(57)【要約】  実用的な融点の範囲が３００〜３５０℃であるＺｎ系鉛フリーはんだを得ること。０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、０．５〜２．０ｗｔ％のＳｂと、１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、５〜１０ｗｔ％のＧａとを含んでなるＺｎ系鉛フリーはんだ。または、０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、０．５〜２．０ｗｔ％のＳｂと、１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、１０〜２０ｗｔ％のＩｎとを含んでなるＺｎ系鉛フリーはんだ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、
０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、
０．５〜２．０ｗｔ％のＳｂと、
１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、
５〜１０ｗｔ％のＧａとを含んでなるＺｎ系鉛フリーはんだ。
【請求項２】
０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、
０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、
０．５〜２．０ｗｔ％のＳｂと、
１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、
１０〜２０ｗｔ％のＩｎとを含んでなるＺｎ系鉛フリーはんだ。
【請求項３】
０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、
０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、
０．６〜１．２ｗｔ％のＭｎと、
１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、
５〜１０ｗｔ％のＧａとを含んでなるＺｎ系鉛フリーはんだ。
【請求項４】
０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、
０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、
０．６〜１．２ｗｔ％のＭｎと、
１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、
１０〜２０ｗｔ％のＩｎとを含んでなるＺｎ系鉛フリーはんだ。
【請求項５】
Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐ、Ｖ、Ｓｉのうち少なくとも１種類以上の金属が添加されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＺｎ系鉛フリーはんだ。
【請求項６】
基板に請求項１から５のいずれか１項に記載のＺｎ系鉛フリーはんだで接合されている電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子の主面に形成されたボンディングパッドと、
前記電力用半導体素子の主面を被覆する樹脂膜と、
前記ボンディングパッドに接続されたボンディングワイヤとを備えている半導体パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板と半導体部品の接合に好適に使用されるＺｎ系鉛フリーはんだ、および、このＺｎ系鉛フリーはんだを使って作成された半導体パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の信頼性に対する要求は、近年、ますます高度になってきている。特に、熱膨張係数差の大きい半導体素子と回路基板との接合部に対して信頼性の向上が強く求められている。半導体素子はシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）を基板としたものが多い。動作温度の範囲は１００℃〜１２５℃である。これらを電子回路の電極に接合するはんだ材料として、Ｓｉデバイスでは９５Ｐｂ−５Ｓｎはんだ（質量％）、ガリウム砒素デバイスでは８０Ａｕ−２０Ｓｎはんだ（質量％）などが使われている。はんだ材料には、繰り返し熱応力に対する耐クラック性、組み立てる際の多段階はんだ接合に対応するための融点適合性、さらにはデバイスの汚染耐性などが要求される。繰り返し熱応力は、半導体素子と回路基板との熱膨張の差に起因する。【０００３】
