(57)【要約】  半導体チップ１と、半導体チップ１とはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２を介して接続された被接続部材５と、半導体チップ１と電気的に接続された外部端子と、を有する半導体装置２０である。そして、半導体装置２０における上記はんだ合金２は、Ｃｕ５〜１０重量％と、Ｂｉ１重量％以上４重量％以下、Ｓｂ１重量％以上１０重量％未満およびＩｎ１重量％以上４重量％以下のうちの何れか１つまたは２つ以上と、残部Ｓｎと、からなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ５〜１０重量％と、
Ｂｉ１重量％以上４重量％以下、Ｓｂ１重量％以上１０重量％未満およびＩｎ１重量％以上４重量％以下のうちの何れか１つもしくは２つ以上と、
残部Ｓｎと、
からなるはんだ組成である、鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金において、
前記Ｂｉ、前記Ｓｂおよび前記Ｉｎのうち、前記Ｂｉを１重量％以上４重量％以下添加する、鉛フリーはんだ合金。
【請求項３】
請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金において、
前記Ｂｉ、前記Ｓｂおよび前記Ｉｎのうち、前記Ｉｎを１重量％以上４重量％以下添加する、鉛フリーはんだ合金。
【請求項４】
請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金において、
前記Ｂｉ、前記Ｓｂおよび前記Ｉｎのうち、前記Ｓｂを１重量％以上１０重量％未満添加する、鉛フリーはんだ合金。
【請求項５】
請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金において、
前記Ｂｉ、前記Ｓｂおよび前記Ｉｎのうち、前記Ｂｉを１重量％以上４重量％以下および前記Ｉｎを１重量％以上４重量％以下添加する、鉛フリーはんだ合金。
【請求項６】
請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金において、
前記Ｂｉ、前記Ｓｂおよび前記Ｉｎのうち、前記Ｂｉを１重量％以上４重量％以下および前記Ｓｂを１重量％以上１０重量％未満添加する、鉛フリーはんだ合金。
【請求項７】
請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金において、
前記Ｂｉ、前記Ｓｂおよび前記Ｉｎのうち、前記Ｉｎを１重量％以上４重量％以下および前記Ｓｂを１重量％以上１０重量％未満添加する、鉛フリーはんだ合金。
【請求項８】
半導体チップと、
前記半導体チップと鉛フリーはんだ合金を介して接続されたチップ支持部材と、
前記半導体チップと電気的に接続された外部端子と、
を有し、
前記鉛フリーはんだ合金は、
Ｃｕ５〜１０重量％と、
Ｂｉ１重量％以上４重量％以下、Ｓｂ１重量％以上１０重量％未満およびＩｎ１重量％以上４重量％以下のうちの何れか１つもしくは２つ以上と、
残部Ｓｎと、
からなる、半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記鉛フリーはんだ合金では、前記Ｂｉ、前記Ｓｂおよび前記Ｉｎのうち、前記Ｂｉを１重量％以上４重量％以下添加する、半導体装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記鉛フリーはんだ合金では、前記Ｂｉ、前記Ｓｂおよび前記Ｉｎのうち、前記Ｉｎを１重量％以上４重量％以下添加する、半導体装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記鉛フリーはんだ合金では、前記Ｂｉ、前記Ｓｂおよび前記Ｉｎのうち、前記Ｓｂを１重量％以上１０重量％未満添加する、半導体装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記チップ支持部材は絶縁性基板であり、
前記絶縁性基板と前記鉛フリーはんだ合金を介して接続された放熱部材を有する、半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体装置において、
前記鉛フリーはんだ合金と前記半導体チップとの接続部の界面、前記鉛フリーはんだ合金と前記絶縁性基板との接続部の界面、および前記鉛フリーはんだ合金と前記放熱部材との接続部の界面に、それぞれＮｉめっき層が形成されている、半導体装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記チップ支持部材と前記鉛フリーはんだ合金との接続部の界面、および前記半導体チップと前記鉛フリーはんだ合金との接続部の界面に、それぞれＣｕ−Ｓｎ化合物が形成されている、半導体装置。
【請求項１５】
請求項８に記載の半導体装置において、
鉄道の車両に設けられたインバータに搭載されている、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛フリーはんだ合金および半導体装置に関し、特に高温環境下で使用する鉛フリーはんだ合金およびそれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電機・電子機器の部品の電気的接続に使用されている接続部材であるはんだには、一般的に鉛が含まれていたが、近年、環境への意識が高まる中、人体への有害性が指摘される鉛の規制が始まっている。【０００３】
