２５０℃以下の範囲内の温度で数分間保持するものであってもよい。また、この熱処理の降温速度は５℃／秒以上が好ましく、８℃／秒以上１５℃／秒未満であるのがより好ましい。この熱処理の降温速度を１５℃／秒以上にした場合、他の部材および部材間で熱応力が生じるため好ましくない。このような急冷処理を行うためには、空冷の他に冷媒を用いてもよい。
【００６７】
第１結晶部２１の面積に対する第２金属間化合物２２−２の面積の割合（以下、第２金属間化合物２２−２の面積比率Ｓ２とする）は、例えば０％より大きく５０％以下であるのがよい（０％＜Ｓ２≦５０％）。その理由は、次の通りである。第２金属間化合物２２−２の面積比率Ｓ２が大きいほど粒界クラックの進展を防止する効果を高めることができるからである。また、第２金属間化合物２２−２の面積比率Ｓ２が５０％よりも大きい場合、第２金属間化合物２２−２が障害となり、はんだ接合時に溶融したはんだ中のボイド（気泡）が抜けにくくなるため、はんだ付け性が劣化するからである。したがって、第１結晶部２１と第２結晶部２２との面積比率は２％より大きく５５％以下であることが好ましい。
【００６８】
また、はんだ接合層１１，１２は、第１結晶部２１と第１結晶部２１への固溶限界を超えたＳｂとが反応してなる第３結晶部２３を有していてもよい。第３結晶部２３は、例えば、Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の比率でＳｎとＳｂとを含む結晶粒である。具体的には、第３結晶部２３は、ＳｎＳｂ（Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：１）化合物やＳｂ2Ｓｎ3（Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝３：２）化合物などの金属間化合物であり、第１結晶部２１よりも硬い。Ｓｎ結晶粒に対するＳｂの固溶限界（飽和量）は、はんだ接合時の熱処理温度や冷却温度、はんだ材中のＳｂの含有量、はんだ接合時の他の原子の存在等によって変化する。なお、第３結晶部２３の平均粒径は、０．１μｍ以上１００μｍ以下が信頼性の点から好ましい。これも前記第１結晶部２１の場合と同じ理由によると考えられる。また、第３結晶部２３の粒径が１００μｍよりも大きい場合、第３結晶部２３が障害となり、はんだ接合時に溶融したはんだ中のボイドが抜けにくくなるため、はんだ付け性が劣化するため好ましくない。
【００６９】
第１結晶部２１の面積に対する第３結晶部２３の面積の割合（以下、第３結晶部２３の面積比率Ｓ３とする）は、例えば０％より大きく１５％以下であるのがよい（０％＜Ｓ３≦１５％）。その理由は、次の通りである。第３結晶部２３の面積比率Ｓ３が大きいほど粒界クラックの進展を防止する効果を高めることができるからである。また、第３結晶部２３の面積比率Ｓ３が１５％よりも大きい場合、第３結晶部２３が障害となり、はんだ接合時に溶融したはんだ中のボイドが抜けにくくなるため、はんだ付け性が劣化するからである。なお、実際の第１結晶部２１、第２結晶部２２、および第３結晶部２３は複数の断面においてＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）やＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等により組成分析をおこない、良好な組成を明らかにした。
【００７０】
このような構成のはんだ接合層１１，１２のパワーサイクル信頼性試験時の状態（パワーサイクルによる熱負荷を受けた状態）を図２（ｂ）に示す。なお、パワーサイクル信頼性試験は１サイクル中の温度が発熱により室温から１７５℃まで変化する条件で、電流ＯＮ時間０．５秒〜３秒、ＯＦＦ時間０．５秒〜２０秒の繰り返し通電を加えて行った（試験時間：５０時間）。上述したように、固溶したＳｂによって第１結晶部２１全体が固溶強化されているため、パワーサイクルによる熱負荷を受けたとしても第１結晶部２１は粗大化しない。したがって、第２結晶部２２による第１結晶部２１同士の結晶粒界の析出強化機構は崩れない。このため、図２（ｂ）に示すように、１つの第１結晶部２１において粒界クラックや粒内クラック（以下、クラック２４とする）が生じたとしても、クラック２４が生じた第１結晶部２１に連続する第１結晶部２１や、第１結晶部２１同士の結晶粒界へクラック２４が進展することを低減することができる。
【００７１】