しかしながら、有害な鉛（Ｐｂ）を大量に含有する９５Ｐｂ−５Ｓｎはんだは環境負荷低減の観点から使用削減が進行している。また８０Ａｕ−２０Ｓｎはんだは貴金属高騰や埋蔵量の点から代替材が強く望まれている。一方、省エネルギーの観点から次世代デバイスとしてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）を基板としたデバイスの開発が盛んに行われている。これらは、ロス低減の観点からその動作温度は１７５℃以上とされており、将来的には３００℃になるとも言われている。【０００４】
上記要求に答えるには、融点が高く、しかも耐熱性に優れた高温はんだ材が必要になる。このようなはんだとして、溶融温度が３００℃前後のＰｂベースのはんだがこれまで使用されてきた。例えば、Ｐｂ−１０Ｓｎはんだ（固相線温度２６８℃、液相線温度３０２℃）、Ｐｂ−５Ｓｎはんだ（固相線温度３０７℃、液相線温度３１３℃）、Ｐｂ−２Ａｇ−８Ｓｎはんだ（固相線温度２７５℃、液相線温度３４６℃）、Ｐｂ−５Ａｇはんだ（固相線温度３０４℃、液相線温度３６５℃）などが知られている。【０００５】
これらはいずれもＰｂを主成分とするＰｂ系はんだである。最近では、環境保護の観点から、はんだ付け技術全般において、Ｐｂ系はんだに代えて、鉛フリーはんだを用いることが求められている。当然、半導体装置に使用されてきた前述のようなＰｂ−Ｓｎ系高温はんだについても、鉛フリーはんだの使用が検討されている。これまでに、種々の鉛フリーはんだが提案されてきているが、そのほとんどは、Ｓｎを主成分にするＳｎ系はんだである。【０００６】
例えば、固相線温度（共晶温度）が２２１℃のＳｎ−Ａｇ系はんだにおいて、Ａｇを増やしていくと液相線温度は上がるが、固相線温度はほとんど上昇しない。固相線温度が２６０℃以上の高温はんだは見つかっていないようである。固相線温度２２７℃のＳｎ−Ｓｂ系はんだでは、固相線温度を高くするために、Ｓｂを極端に増やした場合、液相線温度も極端に上昇する。しかし、これらに他の元素を添加してもそのような特性が変わることはない。したがって、実用に適した３００℃でも溶融しないＳｎ系鉛フリーはんだは、存在しないと考えられている。【０００７】
今までの高温はんだを使用しない接合技術として、Ｓｎの代わりにＺｎを主成分とするＺｎ系はんだが検討されてきた。例えば特許文献１では、Ｚｎに１〜１０重量％のＡｌを配合した基本組成に、濡れ性を改善する添加成分であるＧａ（０．００１〜１重量％）、Ｉｎ（０．１〜１０重量％）、Ｇｅ（０．００１〜１０重量％）、Ｓｉ（０．１〜１０重量％）、及びＳｎ（０．１〜１０重量％）の中から選ばれる１種又は２種以上が配合されている。更に、はんだ接合部の酸化を抑制する効果を有するＭｎ及び、又はＴｉを０．０００１〜１重量％を加えて配合しているＺｎ系鉛フリーはんだが開示されている。【０００８】
特許文献２では、Ａｌを３．０〜７．０質量％含有し、Ｐを０．００５〜０．５００質量％含有し、更にＭｇ及びＧｅの少なくとも１種を含有する、Ｚｎを主成分とする鉛フリーはんだが開示されている。ここで、Ｍｇの場合は０．３〜４．０質量％、Ｇｅの場合は０．３〜３．０質量％である。また、Ａｌを１．０〜９．０質量％含有し、Ｐを０．００２〜０．８００質量％含有し、残部がＺｎから成ることを特徴とするＺｎを主成分とする鉛フリーはんだが開示されている。ただし、残部には、製造上、不可避な元素が含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−１８３５５８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２１０５３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】松永俊宏、外３名、“パワーモジュールの信頼性評価・接合技術、[online]、平成１７年５月号、三菱電機技報19(447)、インターネット<ＵＲＬ：http://www.mitsubishielectric.co.jp/giho/0507/0507106.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
一般的な半導体素子と基板との接合部を想定してみる。半導体素子の表面にはワイヤボンディングによる配線を実施するために、通常はボンディングパッドと呼ばれる電極が存在する。その周辺は絶縁を有する必要があり、半導体素子の表面には、適度な絶縁性を有し、耐熱性の高いポリイミド膜などの保護樹脂膜が保護膜として形成されている。このポリイミドからなる保護膜は、分解温度が５００℃以上と非常に高耐熱である。ポリイミド膜と素子の間の密着性はそれ程高くなく、３５０℃では、ポリイミド膜の剥離が生じる。【００１２】