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）や、電機・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)指令が施行された。【０００４】
これまで、高耐熱性が要求される半導体装置、特に自動車や建機、鉄道、情報機器分野等に用いられる半導体装置の接続部材としては鉛（Ｐｂ）入りはんだが使用されてきたが、環境負荷低減のため鉛フリーの接続部材とすることが強く要求されている。【０００５】
また、近年、高温動作が可能で、かつ機器の小型軽量化が可能なＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体の開発が推し進められている。なお、Ｓｉ（シリコン）の半導体素子は動作温度の上限が１５０〜１７５℃であるのに対し、ＳｉＣ半導体素子は１７５℃以上での使用が想定されている。【０００６】
そして、使用環境温度が高温になると、接続界面の反応が速くなるため界面の安定性が求められる。また、素子に電流の通電と遮断とが繰り返されるため、熱応力が繰り返し加わり、したがって、耐通電熱疲労性や環境温度の変化による耐クラック性、多段階のはんだ接続への適合性も要求される。【０００７】
上記要求に対応するために、鉛フリーで、かつ高い耐熱性を持ち高信頼の接続技術が必要となっている。【０００８】
このような高温はんだ合金として、例えば特許文献１に記載の技術では、はんだ付け部の組成が、Ｓｂが１０〜４０質量％、Ｃｕが０．５〜１０質量％、残部Ｓｎからなるはんだ組成物に機械的強度を向上させるために、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｂｉの元素のいずれか１種または２種以上を添加し、酸化抑制元素としてＧｅ、Ｇａのいずれか１種以上を添加している。【０００９】
また、特許文献２に記載の技術では、電子部品と銅焼成の回路導体とを有するハイブリッドＩＣの、上記電子部品と上記回路導体とをリフローではんだ付けする時に用いる鉛フリーはんだ合金として、組成が、Ｓｂ１〜１０重量％、Ｃｕ１〜４重量％、Ｂｉ１〜６重量％、Ｉｎ１〜５重量％、残部Ｓｎであり、かつ固相線温度が２００℃以上である鉛フリーはんだ合金が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２５５１７６号公報
【特許文献２】特開平１１−７７３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記特許文献１に記載の技術では、Ｓｂを１０〜４０質量％含むことにより、はんだ合金が硬くなってしまい熱応力が加わった場合に素子が割れてしまう課題や、クラックの進展が速くなり信頼性が低下するという課題がある。【００１２】
また、上記特許文献２に記載の技術では、Ｃｕ１〜４重量％を含有させてＣｕと鉛フリーはんだ合金とを接続した場合、ＣｕとＣｕ―Ｓｎ化合物が直接接することにより１７５℃以上の環境下で界面安定性を保つことができない。【００１３】
また、Ｎｉめっきを形成した部材に接続した場合においても、接続界面には界面拡散を防止する効果が小さいＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ化合物が多く形成され、１７５℃以上の環境下で界面安定性を保つことができず、信頼性が低下するという課題がある。【００１４】
本発明の目的は、高温環境下における鉛フリーはんだ合金および半導体装置のはんだ接続の接続信頼性を向上させることができる技術を提供することにある。【００１５】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、以下のとおりである。【００１７】
本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕ５〜１０重量％と、Ｂｉ１重量％以上４重量％以下、Ｓｂ１重量％以上１０重量％未満およびＩｎ１重量％以上４重量％以下のうちの何れか１つもしくは２つ以上と、残部Ｓｎと、からなるはんだ組成である。【００１８】
本発明の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップと鉛フリーはんだ合金を介して接続されたチップ支持部材と、前記半導体チップと電気的に接続された外部端子と、を有する。そして、上記鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕ５〜１０重量％と、Ｂｉ１重量％以上４重量％以下、Ｓｂ１重量％以上１０重量％未満およびＩｎ１重量％以上４重量％以下のうちの何れか１つもしくは２つ以上と、残部Ｓｎと、からなる。
【発明の効果】
【００１９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。【００２０】
高温環境下における鉛フリーはんだ合金および半導体装置のはんだ接続の接続信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態の半導体装置の主要部の構造の一例を示す部分断面図である。
【図２】図１に示す半導体装置におけるはんだ接続部の接続前と接続後の構造の一例を示す部分断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置のＡ部の構造を示す拡大部分断面図である。
【図４】図１に示すはんだ合金層の水平方向の構造の一例を示す平面図である。