次に、はんだ接合層１１，１２を形成するためのはんだペーストの溶融メカニズムについて、まず、均一ペーストの溶融メカニズムを説明する。図９は、図１のはんだ接合層を形成するための均一ペーストの溶融時の状態を模式的に示す説明図である。図９（ａ）には均一ペーストの熱処理前の状態を示し、図９（ｂ）には均一ペーストの熱処理時の状態を示す。図９（ａ）に示すように、熱処理前の均一ペーストは、例えば、マトリクスに分散した９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒（Ｓｎを９２．０重量％およびＳｂを８．０重量％含む結晶粒）６１同士の結晶粒界に、９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１よりも粒径（直径）の小さい微細粒状ないし柱状等の複数のＡｇ3Ｓｎ化合物６２が析出された構成を有する。均一ペーストは１種類の合金の粉末のみからなるため、上述した９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１およびＡｇ3Ｓｎ化合物６２からなる構成は均一ペースト全体に一様分布されている。
【００７２】
この均一ペーストにはんだ接合層１１，１２を形成するための熱処理を行った場合、図９（ｂ）に示すように、熱処理の温度が例えば（２２１＋α）℃程度の温度に達したときにＳｂ濃度の低い部分、すなわち融点の高いＳｂを含まないＡｇ3Ｓｎ化合物６２が先に溶融される。Ａｇ3Ｓｎ化合物６２は均一ペースト全体に部分的に分散された状態で存在するため、Ａｇ3Ｓｎ化合物６２が９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１よりも早く溶融したとしても、均一ペースト全体の見かけ上の融点は９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１の融点とほぼ変わらない。したがって、均一ペーストの場合は、熱処理の温度がＡｇ3Ｓｎ化合物６２の融点に達しＡｇ3Ｓｎ化合物６２が溶融し、その後、９２Ｓｎ８Ｓｂ結晶粒６１の融点に達したときに全体が液化される。均一ペーストにおいては、熱処理時間が短い場合にボイドが発生する虞があるが、熱処理時間を長くすることで均一ペーストが濡れ広がるため、ボイドが発生しない程度に熱処理時間を設定することが好ましい。例えば、炉内の温度を２６０℃（半導体チップを載置する加熱板の温度を２３５℃）とし窒素雰囲気において２７０秒以上程度の熱処理を行った場合に、均一ペーストを用いたはんだ接合層１１，１２にボイドがほぼ発生しないことが確認されている。
【００７３】
次に、混合ペーストの溶融メカニズムを説明する。図１０は、図１のはんだ接合層を形成するための混合ペーストの溶融時の状態を模式的に示す説明図である。図１０（ａ）には混合ペーストの熱処理前の状態を示し、図１０（ｂ）には混合ペーストの熱処理時の状態を示す。図１０（ａ）に示すように、混合ペーストには、第１粉末７０−１と第２粉末７０−２が所定の重量比で分離した状態で含まれる。第１粉末７０−１は、Ｓｂを含む粉末であり、例えばＳｂが固溶したＳｎ結晶粒７１−１がマトリクスに分散した構成を有する。符号７１−２は、固溶限界を超えたＳｂが、Ｓｎ結晶粒７１−１中のＳｎの一部とともに析出したＳｎＳｂ化合物である。第２粉末７０−２は、Ｓｂを含まない粉末であり、例えばマトリクスに分散したＳｎ結晶粒７２−１同士の結晶粒界に、Ｓｎ結晶粒７２−１よりも粒径の小さい微細粒状ないし柱状等の複数のＡｇ3Ｓｎ化合物７２−２が析出された構成を有する。
【００７４】
この混合ペーストにはんだ接合層１１，１２を形成するための熱処理を行った場合、図１０（ｂ）に示すように、熱処理の温度が例えば２２１℃程度の温度に達したときにＳｂ濃度の低い部分、すなわち融点の高いＳｂを含まない第２粉末７０−２が先に溶融され液化される。すなわち、第２粉末７０−２全体が液化され、混合ペーストの一部が液化された状態となる。また、先に溶融された第２粉末７０−２は第１粉末７０−１中に拡散し（不図示）、混合ペースト全体が均一ペーストよりも短時間で液化される。このように、Ｓｂを含まないことで融点が低い第２粉末７０−２によって混合ペースト全体の見かけ上の融点が下がる。また、混合ペーストにおいては、均一ペーストを用いる場合よりも短時間で液化されることで濡れ性が向上するため、均一ペーストを用いる場合よりもボイドの発生を抑制することができる。例えば、炉内の温度を２６０℃（半導体チップを載置する加熱板の温度を２３５℃）とし窒素雰囲気において１１０秒程度の熱処理を行った場合、均一ペーストを用いたはんだ接合層１１，１２のほぼ全体にボイドが発生したが、混合ペーストを用いたはんだ接合層１１，１２にはボイドがほぼ発生しないことが確認されている。
【００７５】