特許文献１、２で示されているＺｎ系はんだでは、融点が３５０℃を越える組成が知られている。融点が３５０℃を越える組成のＺｎ系はんだを使用した場合、接合時の温度で、ポリイミド膜が剥離する。Ｚｎ系はんだの融点が高いため、半導体素子を基板に接合できたとしても、その半導体素子は隣りあうワイヤ同士の絶縁性が保たれていない。半導体素子の動作温度は３００℃程度になるため、動作時にＺｎ系はんだが溶融したり、ポリイミド膜が容易に剥がれてはいけない。以上の観点から、融点が３００〜３５０℃のＺｎ系鉛フリーはんだの開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願に係る第１のＺｎ系鉛フリーはんだは、０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、０．５〜２．０ｗｔ％のＳｂと、１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、５〜１０ｗｔ％のＧａとを含んでなるものである。【００１４】
本願に係る第２のＺｎ系鉛フリーはんだは、０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、０．５〜２．０ｗｔ％のＳｂと、１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、１０〜２０ｗｔ％のＩｎとを含んでなるものである。【００１５】
本願に係る第３のＺｎ系鉛フリーはんだは、０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、０．６〜１．２ｗｔ％のＭｎと、１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、５〜１０ｗｔ％のＧａとを含んでなるものである。【００１６】
本願に係る第４のＺｎ系鉛フリーはんだは、０．０５〜０．２ｗｔ％のＣｒと、０．２５〜１．０ｗｔ％のＡｌと、０．６〜１．２ｗｔ％のＭｎと、１．０〜５．８ｗｔ％のＧｅと、１０〜２０ｗｔ％のＩｎとを含んでなるものである。【００１７】
本願に係る半導体パワーモジュールは、基板に第１ないし第４のＺｎ系鉛フリーはんだのうちいずれか１つで接合されている電力用半導体素子と、電力用半導体素子の主面に形成されたボンディングパッドと、電力用半導体素子の主面を被覆する樹脂膜と、ボンディングパッドに接続されたボンディングワイヤとを備えているものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、実用的な融点の範囲が３００〜３５０℃であるＺｎ系鉛フリーはんだを得ることが可能になる。また、基板と電力用半導体素子との温度耐性が高い半導体パワーモジュールを得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態で用いる半導体パワーモジュールの模擬図である。
【図２】本発明で検討したＺｎ系鉛フリーはんだの添加元素の特性を表している図である。
【図３】実施例１〜１６の検討結果を表している図である。
【図４】実施例１７〜３２の検討結果を表している図である。
【図５】比較例１〜１６の検討結果を表している図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る半導体パワーモジュール１００の接合部を図１に示す。基板１にはＤＢＣ（Direct  Bonded  Copper）基板などを使用する。基板１と電力用半導体素子３は本願に係るＺｎ系鉛フリーはんだ２で接合されている。電力用半導体素子３の表面にはボンディングパッド（あるいは電極）６が形成されている。ボンディングパッド６の周辺には、適度な絶縁性を有し、耐熱性の高い樹脂膜４が形成されている。ボンディングパッド６にはボンディングワイヤ５が接続されている。本願に係るＺｎ系鉛フリーはんだはリード端子の接合にも使用できる。
【００２１】
樹脂膜４にはポリイミド樹脂、フェノール系樹脂、ポリベンゾオキソザール（ＰＢＯ：Ｐｏｌｙ−Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ−ＢｅｎｚｏｂｉｓＯｘａｚｏｌｅ）系樹脂、シリコーン系樹脂などを使用する。ポリイミド膜は、分解温度が５００℃以上と、非常に高耐熱であるが、ポリイミド膜と電力用半導体素子３の間の密着性はそれ程高くない。半導体パワーモジュール１００の動作温度が３５０℃以上になると、ポリイミド膜は剥離する。
【００２２】
電力用半導体素子３は、珪素（Ｓｉ）によって形成したものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成したものも好適に使用することができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子３を用いた装置の小型化が可能となる。
【００２３】