【図５】図１に示すはんだ合金層の温度サイクル試験後の水平方向の構造の一例を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金におけるＣｕの添加量に対するＣｕ−Ｓｎ化合物の割合と、Ｎｉめっき消失厚さの一例を示すデータ図である。
【図７】比較例のはんだ合金を用いて接続した時の接続界面の構造を示す部分断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いて接続した時の接続界面の構造を示す部分断面図である。
【図９】本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置（半導体モジュール）の構造の一例を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置（交流発電機用半導体モジュール）の構造の一例を示す断面図である。
【図１１】本発明の各実施例と比較例の評価の結果を示す評価結果図である。
【図１２】図１１に示す一部の実施例と比較例のはんだ合金に対して通電熱疲労試験を行った結果を示す評価結果図である。
【図１３】本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置が搭載された鉄道の車両の一例を示す部分側面図である。
【図１４】図１３に示す車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００２３】
さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
【００２４】
また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
【００２５】
また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００２６】
また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。
【００２７】
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、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００２８】
＜実施の形態＞
図１は本発明の実施の形態の半導体装置の主要部の構造の一例を示す部分断面図、図２は図１に示す半導体装置におけるはんだ接続部の接続前と接続後の構造の一例を示す部分断面図、図３は図１に示す半導体装置のＡ部の構造を示す拡大部分断面図である。さらに、図４は図１に示すはんだ合金層の水平方向の構造の一例を示す平面図、図５は図１に示すはんだ合金層の温度サイクル試験後の水平方向の構造の一例を示す平面図である。
【００２９】
まず、図１に示す、本実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置の主要部の構成について説明する。
【００３０】
図１に示す半導体装置２０は、半導体素子である半導体チップ１が、チップ支持部材であるセラミック基板（絶縁性基板）５上に、はんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２を介してはんだ接続されている。
【００３１】
なお、はんだ合金２は、鉛（Ｐｂ）を含有していないはんだである。
【００３２】
さらに、セラミック基板５の上面５ａの表面には、Ｎｉめっき層３が形成されており、このＮｉめっき層３上にはんだ合金２が配置されている。また、はんだ合金２と半導体チップ１との接続部にもＮｉめっき層３が形成されている。
【００３３】
次に、図２を用いて、半導体装置２０の主要部の組み立てについて説明する。まず、はんだ箔２ａを、Ｎｉめっき層３を形成したチップ支持部材であるセラミック基板５と半導体チップ１とによって挟み込む。
【００３４】
すなわち、上面５ａの表面にＮｉめっき層３が形成されたセラミック基板５のＮｉめっき層３上に、はんだ箔２ａを配置し、さらに、はんだ箔２ａ上に、裏面１ｂにＮｉめっき層３が形成された半導体チップ１を配置してセラミック基板５と半導体チップ１とによってはんだ箔２ａを挟んだ状態とする。
【００３５】
なお、はんだ箔２ａには、Ｃｕ−Ｓｎ化合物６が含まれている。そして、半導体チップ１とセラミック基板５とによってはんだ箔２ａを挟んだ構造体を２８０℃以上に加熱する。上記加熱により、Ｃｕ−Ｓｎ化合物（例えばＣｕ6 Ｓｎ5 ）６が接続界面上に析出あるいは移動し、Ｎｉめっき層３上（はんだ合金２側）にＣｕ−Ｓｎ系化合物層４が形成される。
【００３６】
また、はんだ中に含んでいるＢｉ、Ｉｎ、ＳｂはＳｎ相に固溶する。接続後の構造として、図２の加熱後に示すように、セラミック基板５に施されたＮｉめっき層３上にＣｕ−Ｓｎ系化合物層４が形成され、その間にはんだ中に含んでいるＢｉ、Ｉｎ、Ｓｂが固溶したＳｎを主体とするはんだ合金２が形成される。
【００３７】
図３は、図１に示すはんだ接続部のＡ部の詳細構造を示すものであり、１７５℃以上の高温環境下に長時間さらされても、Ｃｕ−Ｓｎ系化合物層４を主体とした化合物層が接続界面とはんだ合金２とのバリア層となる。その結果、接続界面での反応による化合物層の成長およびそれに伴うボイドの形成を抑制することができる。また、Ｓｎ相にＢｉ、Ｉｎ、Ｓｂを固溶させることにより、機械的特性を向上させることができ、かつ高温での耐亀裂進展性等の信頼性を向上させることができる。
【００３８】
このようにして接続した半導体チップ１とセラミック基板５を含む半導体装置２０のはんだ合金２の接続部において、超音波探傷によりボイド面積率を測定したものを図４に示す。このボイド率は、接続部であるはんだ合金２（図４のハッチング部）の平面方向において、ボイド７の全面積を接続層の平面方向の面積で割って算出したものである。