上述したはんだ接合層１１，１２をパワーサイクル信頼性試験によって検証した。まず、均一ペーストを用いてはんだ接合層１１，１２を形成した場合のパワーサイクル信頼性試験結果について説明する。例えば、８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇはんだ材（Ｓｎを８９．０重量％、Ｓｂを８．０重量％、およびＡｇを３．０重量％含むはんだ材：融点約２５３℃）からなる均一ペースト（すなわち８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇ合金の粉末を含む均一ペースト、以下、はんだ材からなる均一ペーストとする）を用いたはんだ接合によって、厚さ１００μｍのはんだ接合層１１，１２を形成し、このはんだ接合層１１，１２のパワーサイクル信頼性試験時の状態を観察した。この結果を図３Ａに示す（以下、実施例１とする）。なお、実施例１の熱処理の温度は２７０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。また、８４Ｓｎ１３Ｓｂ３Ａｇはんだ材（Ｓｎを８４．０重量％、Ｓｂを１３．０重量％、およびＡｇを３．０重量％含むはんだ材：融点約２９０℃）からなる均一ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層１１，１２を形成し、このはんだ接合層１１，１２のパワーサイクル信頼性試験時の状態を観察した。この結果を図３Ｂに示す（以下、実施例３とする）。実施例３の熱処理の温度は３２０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。比較例１として、従来の８７Ｓｎ１３Ｓｂはんだ材（Ｓｎを８７．０重量％およびＳｂを１３．０重量％含むはんだ材：融点約３００℃）からなる均一ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成し、このはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を観察した。この結果を図４Ａに示す。比較例１の熱処理の温度は３２０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。図３Ａは、実施例１にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図３Ｂは、実施例３にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図４Ａは、比較例１のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図３Ａ，３Ｂ，４Ａは、半導体チップおもて面側から観察したＳＥＭ画像である（図４Ｂ，１１，１２も同様）。
【００７６】
図３Ａに示すように、実施例１のはんだ接合層３０−１には、Ｓｂが固溶した複数のＳｎ結晶粒３１がマトリクスとして分散し、Ｓｎ結晶粒３１（第１結晶部）同士の結晶粒界にＳｎ結晶粒３１（平均粒径約３０μｍ）を囲むように、０．５μｍ以下の粒径を有する微細粒状の硬いＡｇ3Ｓｎ化合物３２−１（第２結晶部の第１金属間化合物）が析出することが確認された。また、１つ以上のＳｎ結晶粒３１が固溶限界を超えたＳｂと反応してＳｎＳｂ化合物３３（第３結晶部）となり、また、はんだ接合層３０−１とＣｕ部材３０−２との接合界面付近にＣｕ6Ｓｎ5化合物３２−２（第２結晶部の第２金属間化合物）が析出することが確認された。これは、はんだ接合時（２７０℃の温度で５分間程度の熱処理など）に形成されたものであり、これによって、第２結晶部の第１金属間化合物と第２金属間化合物とが一つ乃至複数の第１結晶部を囲むように形成される。また、第２結晶部の一部はパワーサイクルによる熱負荷（１サイクル中の温度が室温から１７５℃まで変化）を経ることによって形成されたものである。そして、さらにパワーサイクルによる熱負荷を受けた後も、Ｓｎ結晶粒３１の粒径は粗大化せず、かつＡｇ3Ｓｎ化合物３２−１、Ｃｕ6Ｓｎ5化合物３２−２およびＳｎＳｂ化合物３３によるＳｎ結晶粒３１同士の結晶粒界の析出強化機構は崩れず、クラックの発生がないことが確認された。なお、第２結晶部の第２金属間化合物は、１サイクル中の温度が室温から、１５０℃以上２５０℃以下の範囲内の温度まで変化するパワーサイクルによる熱負荷においても同様に発生する。また、図３Ｂに示すように、実施例３においても、実施例１と同様に、Ｓｎ結晶粒３１、Ａｇ3Ｓｎ化合物３２−１およびＳｎＳｂ化合物３３が析出することが確認された。一方、比較例１のはんだ接合層４０では、第２結晶部がないため、熱応力によってはんだが歪むことにより、Ｓｎ結晶粒４１同士の結晶粒界にクラック４４が生じることが確認された（図４Ａ）。
【００７７】