図２にＺｎと共晶点を有する元素の特性を示す。亜鉛自体の融点は４２０℃であるため、Ｚｎ系鉛フリーはんだを作成するには、Ｚｎと共晶点を有する元素、あるいは低融点元素を適量添加する。この中で、融点を３００〜３５０℃にするのに最も効果的な添加元素は、３ｗｔ％で共晶点３６４℃を示すＭｇである。ただし、Ｍｇを添加するとはんだが硬く脆くなり、また酸化し易くなる。実質０．１ｗｔ％の添加量でも、はんだの初期接合性とヒートサイクル性が大きく低下する。そのため、Ｍｇは融点低下には非常に効果的ではあるが、実質添加しないことにした。
【００２４】
Ｚｎ系はんだの融点を低下させる他の元素として、Ａｌは、６ｗｔ％で共晶点を有する。ＡｌはＭｇほどではないが、Ｚｎよりも酸化し易い材料であるため、Ａｌを添加すると、はんだは初期接合性が低下する。しかし、Ａｌは比較的軟らかい材料であるので、はんだは満足のいくヒートサイクル性を示す。そこで、Ａｌは初期接合性を低下させない程度に添加量を抑えることにする。特許文献１では、Ａｌを１〜１０ｗｔ％も添加している。このような添加量では初期接合性が大きく低下するため、Ａｌの添加量は実質１ｗｔ％よりも少なくする。
【００２５】
特許文献２では、Ａｌを３．０〜７．０ｗｔ％、Ｍｇを０．３〜４．０ｗｔ％添加している。このような添加量では初期接合性とヒートサイクル性が大きく低下するため、Ａｌの添加量は実質１ｗｔ％未満にする。Ｍｇは添加しない事が望ましいので、本発明の実施の形態２では、ＺｎにＭｇを添加していない。Ａｌの添加量を抑制し、他の添加元素を調整することで、Ｚｎを主成分とするＺｎ系はんだの融点を３００〜３５０℃の範囲に収めることを目指す。さらに、ヒートサイクル性と初期接合性を指標に、はんだ組成の適正化を行うことにする。
【００２６】
所定のはんだを作製するため、原料として、それぞれ純度９９.９質量％以上のＺｎ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｃｒを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく、均一になるように留意しながら、切断及び粉砕などにより３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これら原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。
【００２７】
各原料の入った坩堝は高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素雰囲気下で、装置内で加熱溶融させた（窒素流量：０.５ｌ／ｍｉｎ）。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型は、はんだ母合金の製造の際に一般的に使用している形状と同様のものを使用した。
【００２８】
このようにして、上記各原料の混合比率を変えることにより、Ｚｎ系はんだ母合金を４８種類作製した。得られた各はんだ母合金について、ドリルで切粉が採取され、発光分析による定量分析を行った。その結果、各はんだが狙い値通り添加元素を含有していることを確認した。また外観チェックによりＺｎ系はんだ母合金にボイド、引け巣、極端なひび割れ（表面欠陥）、変色がないことを確認した。
【００２９】
次に上記鋳型サンプルついて、ほぼ中央部から数十ｍｇ程度を取り出し、示差走査熱量分析装置（ＤＳＣ：Differential  Scanning  Calorimetry）を用いて、各はんだの実質的な融点として、固相線温度を測定した。融点分析は、サンプルを先ず１回熱をかけて接合し、そのあと加熱しても溶融しないかどうかの確認のため、２回熱をかけておこなった。測定温度プロファイルは、１５℃を測定開始点として、１０℃／minで昇温をおこない、４００℃まで上げた。その後、５℃／ｍｉｎで冷却した。１回だけの走査であると、内部に残存する不純物、表面付着物の影響で、事実とは異なるピークが発生する事がある。このように２回行うほうが、実際のプロファイルに則した温度状態であるため、好ましい。この測定は、１回接合した後、再溶融するかどうかの評価も含んでいる。
【００３０】
上記条件で、各はんだ母合金について固相線温度を測定した結果を図３〜５の融点欄に示した（実施例１〜３２、比較例１〜１６）。Ｚｎ系はんだの融点が３００〜３５０℃の範囲に収まっていれば、融点評価を〇とし、それ以外の場合は融点評価を×とした。また、固相線温度の測定中に、添加しているＧａの融点（３０℃）近傍、あるいはＺｎとの共晶点近傍に明確なピークが見られことがあった。ピークが見られた場合、実際の接合後においても、低融点相が存在していると考えられる。図３〜５の低融点相の欄に、低融点のピークが見られた場合は×、低融点のピークが見られない場合は○としている。
【００３１】