【００３９】
ここで、温度サイクル試験によってはんだ層で発生するクラックについて説明する。図５は、−５５℃に１５分、２００℃に１５分を１サイクルとして、５００サイクル程度の温度サイクル試験を行った後に、熱応力によってはんだ接続部に生じたクラックを示すものである。
【００４０】
このようにして試験した図２に示す半導体装置２０のはんだ接続部を超音波探傷によりクラック進展率を測定した。クラック進展率は、接続部であるはんだ合金２（図５のハッチング部）の平面方向において、クラック進展部８の全面積を接続層の平面方向の面積で割って算出したものである。
【００４１】
なお、ボイド率が１０％を超えると、温度サイクル試験により、ボイド周辺から優先的にクラックが進展し、早期に信頼性が低下する等の課題が発生する。したがって、ボイド率を小さくすることにより長期的に信頼性を確保することができる。
【００４２】
また、半導体チップ１に通電することにより熱が発生するが、クラック進展率が２０％を超えると半導体チップ１で発生した熱の引けが悪くなり、半導体チップ近傍の温度が上昇して信頼性が急速に低下する。
【００４３】
ここで、半導体チップ１や基板等の被接続部材の素材については、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｆｅ−ＮｉやＦｅ−Ｃｏ等のＦｅ系合金等、様々な金属、合金が適用可能である。ただし、被接続部材はＮｉメタライズが施されていることが好ましい。
【００４４】
これは、図２に示すように、Ｎｉめっき層３上にＣｕ−Ｓｎ系化合物層４のバリア層が形成されることにより、接続界面を安定に保つことができ、高温環境下でより良好な信頼性を維持できるためである。
【００４５】
なお、被接続部材の表面のメタライズがＮｉの場合は、Ｎｉ自身の酸化が問題となり、濡れ性が阻害される場合がある。そのため、Ｎｉの上に、酸化しにくいＡｕやＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄを積層させてもよい。つまり、被接続部材の表面にはＮｉ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｇ等のメタライズが施されていることが好ましい。
【００４６】
このようなメタライズが施されていることにより、半導体チップ１は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＮ等どのような半導体チップ１であっても接続することができる。基板についても、上記のメタライズを付けることで、Ｃｕ、Ａｌ、４２アロイや、ＣＩＣ（Copper Invar Copper)、または、ＤＢＣ（Direct Bond Copper）、ＤＢＡ（Direct Bond Aluminum）等の金属を貼り合わせたセラミック基板（絶縁性基板）等、どのような部材に対しても信頼性の高い接続を実現することができる。
【００４７】
なお、Ｎｉメタライズが付いた被接続部材を、本実施の形態のはんだ合金２により接続した場合の接続後の構造を詳細に書けば、被接続部材／Ｎｉ／Ｃｕ−Ｓｎ系化合物／はんだ合金／Ｃｕ−Ｓｎ系化合物／Ｎｉ／被接続部材となる。
【００４８】
上記の例は、半導体チップ１と基板の接続について説明したが、このような構成は、半導体チップ１とリード、半導体チップ１と放熱基板（部材）、半導体チップ１とフレーム、半導体チップ１と絶縁性基板、または半導体チップ１と一般的な電極との接続についても適用することができる。
【００４９】
また、上記で説明した構成は、半導体チップ１と基板の接続に限らず、一般的に、第１の被接続部材と第２の被接続部材とを本実施の形態の被接続部材によって接続する場合にも適用することができる。例えば、金属板と金属板、金属板とセラミック基板等の接続に適用することができる。
【００５０】
次に、具体的に評価を行った実施例および比較例について説明する。
【００５１】
図６は本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金におけるＣｕの添加量に対するＣｕ−Ｓｎ化合物の割合と、Ｎｉめっき消失厚さの一例を示すデータ図、図７は比較例のはんだ合金を用いて接続した時の接続界面の構造を示す部分断面図、図８は本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いて接続した時の接続界面の構造を示す部分断面図である。
【００５２】
また、図９は本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体モジュールの構造の一例を示す断面図、図１０は本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた交流発電機用半導体モジュールの構造の一例を示す断面図である。さらに、図１１は本発明の各実施例と比較例の評価の結果を示す評価結果図、図１２は図１１に示す一部の実施例と比較例のはんだ合金に対して通電熱疲労試験を行った結果を示す評価結果図である。
【００５３】
以下、図１１に示す実施例１〜２２と比較例１〜９に対してその評価結果を説明する。まず、図１１は、実施例１〜２２と比較例１〜９とに示す条件で半導体装置２０をそれぞれ製造し、ボイド率、界面安定性、温度サイクル信頼性を評価し、さらに総合評価を行い、それらの結果を示したものである。
【００５４】