次に、混合ペーストを用いてはんだ接合層１１，１２を形成した場合のパワーサイクル信頼性試験結果について説明する。混合ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層１１，１２を形成し、このはんだ接合層１１，１２のパワーサイクル信頼性試験時の状態を観察した。この結果を図１１，１２に示す（以下、実施例４，５とする）。図１１は、実施例４にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図１２は、実施例５にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。図１１，１２には、それぞれ、熱処理温度を２６０℃とし窒素雰囲気において３００秒（５分）間程度の熱処理をおこなった場合の実施例４，５を示す。また、熱処理温度を２３０℃（最大２３２℃）とし、窒素雰囲気において３００秒（５分）間程度の熱処理を行った場合の実施例４，５をそれぞれ図１３，１４に示す。なお、降温速度は１０℃／秒でおこなった。図１３は、実施例４にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。図１４は、実施例５にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【００７８】
実施例４は、７０Ｓｎ３０Ｓｂ合金（Ｓｎを７０．０重量％およびＳｂを３０．０重量％含む合金）の第１粉末と、９６Ｓｎ４Ａｇ合金（Ｓｎを９６．０重量％およびＡｇを４．０重量％含む合金）の第２粉末とを混合してなる混合ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成した。実施例４において、第１粉末と第２粉末との重量比は１：２．８である。実施例５は、７０Ｓｎ３０Ｓｂ合金（Ｓｎを７０．０重量％およびＳｂを３０．０重量％含む合金）の第１粉末と、９６Ｓｎ４Ａｇ合金（Ｓｎを９６．０重量％およびＡｇを４．０重量％含む合金）の第２粉末とを混合してなる混合ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成した。実施例５において、第１粉末と第２粉末との重量比は１：１である。また、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、実施例４，５においても、実施例１と同様に、第３結晶部（ＳｎＳｂ化合物）が形成されていることが確認された。図１１，１２には、第１，３結晶部をまとめて符号８１で示す。また、比較として、熱処理温度を２３０℃（最大２３２℃）とし、窒素雰囲気において３００秒（５分）間程度の熱処理を行った場合の実施例１を図１５に示す。図１５は、実施例１にかかるはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の別の状態を示す断面図である。
【００７９】
図１１，１２に示す結果より、混合ペーストを用いたはんだ接合による実施例４，５においても、８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇはんだ材からなる均一ペーストを用いたはんだ接合による実施例１と同様に（図３Ａ）、第１結晶部（第３結晶部を含む）８１および第２結晶部８２が形成されることが確認された。すなわち、混合ペーストを用いてはんだ接合層１１，１２を形成した場合においても、均一ペーストを用いてはんだ接合層１１，１２を形成した場合と同様に、はんだ接合層１１，１２を、第１結晶部（第３結晶部を含む）８１および第２結晶部８２が実質的に規則的に配列された均一な金属組織とすることができることが確認された。また、実施例４，５においては、実施例１よりも第１結晶部（第３結晶部を含む）８１および第２結晶部８２ともにさらに微細化され、さらに均一な金属組織とすることができることが確認された。すなわち、混合ペーストを用いることにより、均一ペーストを用いる場合よりも、第３結晶部が凝集して第１，３結晶部が粗大化することを抑制することができる。その理由は、次の通りである。
【００８０】
図１３，１４に示すように、混合ペーストを用いた実施例４，５においては、２３０℃程度で溶融していることが確認された。一方、図１５に示すように、均一ペーストを用いた実施例１においては、半導体チップを載置する加熱板の温度が２３０℃程度では溶融しないことが確認された。また、図示省略するが、均一ペーストを用いた実施例１においては、半導体チップを載置する加熱板の温度が２６０℃程度であっても完全に溶融せず、ボイドが発生することが確認されている。混合ペーストを用いた実施例４，５が均一ペーストを用いた実施例１よりも短時間に溶融されるのは、混合ペースト中の、Ｓｂを含まない第２粉末が先に溶融し、Ｓｂを含む第１粉末中に拡がるからであると推測される。そして、実施例４，５において、このように、混合ペーストの液化が短時間で進むことで、第１結晶部（第３結晶部を含む）８１および第２結晶部８２の微細化が進むと推測される。