次に、各はんだ母合金を圧延して、厚さ０．３ｍｍの成形はんだ（大きさ：２０ｍｍ×２０ｍｍ）を作製した。さらに、厚さ１．２ｍｍのＤＢＣ（Direct  Bonded  Copper）基板と厚さ０．２５ｍｍのＳｉＣ素子とを、水素還元雰囲気中で、サンプルの温度３５０℃で接合した（１０ｍｉｎ）。ここで、ＤＢＣ基板は図１における基板１に、ＳｉＣ素子は図１における電力用半導体素子３に対応する。ＤＢＣ基板（熱膨張係数α：１０ｐｐｍ）の構成は、Ｃｕ基板：Ｓｉ3Ｎ4絶縁基板：Ｃｕ基板＝０．４ｍｍ：０．３２：０．４ｍｍとした。ＳｉＣ素子（熱膨張係数α：４ｐｐｍ；大きさ：２０ｍｍ×２０ｍｍ）は、最表面にＡｕをメタライズしている。各組成ごとに、５サンプル作製した。接合後、超音波探傷装置（ＳＡＴ：Scanning  Acoustic  Tomograph）観察により、ボイド率（白色箇所）を算出した。ボイド率が全て２０％以下であった場合、初期接合性を○、１つでも２０％よりも高かった場合、初期接合性を×とした。
【００３２】
次に、ヒートサイクル性を評価するため、より実際の動作を模擬することにした。ＤＢＣ基板とＳｉＣ素子との接合サンプルに、上限温度を３００℃、下限温度を１００℃とし、１サイクル１５ｓｅｃ、サイクル数３０ｋのヒートサイクル処理をおこなった。なお、このような短時間でのヒートサイクル装置は市販されておらず、当社独自の装置を用いて実施した（非特許文献１参照）。ヒートサイクル後、サンプルのＳＡＴ観察により、クラックの進展度合いを調査した。ＳＡＴ像では、クラックの箇所も白色になるため、初期接合状態で観察したＳＡＴ像から算出した白色箇所（初期ボイド）の割合から、ヒートサイクル後のＳＡＴ像から算出した白色箇所（初期ボイド＋クラック）を引いて、クラックの進展度合いを算出した。
【００３３】
その差分が全体接合部の５０％未満であった場合、図のヒートサイクル性の欄を○、５０％よりも大きい場合、×とした。Ｚｎの熱伝導率が約１２０Ｗ／ｍ・Ｋなのに対し、これまで汎用的に使用されてきたＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだは６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、Ｐｂ−５Ｓｎはんだは３５Ｗ／ｍ・Ｋである。今回、ヒートサイクル性の閾値を５０％としたのは、おおよそ接合部に半分クラックが進展しなければ、Ｚｎ系はんだの熱伝導率が良いという優位性を生かす事が可能と判断したからである。
【００３４】
以上の結果、融点評価、低融点相の有無、初期接合性、ヒートサイクル性で一つでも×が付いた場合、総合評価を×とし、全て一定の基準を満たす場合、総合評価を○として、図の総合評価の欄に記載した。実施例１〜３２は、総合評価が○である。比較例１〜１６は、総合評価が×である。その結果、主成分のＺｎに、Ｇｅを１．０〜５．８ｗｔ％含み、Ｃｒ  を０．０５〜０．２ｗｔ％含み、Ａｌを０．２５〜１．０ｗｔ％含み、Ｇａを５〜１０ｗｔ％含み、Ｓｂを０．５〜２．０ｗｔ％含む事で、良好な結果が得られた。次にそれぞれの組成について、上記のような添加量に規定した理由を以下に示す。
【００３５】
Ａｌ（０．２５〜１．０ｗｔ％）
理由：Ｚｎとの共晶点は６ｗｔ％である。Ａｌは酸化し易いため、極力減らす必要がある。Ａｌの添加量が１ｗｔ％程度であれば、酸化も抑制され、また共晶に近づくため、低融点化される。Ａｌが０．２５ｗｔ％よりも小さい場合、融点低下効果が得られず、３５０℃を超える事は図の各組成の融点測定の結果から容易に推測できる。一方、Ａｌが１ｗｔ％よりも大きい場合（比較例１、比較例２）、酸化の影響で、初期接合時のボイド率が２０％を越えるので、良好な接合状態が得られない。よって、Ａｌの添加量は、０．２５〜１．０ｗｔ％が良い。
【００３６】
Ｇｅ（１．０〜５．８ｗｔ％）
理由：Ｚｎとの共晶点は５．８ｗｔ％なので、１ｗｔ%よりも小さいと、融点低下効果が小さく、３５０℃を越える事が図の各組成の融点測定の結果から容易に推測できる。一方、Ｇｅが５．８ｗｔ％よりも大きい場合、共晶点以上となるため、高融点になる。また極端に粗大な析出物が増えるため、硬く脆くなり、ヒートサイクルでの劣化が著しく加速して、クラック進展が５０％を超える（比較例３〜比較例６）。よって、Ｇｅの添加量は１．０〜５．８ｗｔ％が良い。
【００３７】
Ｇａ（５〜１０ｗｔ％）
理由：Ｇａ自体が低融点であるため、５ｗｔ％以上添加すると適度に融点が下がる。Ｇａが５ｗｔ％よりも少ない場合、融点低下効果が得られず、３５０℃を超える事は図の各組成の融点測定の結果から容易に推測できる。一方、Ｇａが１０ｗｔ％よりも大きい場合（比較例７、比較例８）、過剰な添加により、融点が３００℃よりも低くなる。またＧａ単独およびＺｎと共晶の低融点相がＤＳＣ測定結果から見られたので好ましくない。よって、Ｇａの添加量は、５〜１０ｗｔ％が良い。ここで、Ｇａの添加量は、小数点以下一桁を四捨五入した値を示している。