なお、半導体装置２０は、まず、１５ｍｍ角のＮｉめっき付きＣｕ板の被接続部材５、実施例１〜２２の条件のはんだ箔２ａの接続部材、および１０ｍｍ角で、かつ厚さ０．３ｍｍのＮｉめっき付きの半導体チップ１を積み重ねてチップ構造体を形成する。そして、このチップ構造体を熱処理炉により、Ｎ2 ＋４％Ｈ2 雰囲気で、３２０℃、５分の温度条件で接続して半導体装置２０を製造した。
【００５５】
なお、評価では、半導体装置２０が一定の信頼性を得られる一般的な基準である、接続層のボイド率が１０％以下となり、正常に半導体チップ１が動作した場合を○とし、それ以外を×とする。
【００５６】
また、−５５℃で１５分、２００℃で１５分を１サイクルとした場合に、５００サイクル程度の温度サイクル試験を行った後、クラック進展率を測定し、一般的な信頼性の基準であるクラック進展率が２０％以下となり、正常に半導体チップ１が動作した場合を○とし、それ以外を×とする。
【００５７】
界面安定性については、２００℃で１０００時間保持した後、Ｎｉめっきが残存しているものを○、一部でも消失が確認されたものを×とする。これは、Ｎｉめっきが消失すると被接続部材とはんだ合金との間で拡散が進み、金属間化合物が形成され体積差によってボイドが発生し、長期信頼性が保てないからである。
【００５８】
そして、総合評価は、全ての条件において評価が○となったものを○とし、それ以外は×とすることで評価を行った。
【００５９】
次に、Ｃｕの添加量（Ｃｕ：５重量（ｗｔ）％以上１０重量（ｗｔ）％以下）について説明する。
【００６０】
図６は、Ｃｕの添加量とＣｕ−Ｓｎ化合物の割合とＮｉめっき消失厚さとの関係を示したものである。図６からＣｕの添加量が増加すると、Ｎｉめっきの減少量が低下する（Ｎｉめっきの残る量が増える）。Ｎｉめっきが消失すると被接続部材とはんだ合金の反応が進みボイドを形成して信頼性が低下する。
【００６１】
したがって、Ｎｉめっき消失量が少ないほど高い界面安定性を持ち信頼性向上の指標となる。また、Ｃｕの添加量が増加すると、はんだ合金中の化合物の割合も増加し、はんだ溶融時の粘性が上昇してボイド率が上昇する。
【００６２】
なお、Ｎｉめっきの残存量はＣｕの添加量が５ｗｔ％以上になると急激に増加する。これは、図７の比較例に示すように接続部界面のＮｉめっき層３上に、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物（Ｃｕ−Ｓｎ系化合物層４）、Ｃｕ−Ｓｎ化合物６の順で形成されるが、図８に示すようにＣｕの添加量が５ｗｔ％以上になった場合、接続界面に形成されるＣｕ−Ｓｎ化合物６の割合が急激に増加する。そして、Ｃｕ−Ｓｎ化合物６は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物（Ｃｕ−Ｓｎ系化合物層４）に比較して高温環境下でのＮｉめっきの拡散を強力に抑制するため、高い信頼性を得ることができる。
【００６３】
一方、比較例５、８および９に示すように、Ｃｕの添加量が１０ｗｔ％より多くなるとボイド率が１０％を超えて評価が×となる。
【００６４】
以上のことから、Ｃｕを５重量（ｗｔ）％以上１０重量（ｗｔ）％以下添加することにより、良好な接続信頼性を得ることができる。
【００６５】
次に、Ｂｉ（ビスマス）の添加量（Ｂｉ：１重量％以上４重量％以下）について説明する。
【００６６】
図１１に示す実施例１〜６においてＢｉを１ｗｔ％より多く添加することにより、温度サイクル信頼性は○となる。一方、比較例１に示すようＢｉを５ｗｔ％より多く添加すると接続界面の安定性が劣化し、信頼性が保てない（界面安定性×）。これは、Ｂｉの添加量を増加させるとＢｉ相が析出し、さらにＢｉはＮｉと反応性が高く、界面の安定性が劣化するためである。
【００６７】
次に、Ｉｎ（インジウム）の添加量（Ｉｎ：１重量％以上４重量％以下）について説明する。
【００６８】
図１１に示す実施例７〜１２においてＩｎを１ｗｔ％より多く添加することにより温度サイクル信頼性は○となる。一方、比較例２に示すようＩｎを４ｗｔ％より多く添加すると接続界面の安定性が劣化し、信頼性が保てない（界面安定性×）。Ｉｎの添加量が増えると固相線温度が低下し、かつ接続界面にＣｕ―Ｓｎ―Ｉｎ化合物が形成されることにより、バリア効果の低下と合わさって長期信頼性が低下する。
【００６９】
次に、Ｓｂ（アンチモン）の添加量（Ｓｂ：１重量％以上１０重量％未満）について説明する。
【００７０】
図１１に示す実施例１３〜１８においてＳｂを１ｗｔ％より多く添加することにより、温度サイクル信頼性は○となる。一方、比較例３、４に示すようにＳｂを１０％以上添加するとボイド率の評価が×となり、また温度サイクル信頼性も×となる。これは、Ｓｂの添加量が増加するとはんだ中のＳｎ−Ｓｂ化合物の析出量が増加し、そしてはんだの粘度が上昇し、さらにボイド率が上昇し、かつはんだが硬くなり、温度サイクル信頼性が低下するためである。
【００７１】
なお、図１１の実施例１９〜２２に示すように、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂを２種類以上添加した場合においても良好な温度サイクル信頼性、ボイド率、界面安定性が得られた。
【００７２】
以上のように、本実施の形態の鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕ５〜１０重量％と、残部Ｓｎと、Ｂｉ１重量％以上４重量％以下、Ｓｂ１重量％以上１０重量％未満およびＩｎ１重量％以上４重量％以下のうちの何れか１つもしくは２つ以上と、からなるはんだ組成のものである。
【００７３】