【００８１】
次に、はんだ接合層１１，１２中のＳｂ含有量について説明する。図５は、半導体装置のＳｂ含有量とパワーサイクル信頼性耐量との関係を示す特性図である。Ｓｎを（１００−ｘ−ｙ）重量％、Ｓｂをｘ重量％、およびＡｇをｙ重量％含む（１００−ｘ−ｙ）ＳｎｘＳｂｙＡｇはんだ材によるはんだ接合層１１，１２について、上記実施例１（８９Ｓｎ８Ｓｂ３Ａｇはんだ材からなる均一ペーストによるはんだ接合層）および上記比較例１（８７Ｓｎ１３Ｓｂはんだ材からなる均一ペーストによるはんだ接合層）および上記実施例３（８４Ｓｎ１３Ｓｂ３Ａｇはんだ材からなる均一ペーストによるはんだ接合層）の他に、実施例２および比較例２の試料を作製してパワーサイクル信頼性耐量を測定した結果を図５に示す。比較例２は、９７Ｓｎ３Ａｇはんだ材（Ｓｎを９７．０重量％およびＡｇを３．０重量％含むはんだ材）からなる均一ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成した。比較例２の熱処理の温度は２８０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。実施例２は、９０Ｓｎ８Ｓｂ２Ａｇはんだ材（Ｓｎを９０．０重量％、Ｓｂを８．０重量％、およびＡｇを２．０重量％含むはんだ材）からなる均一ペーストを用いたはんだ接合によってはんだ接合層を形成した。実施例２の熱処理の温度は２７０℃で、保持時間は５分間、降温速度は１０℃／秒とした。
【００８２】
Ｓｎを９７重量％およびＡｇを３重量％含む試料、すなわちＳｂ含有量を０重量％とし、Ａｇ含有量を３重量％とした■印（パワーサイクル信頼性耐量＝１００％）は、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層を示している（比較例２）。この比較例２を基準として図５の縦軸に示すパワーサイクル信頼性耐量（％）が算出されている。図５の横軸にはＳｂ含有量（重量％）を示す。また、図５の基準線５１ははんだ材の融点２６０℃付近を示しており、基準線５１よりも左側に進むほど低融点であり、基準線５１よりも右側に進むほど高融点であることを示している。図４Ｂに、比較例２のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図を示す。図４Ｂは、比較例２のはんだ接合層のパワーサイクル信頼性試験時の状態を示す断面図である。
【００８３】
また、これら実施例１〜３の組成は、組成分析の結果、次のとおりであった。第１結晶部は、Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）であり、第２結晶部の第１金属間化合物（第１部分）は、Ａｇ3Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：３）化合物やＡｇ4Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：４）化合物などであり、Ｓｎ原子：Ａｇ原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の範囲であった。また、第２結晶部の第２金属間化合物（第２部分）は、Ｃｕ6Ｓｎ5（Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝５：６）化合物やＣｕ3Ｓｎ（Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝１：３）化合物などが主であり、Ｓｎ原子：Ｃｕ原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の範囲であった。第３結晶部は、ＳｎＳｂ（Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：１）化合物やＳｂ2Ｓｎ3（Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝３：２）化合物であり、Ｓｎ原子：Ｓｂ原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の範囲であった。そして、第２結晶部の平均粒径は、第１結晶部の平均粒径よりも小さいことが断面ＳＥＭ観察により観察された。
【００８４】