【００３８】
Ｓｂ（０．５〜２．０ｗｔ％）
理由：Ｚｎとの共晶点は２ｗｔ％なので、上記のＡｌ、Ｇｅ，Ｇａと比べると小さいが、１０℃ほど融点低下効果がある。Ｓｂが０．５ｗｔ％よりも小さい場合（比較例９、比較例１０）、低融点効果が得られない。また、ＤＳＣ結果では、Ｇａ単独およびＧａＺｎ共晶の低融点相が見られるので好ましくない。一方、Ｓｂが２ｗｔ％よりも大きい場合（比較例１１、比較例１２）、低融点相の形成は抑制されるが、過剰な添加により、極端に粗大な析出物が増えた。はんだ母合金は硬く脆くなり、ヒートサイクルでの劣化が著しく加速して、クラック進展が５０％を超えた。Ｓｂを適量添加する事で、このように低融点相が抑制されるメカニズムについては、詳細は明らかではないが、おそらく、ＳｂとＧａが高融点の合金相（ＳｂＧａなど）を形成し、低融点相形成を抑制していると考えられる。よって、Ｓｂの添加量は０．５〜２．０ｗｔ％が良い。
【００３９】
Ｃｒ（０．０５〜０．２ｗｔ％）
理由：Ｚｎとの共晶点は０．２ｗｔ％であり、５℃ほど融点低下効果がある。Ｃｒが０．０５ｗｔ％よりも小さい場合（比較例１３、比較例１４）、ヒートサイクル性で良好な結果が得られない。これは、ＺｎにＣｒを適量添加すると、Ｚｎ−Ｃｒの共晶組織が非常に微細であるため、伸びが改善され、微細分散効果により、熱歪みが加わっても、クラックが進展しづらいためと考えられる。このようにＣｒは、ヒートサイクル性に著しい改善効果を発揮する。一方、Ｃｒが０．２ｗｔ％よりも大きい場合（比較例１５、比較例１６）、過剰な添加により、極端に粗大な析出物が増えるため、硬く脆くなる。ヒートサイクルでの劣化は著しく加速し、クラック進展が５０％を超えた。よって、Ｃｒの添加量は０．０５〜０．２ｗｔ％が良い。
【００４０】
本願に係るＺｎ系鉛フリーはんだには、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａ，Ｓｂ、Ｃｒ以外の添加元素として、融点を低下させる事が可能なＩｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｖ、Ｓｉを添加しても良い。特に、上記Ｓｂと同様の効果を示す添加元素して、Ｍｎが挙げられる。具体的には、Ｍｎを０．６ｗｔ％以上添加すると一部高融点の合金相となり、Ｇａ添加による低融点相が形成されるのを抑制する。Ｍｎを１．２ｗｔ％よりも多く添加すると、Ｇａ相抑制効果とともに、過剰なＭｎが析出し、硬く脆くなる。よって、Ｍｎは０．６〜１．２ｗｔ％が良い。
【００４１】
また、上記Ｇａと同様の効果を示す添加元素として、Ｉｎが挙げられる。具体的には、Ｉｎが１０ｗｔ％よりも小さい場合、融点低下効果が得られず、融点は３５０℃を超える。一方、Ｉｎが２０ｗｔ％よりも大きい場合、過剰な添加により、融点が３００℃未満となった。またＩｎ単独およびＩｎＺｎ共晶の低融点相がＤＳＣ測定結果から見られたので好ましくない。よって、Ｉｎの添加量は、１０〜２０ｗｔ％が良い。いずれの場合も、本願に係るＺｎ系鉛フリーはんだは実質３００〜３５０℃の融点を有する。ここで、Ｉｎの添加量は、小数点以下一桁を四捨五入した値を示している。
【００４２】
本願に係るＺｎ系鉛フリーはんだは、融点低下に効果的ではあるが、酸化し易く、少量の添加で硬く脆くなり易いＭｇを添加していない。また、Ｃｒの添加で、Ｚｎ組織が微細化し、ヒートサイクル性が向上している。また、Ａｌを添加すると融点が下がるが、酸化し易いので、Ａｌの添加量を１ｗｔ％以下にする事で、初期接合性を満足している。また、Ｇａを添加することで融点が低下するが、一部はＧａ単独またはＺｎと共晶の低融点相が形成される。これを抑制するために、ＳｂあるいはＭｎを添加し、一部Ｇａと合金相を形成し、Ｇａ添加による低融点相が形成されるのを抑制する事が可能となった。
【００４３】
電力用半導体素子にＳｉＣを用いた場合、電力用半導体素子はその特徴を生かすべくＳｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載する電力用半導体青内においては、電力用半導体素子としてより高い信頼性が求められるため、高信頼の電力用半導体装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。
【００４４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  基板、２  Ｚｎ系鉛フリーはんだ、３  電力用半導体素子、
４  樹脂膜、５  ボンディングワイヤ、６  ボンディングパッド、
１００  半導体パワーモジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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