具体的には、Ｃｕ５〜１０重量％と、残部Ｓｎとからなるはんだ合金中に、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎのうち、Ｂｉを１重量％以上４重量％以下添加する（実施例１〜６）、または、Ｉｎを１重量％以上４重量％以下添加する（実施例７〜１２）、または、Ｓｂを１重量％以上１０重量％未満添加する（実施例１３〜１８）ものである。
【００７４】
さらに、Ｃｕ５〜１０重量％と、残部Ｓｎとからなるはんだ合金中に、Ｂｉ、ＳｂおよびＩｎのうち、Ｂｉを１重量％以上４重量％以下およびＩｎを１重量％以上４重量％以下添加する（実施例１９）ものである。または、Ｃｕ５〜１０重量％と、残部Ｓｎとからなるはんだ合金中に、Ｂｉを１重量％以上４重量％以下およびＳｂを１重量％以上１０重量％未満添加する（実施例２０）ものである。または、Ｃｕ５〜１０重量％と、残部Ｓｎとからなるはんだ合金中に、Ｉｎを１重量％以上４重量％以下およびＳｂを１重量％以上１０重量％未満添加する（実施例２１）ものである。
【００７５】
さらに、Ｃｕ５〜１０重量％と、残部Ｓｎとからなるはんだ合金中に、Ｂｉを１重量％以上４重量％以下、Ｓｂを１重量％以上１０重量％未満、Ｉｎを１重量％以上４重量％以下、それぞれ添加する（実施例２２）ものである。
【００７６】
以上、何れの組み合わせであっても、図１１の実施例１〜２２に示すように、ボイド率、界面安定性、温度サイクル信頼性および総合評価において○を得ることができる（良好な結果を得ることができる）。すなわち、実施例１〜２２に示す鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接続において、高温環境下であってもはんだ接続の接続信頼性を向上させることができる。
【００７７】
また、図１１の実施例１〜２２の鉛フリーはんだ合金を用いることにより、半導体装置２０に熱応力が加わった際にも、半導体チップ１が割れることを防止できる。さらに半導体チップ１へのクラックの進展を遅くして半導体チップ１の信頼性を高めることができる。
【００７８】
さらに、上記実施例１〜２２の鉛フリーはんだ合金を用いることにより、上記鉛フリーはんだ合金の接続部の界面の安定性を保つことができ、その結果、はんだ接続の接続信頼性を高めることができる。
【００７９】
次に、図９に示す実施例２３について説明する。
【００８０】
実施例２３は、図９に示すような半導体モジュール（半導体装置）１０であり、例えば、鉄道の車両や自動車等に搭載されるパワーモジュールである。したがって、パワーモジュールの放熱対策が必要となる。
【００８１】
半導体モジュール１０の構成について説明すると、半導体チップ１が、本実施の形態のはんだ合金（実施例１〜２２の鉛フリーはんだ合金の何れか）２ｂを用いてセラミック基板（チップ支持部材、絶縁性基板、被接続部材）５に接続されたものである。
【００８２】
さらに、半導体チップ１の動作時の熱を逃がす役割を果たす放熱用金属板（放熱部材）１２とセラミック基板５とが、本実施の形態の鉛フリーはんだ合金であるはんだ合金２ｃ（実施例１〜２２の鉛フリーはんだ合金の何れか）を用いて接続されている。
【００８３】
半導体モジュール１０の具体的構造について説明すると、半導体チップ１と、半導体チップ１とはんだ合金２ｂを介して接続されたチップ支持部材であるセラミック基板（絶縁性基板、被接続部材）５と、半導体チップ１と電気的に接続されたリード（外部端子）１３とを有している。
【００８４】
すなわち、セラミック基板５の基板本体部５ｅの上面５ａには、配線パターン等の導体部５ｄが形成され、この導体部５ｄ上にはんだ合金（実施例１〜２２の鉛フリーはんだ合金の何れか）２ｂを介して半導体チップ１が搭載されている。
【００８５】
また、セラミック基板５の基板本体部５ｅの上面５ａには、配線部（配線パターン）５ｃが形成され、リード１３はこの配線部５ｃに電気的に接続されている。そして、半導体チップ１の主面１ａに形成された電極パッド１ｃとリード１３とが、および、電極パッド１ｃと配線部５ｃとが、それぞれ金線または銅線等のワイヤ１１によって電気的に接続されている。
【００８６】
また、セラミック基板５の基板本体部５ｅの下面５ｂには配線部５ｃが形成され、この配線部５ｃにはんだ合金２ｃ（実施例１〜２２の鉛フリーはんだ合金の何れか）を介して放熱用金属板（放熱部材）１２が接続されている。
【００８７】
次に、半導体モジュール（パワーモジュール）１０の組立工法について説明する。半導体モジュール１０は、半導体チップ１とセラミック基板５とをはんだ合金２ｂで接続し、その後、セラミック基板５と放熱用金属板１２とを別のはんだ合金２ｃによって接続することで製造される。
【００８８】
ここで、セラミック基板５と放熱用金属板１２とを接続する際の加熱で、半導体チップ１とセラミック基板５とを接続するはんだ合金２ｂが再溶融すると、溶融したはんだが流れ、半導体チップ１の位置ずれ等が発生し、不良に至る。一般的に、はんだ合金２ｂの再溶融を防ぐためには、はんだ合金２ｃは、はんだ合金２ｂよりも融点の低い材料を採用する必要がある。
【００８９】
しかしながら、本実施の形態のはんだ合金２（２ｂ，２ｃ）である実施例１〜２２のはんだ合金２を用いた場合、接続界面に図３に示すような起伏のあるＣｕ−Ｓｎ系化合物層４が形成されるため、はんだ流れが生じることなく、半導体チップ１の位置ずれは生じない。
【００９０】
そこで、実施例１〜２２のはんだ合金２の何れかを、図９に示す半導体モジュール１０のはんだ合金２ｂに適用し、実施例１〜２２と同様に、接続温度３２０℃、保持時間５ｍｉｎ、Ｎ2 ＋４％Ｈ2 雰囲気で、半導体チップ１と、Ｎｉめっき層３を形成したＮｉ／Ｃｕ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／Ｃｕ／Ｎｉのセラミック基板５とを接続し、これによって接続体９を得た。