図５に示す結果より、実施例１〜３においては、Ｓｂ含有量を０重量％よりも多くすることにより比較例２よりもパワーサイクル信頼性耐量を向上させることができることが確認された。また、Ｓｂ含有量が増えるほどパワーサイクル信頼性耐量を向上させることができることが確認された。具体的には、２５０℃（実施例１，２を作製するためのはんだ材の融点）付近において比較例２の２倍程度のパワーサイクル信頼性耐量が得られ、２９０℃（実施例３を作製するためのはんだ材の融点）付近において比較例２の２倍より大きいパワーサイクル信頼性耐量が得られることが確認された。これらの実施例１〜３においては、図３Ａ，３Ｂに示すように、クラック等は確認されなかった。したがって、本願発明にかかる半導体装置は、１７５℃程度の環境下で使用され高信頼性が要求される例えば自動車に搭載される半導体装置や新エネルギー用途の半導体装置にも十分に対応可能であることが確認された。一方、比較例２の場合、図４Ｂに示すように、Ｓｂの入っていない従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ材料と同様に、はんだ接合層４０においてＡｇＳｎ化合物４２の粒径が５μｍ程度に粗大化し、クラック４４を生じることが確認された。このことが原因で、パワーサイクル信頼性耐量が劣っていると考えられる。また、Ｓｂ含有量が１５重量％よりも多い場合（図５の符号５２で示す点線よりも右側に進んだ場合）、はんだ材の融点が上昇し過ぎたり、はんだ濡れ性が低下したりすることが確認された。このため、はんだ接合層１１，１２中のＳｂ含有量は０重量％よりも多く１５重量％以下であるのが好ましい。
【００８５】
次に、はんだ接合層１１，１２中のＡｇ含有量について説明する。図６は、半導体装置のＡｇ含有量とパワーサイクル信頼性耐量との関係を示す特性図である。Ｓｎを（１００−ｘ−ｙ）重量％、Ｓｂをｘ重量％、およびＡｇをｙ重量％含む（１００−ｘ−ｙ）ＳｎｘＳｂｙＡｇはんだ材によるはんだ接合層１１，１２について、パワーサイクル信頼性耐量を測定した結果を図６に示す。
【００８６】
Ｓｎを９７重量％およびＡｇを３重量％含む試料、すなわちＳｂ含有量を０重量％とし、Ａｇ含有量を３重量％とした▲印（パワーサイクル信頼性耐量＝１００％）は、上述した比較例２である。この比較例２を基準として図６の縦軸に示すパワーサイクル信頼性耐量（％）が算出されている。図６の横軸にはＡｇ含有量（重量％）を示す。また、Ｓｎを８７重量％およびＳｂを１３重量％含む試料、すなわちＳｂ含有量を１３重量％とし、Ａｇ含有量を０重量％とした■印（パワーサイクル信頼性耐量＝１５０％程度）は、従来のＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層を示している（比較例１）。
【００８７】
図６に示す結果より、Ｓｂ含有量が０重量％よりも多く、かつ、Ａｇ含有量を０重量％よりも多くすることにより、比較例１，２よりもパワーサイクル信頼性耐量を向上させることができることが確認された。また、Ａｇ含有量が増えるほどパワーサイクル信頼性耐量を向上させることができることが確認された。さらに、Ａｇ含有量が３重量％よりも多い場合（符号５３で示す点線よりも右側に進んだ場合）、はんだ付け性が低下したり、材料コストが上昇したりすることが確認された。このため、はんだ接合層１１，１２中のＡｇ含有量は０重量％よりも多く３重量％以下であるのが好ましい。
【００８８】
以上、説明したように、実施の形態（実施例２）によれば、実質的に規則的に配列され均一な金属組織をなす、Ｓｂが固溶した第１結晶部（Ｓｎ結晶粒）と、マトリクスとして分散した第１結晶部同士の結晶粒界に析出した複数の第２結晶部とによってはんだ接合層が構成され強化されている。第２結晶部の平均粒径は、第１結晶部の平均粒径よりも小さく、第１結晶部の平均粒径は３０μｍであり、第２結晶部の平均粒径は０．８μｍであった。具体的には、第１結晶部に固溶したＳｂによって第１結晶部全体が固溶強化されているため、パワーサイクル等の熱負荷による第１結晶部の粗大化を抑制することができる。また、第１結晶部よりも硬い微細粒状の第２結晶部である第１金属間化合物（ＳｎおよびＡｇを含む化合物）によって、マトリクス状に分散した第１結晶部同士の結晶粒界が強化され、第１結晶部の結晶が変形しにくい。これによって、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層やＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層よりも粒内クラックおよび粒界クラックの進展を抑制することができ、パワーサイクル信頼性を向上させることができる。
【００８９】
また、実施の形態（実施例１，３）によれば、第１結晶部の一部が固溶限界を超えたＳｂと反応して第３結晶部を構成していることにより、はんだ接合層に応力によるひずみが生じにくいため、第１結晶部の結晶をさらに変形しにくくすることができる。かつ、第３結晶部は第１結晶部よりも硬いため、粒内クラックの進展をさらに抑制することができる。これによって、パワーサイクル信頼性耐量をさらに向上させることができる。また、実施の形態によれば、第２結晶部がはんだとＣｕ部材との接合時およびパワーサイクルによる熱負荷によって形成される第２金属間化合物（ＳｎおよびＣｕを含む化合物）を有するものであってもよく、第２結晶部として第１金属間化合物（第１部分）に加えて、さらに第２金属間化合物（第２部分）を含むことにより、マトリクスとして分散した第１結晶部同士の結晶粒界がさらに強化される。これによって、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ接合層やＳｎ−Ｓｂ系はんだ接合層よりも粒界クラックの進展をさらに抑制することができる。したがって、パワーサイクル信頼性耐量をさらに向上させることができる。
【００９０】
また、実施の形態によれば、Ａｇを高濃度添加することなく、第１，２結晶部または第３結晶部を所定の粒径および組成に形成することによってはんだ接合層の融点を３００℃よりも低い温度、例えば２６０℃以下（例えば２３０℃程度）の温度とすることができる。すなわち、これにより、３００℃以上の温度でのはんだ付けプロセスが必要であった従来のＳｎ−Ｓｂ系等はんだ接合層以上のパワーサイクル信頼性耐量を、３００℃よりも低い温度でのはんだ付けプロセスによって得ることができる。３００℃よりも低い温度でのはんだ付けプロセスが可能であるため、半導体装置にかかる熱負荷を低減することができ、従来よりも熱負荷による悪影響の少ない信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、実施の形態によれば、Ｓｂを含む第１粉末とＳｂを含まない第２粉末とを混合してなる混合ペーストを用いてはんだ接合層を形成することで、１つの合金の粉末からなる均一ペーストを用いてはんだ接合層を形成する場合よりも、はんだ接合層をさらに第１〜３結晶部が実質的に規則的に配列された均一な金属組織とすることができる。そして、パワーサイクル信頼性耐量は、実施例４は２３０（％）であり、実施例５は２４０（％）であった。このように、第１〜３結晶部が実質的に規則的に配列された均一な金属組織となり、第１、第２結晶部が微細化することでパワーサイクル信頼性を向上させることができる。
【００９１】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、半導体装置が複数のはんだ接合層を備える場合、これらのはんだ接合層は上述した構成の範囲内であればともに同一組成を有していてもよいし、異なる組成を有していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、はんだ接合層を介して半導体チップや回路パターンなどの各部材を接合したパッケージ構造の半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１  半導体チップ
２  絶縁基板
３  絶縁層
４  回路パターン（金属箔）
５  裏銅箔
６  銅ベース
１１，１２  はんだ接合層
２１  第１結晶部（Ｓｂが固溶したＳｎ結晶粒）
２２  第２結晶部
２２−１  第１金属間化合物（ＳｎおよびＡｇを含む化合物）
２２−２  第２金属間化合物（ＳｎおよびＣｕを含む化合物）
２３  第３結晶部（第１結晶部と第１結晶部への固溶限界を超えたＳｂとが反応してなるＳｎ結晶粒）
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月5日(2016.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置であって、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さく、
前記はんだ接合層は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の比率で錫とアンチモンとを含む第３結晶部を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置であって、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さく、
前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であり、