【００９１】
さらに、ＡｌＳｉＣ／Ｎｉ基板である放熱用金属板１２と接続体９とによって実施例１〜２２の何れかのはんだ合金２ｃを挟み込み、接続温度３２０℃、保持時間５ｍｉｎ、無荷重、Ｎ2 ＋４％Ｈ2 雰囲気で接続し、半導体モジュール１０を形成した。
【００９２】
したがって、接続体９のはんだ合金２ｂが再溶融することなくセラミック基板５と放熱用金属板１２とを接続することができる。
【００９３】
このように形成した接続体９について、リード１３を接続し、また、半導体チップ１の主面１ａの電極パッド１ｃと、セラミック基板５上の配線部５ｃやリード１３とをワイヤ１１でボンディングすることにより、半導体モジュール１０を形成することができる。
【００９４】
なお、半導体モジュール１０では、鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）と半導体チップ１との接続部の界面、上記鉛フリーはんだ合金とセラミック基板５との接続部の界面、および上記鉛フリーはんだ合金と放熱用金属板１２との接続部の界面に、それぞれＮｉめっき層３が形成されている。
【００９５】
そして、上述のように半導体モジュール１０の各接続部に本実施の形態のはんだ合金２（実施例１〜２２の鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）の何れか）を適用することにより、鉛フリーはんだ合金の各接続部において、それぞれの界面にＣｕ−Ｓｎ化合物６（図８参照）を厚く形成することができ、その結果、各接続部における界面安定性を向上させることができる。
【００９６】
これにより、鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）の各接続部における接続信頼性を高めることができる。
【００９７】
次に、図１３に示す、半導体モジュール１０が搭載された鉄道の車両について説明する。図１３は本実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体モジュール１０が搭載された鉄道の車両の一例を示す部分側面図、図１４は図１３の車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。
【００９８】
すなわち、本実施の形態の半導体モジュール１０は、一例として、図１３に示すような集電装置であるパンタグラフ２２が設けられた鉄道の車両２１に設置されたインバータ２３に搭載されているものである。
【００９９】
図１４に示すように、インバータ２３の内部では、プリント基板２５上に複数の半導体モジュール１０が搭載され、さらにこれらの半導体モジュール１０を冷却する冷却装置２４が搭載されている。
【０１００】
半導体モジュール１０は、パワーモジュールであるため、半導体チップ１からの発熱量が多い。したがって、複数の半導体モジュール１０を冷却してインバータ２３の内部を冷却可能なように冷却装置２４が取り付けられている。
【０１０１】
このように鉄道の車両２１に、本実施の形態の鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）が用いられた複数の半導体モジュール１０を搭載したインバータ２３が設けられていることにより、インバータ２３内が高温環境となった場合であっても、インバータ２３およびそれが設けられた車両２１の信頼性を高めることができる。
【０１０２】
次に、図１０に示す本実施の形態の実施例２４について説明する。
【０１０３】
図１０に示す半導体装置は、例えば、車載用の交流発電機用の半導体モジュール（パワーモジュール）１８である。
【０１０４】
半導体モジュール１８の構成について説明すると、半導体チップ（ダイオード）１と、半導体チップ１の裏面１ｂと本実施の形態のはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２ｄを介して接続される接続部にＮｉ系めっきが施された筒状のキャップ（リード電極体）１５と、を備えている。
【０１０５】
さらに、半導体モジュール１８は、半導体チップ１の主面１ａと本実施の形態のはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２ｅを介して接続される接続部にＮｉ系めっきを施した熱膨張率差緩衝用の緩衝材１７と、緩衝材１７の他方の面と本実施の形態のはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２ｆを介して接続される接続部にＮｉ系めっきを施したＣｕリード（外部端子）１４と、を備えている。
【０１０６】
また、筒状のキャップ１５内には、半導体チップ１や緩衝材１７やはんだ合金２ｄ、２ｅ、２ｆおよびＣｕリード１４の一部を封止する封止用の樹脂１６が充填されている。
【０１０７】
なお、半導体チップ１とＣｕリード１４との間に、緩衝材１７を配置（挿入）することにより、接続後の冷却時および温度サイクル時に、接続部に被接続部材の熱膨張率差により発生する応力を緩衝することができる。緩衝材１７の厚さは、３０〜５００μｍにすることが好ましい。
【０１０８】
これは、緩衝材１７の厚さが、３０μｍ未満の場合、応力を充分に緩衝できずに、半導体チップ１および金属間化合物にクラックが発生する場合がある。また、緩衝材１７の厚さが、５００μｍ超の場合、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｇ、ＺｎはＣｕリード１４より熱膨張率が大きいため、熱膨張率差の影響により、接続信頼性の低下につながる場合がある。
【０１０９】
また、緩衝材１７としては、Ｃｕ／インバー合金／Ｃｕ複合材、Ｃｕ／Ｃｕ複合材Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗの何れかを用いることが好ましい。この緩衝材１７が設けられたことにより、半導体チップ１とＣｕリード１４との間の熱膨張率差から生じる温度サイクル時および接続後の冷却時の接続部に発生する応力を緩衝することができる。
【０１１０】
その結果、半導体チップ１にかかる応力を低減することができ、半導体チップ１にクラックが形成されることを低減できる。さらに、半導体モジュール１８において、はんだ接続の接続信頼性を高めることができる。
【０１１１】
ここで、図１２は、図１１に示す実施例３、実施例９、実施例１５、比較例３および比較例７について、図１および図２に示す半導体装置２０を製造し、通電熱疲労信頼性を評価したものである。
【０１１２】
上記通電熱疲労信頼性試験とは、半導体チップ１に電流を流して発熱させ、金属キャップの下部の温度が１５０℃に到達した時点で、電流を遮断し、５０℃まで冷却するという試行を繰り返す試験である。
【０１１３】
半導体装置が一定の信頼性を得られる一般的な基準である通電熱疲労試験５０００サイクル試験後に半導体チップ１の熱抵抗を測定し、その熱抵抗が２０％未満の上昇率で、かつ正常に半導体チップ１が動作した場合ものを○、それ以外を×として評価した。
【０１１４】
なお、はんだ合金２の接続部にクラックやボイドが発生すると、半導体チップ１の発熱を外部に放出するための面積が減少し、熱抵抗が上昇する。熱抵抗が２０％以上に上昇するとチップ温度が急激に上昇し、はんだの溶融や界面反応が急激に進行し、接続信頼性が低下する。
【０１１５】
図１２に示すように、本実施の形態の図１１に示す実施例３、９、１５の条件の通電熱疲労信頼性試験の結果は○となった。
【０１１６】
これにより、本実施の形態のはんだ合金２（実施例１〜２２の何れの鉛フリーはんだ合金）を用いることにより、通電熱疲労信頼性試験もクリアすることができる。
【０１１７】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の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言うまでもない。
【０１１８】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【０１１９】
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
【０１２０】
上記実施の形態では、半導体装置が、１つの半導体チップ１を備えている半導体装置や半導体モジュールの場合を取り上げて説明したが、上記半導体装置は、複数の半導体チップを有し、かつそれぞれの半導体チップ１がはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２によって絶縁性基板等のチップ支持部材に接続されたマルチチップモジュール等であってもよい。
【符号の説明】
【０１２１】
１  半導体チップ
１ａ  主面
１ｂ  裏面
１ｃ  電極パッド
２  はんだ合金（鉛フリーはんだ合金）
２ａ  はんだ箔
２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ  はんだ合金（鉛フリーはんだ合金）
３  Ｎｉめっき層
４  Ｃｕ−Ｓｎ系化合物層
５  セラミック基板（チップ支持部材、絶縁性基板、被接続部材）
５ａ  上面
５ｂ  下面
５ｃ  配線部
５ｄ  導体部
５ｅ  基板本体部
６  Ｃｕ−Ｓｎ化合物
７  ボイド
８  クラック進展部
９  接続体
１０  半導体モジュール（半導体装置、パワーモジュール）
１１  ワイヤ
１２  放熱用金属板（放熱部材）
１３  リード（外部端子）
１４  Ｃｕリード（外部端子）
１５  キャップ（リード）
１６  樹脂
１７  緩衝材
１８  半導体モジュール（半導体装置、パワーモジュール）
２０  半導体装置
２１  車両
２２  パンタグラフ
２３  インバータ
２４  冷却装置
２５  プリント基板
【図１】
2015075788.tif 000003
【図２】
2015075788.tif 000004
【図３】
2015075788.tif 000005
【図４】
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【図５】
2015075788.tif 000007
【図６】
2015075788.tif 000008
【図７】
2015075788.tif 000009
【図８】
2015075788.tif 000010
【図９】
2015075788.tif 000011
【図１０】
2015075788.tif 000012
【図１１】
2015075788.tif 000013
【図１２】
2015075788.tif 000014
【図１３】
2015075788.tif 000015
【図１４】
2015075788.tif 000016
【国際調査報告】
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2015075788.tif 000018
2015075788.tif 000019
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