前記第３結晶部は、前記第１結晶部と当該第１結晶部への固溶限界を超えたアンチモンとが反応してなる結晶粒であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２結晶部は、前記第１結晶部間の結晶粒界に析出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１部分の平均粒径は１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項６】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置であって、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さく、
前記第２結晶部は、前記第１結晶部間の結晶粒界に析出していることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置であって、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さく、
前記第１部分の平均粒径は１μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記はんだ接合層の融点は２６０℃以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項９】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置の製造方法であって、
アンチモンを含む合金粉末とアンチモンを含まない合金粉末との混合を含むはんだペーストを前記構成部の一方の上に塗布する工程と、
熱処理により前記はんだペーストを固化して前記はんだ接合層を形成し、前記はんだ接合層によって前記構成部同士を接合する工程を含み、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さく、
前記はんだ接合層は、錫原子：アンチモン原子＝１：ｓ（０．８≦ｓ≦１．６）の比率で錫とアンチモンとを含む第３結晶部を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置の製造方法であって、
アンチモンを含む合金粉末とアンチモンを含まない合金粉末との混合を含むはんだペーストを前記構成部の一方の上に塗布する工程と、
熱処理により前記はんだペーストを固化して前記はんだ接合層を形成し、前記はんだ接合層によって前記構成部同士を接合する工程を含み、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さく、
前記第１結晶部は、アンチモンが固溶した錫結晶粒であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置の製造方法であって、
アンチモンを含む合金粉末とアンチモンを含まない合金粉末との混合を含むはんだペーストを前記構成部の一方の上に塗布する工程と、
熱処理により前記はんだペーストを固化して前記はんだ接合層を形成し、前記はんだ接合層によって前記構成部同士を接合する工程を含み、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さく、
前記第２結晶部は、前記第１結晶部間の結晶粒界に析出していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
はんだ接合層によって１組の構成部の間が接合された半導体装置の製造方法であって、
アンチモンを含む合金粉末とアンチモンを含まない合金粉末との混合を含むはんだペーストを前記構成部の一方の上に塗布する工程と、
熱処理により前記はんだペーストを固化して前記はんだ接合層を形成し、前記はんだ接合層によって前記構成部同士を接合する工程を含み、
前記はんだ接合層は、
錫原子：アンチモン原子＝１：ｐ（０＜ｐ≦０．１）の比率で錫とアンチモンとを含む第１結晶部と、
錫原子：銀原子＝１：ｑ（２≦ｑ≦５）の比率で錫と銀とを含む第１部分、および、錫原子：銅原子＝１：ｒ（０．４≦ｒ≦４）の比率で錫と銅とを含む第２部分の少なくとも一方を有する第２結晶部と、からなり、
前記第２結晶部の平均粒径は、前記第１結晶部の平均粒径よりも小さく、
前記第１部分の平均粒径は１μｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【国際調査報告】
2014181883.tif 000020
2014181883.tif 000021
2014181883.tif 000022