(57)【要約】【課題】  鉛を実質的に含有しない接合材を用い、高温条件においても良好な機械的強度を保持可能な接合体及び半導体装置を提供する。【解決手段】  本発明は、実質的な質量比でＡｕを８０％含有する高価なＡｕＳｎ共晶合金を代替する接合方法として、実装工程内に急冷プロセスを導入することにより、ＡｕＳｎ共晶合金からＡｕ量を４０〜６０％削減したＡｕＳｎ合金を高温はんだに適用可能とした。通常の冷却速度により作成された低Ａｕ組成合金の融点は、包晶反応が非平衡により崩れ、平衡状態図上の融点を下回る。ここで、このＡｕＳｎ合金を急冷により作成すると、平衡状態図上の融点、またはその温度で生成される相の割合が増加し、耐熱性が向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
包晶系合金を構成することができる接合材を用い、前記接合材を溶融後急冷して接合した接合体であって、
接合後の前記接合材が有する実質的な最低融点相の比率が、同一の接合材を用いて同一条件下で加熱した後、徐冷して接合した接合材よりも少ないことを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記接合材が、実質的にＡｕとＳｎからなる合金であって、Ａｕの質量比が３０％以上３８％以下、残部がＳｎからなる合金であって、接合後、接合材の２１７℃近傍にのピークが１．００Ｊ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１記載の接合体。
【請求項３】
前記接合材が、実質的にＡｕとＳｎからなる合金であって、Ａｕの質量比が４５％より多く５５％以下、残部がＳｎからなる合金であって、接合後、接合材の２５２℃近傍のピークが１．００Ｊ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１記載の接合体。
【請求項４】
複数の被接合材を、包晶系合金を構成することができる接合材を介在させて積層し、加熱して密接させる工程と、
少なくとも前記接合材の温度を、接合温度から、前記包晶系合金の平衡状態図における包晶温度以下まで急冷する工程とを備えたことを特徴とする接合方法。
【請求項５】
前記接合材が、実質的にＡｕとＳｎからなる合金であって、Ａｕの質量比が３０％以上５５％以下、残部がＳｎからなることを特徴とする請求項４記載の接合方法。
【請求項６】
Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料を用いた金属薄膜でメタライズされた半導体素子と、
前記半導体素子を載置する金属リードフレームと、
前記半導体素子の金属薄膜がメタライズされた面及び前記金属リードフレーム間に存在して、包晶系合金を構成することができる接合材により前記半導体素子と前記金属リードフレームとを接合している接合層と、
前記半導体素子及びリードフレームを封止する封止樹脂とを備えることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合体、接合体の接合方法、及びこの接合体を適用した半導体装置に係り、特に電子機器の部品の接合に適した被接合部材を、実質的にＰｂを含有しない接合材を用いて接合した接合体、接合方法、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子部品の実装技術においては、実用に極めて適していることから、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだが多用されてきた。しかし、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだに含まれるＰｂは、人体に対し有害であることから、Ｐｂを含まない、いわゆる非Ｐｂ系はんだの開発が急務とされている。
【０００３】
現在半導体デバイスの中で例えばパワーデバイスのＰｂ系接合材としては、主に融点が１８３℃の低温系はんだ（Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ）と、融点が約３００℃程度の高温系はんだ（例えば、Ｐｂ−５Ｓｎはんだ）が多用されており、それぞれ使用目的に応じて使い分けられている。
【０００４】
非Ｐｂ系はんだとして、低温系はんだについては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を中心としたものが実用化の段階に到達しており、多くのセットメーカーで非Ｐｂ系はんだの代替は完了している。
【０００５】
しかしながら、高温系はんだ、例えば２５０℃の高温条件下においても良好な機械的強度を保持する接合部を形成する接合材については、高Ｐｂ含有材料を除くとＡｕを主成分としたＡｕ系合金が挙げられるが（非特許文献１参照）、貴金属の金を使用するので、材料価格が大幅に上昇するため汎用的に使用するには難しい材料である。
【０００６】
これまでに、Ｐｂ及びＡｕ以外の金属材料を主成分とし２５０℃の高温条件下においても良好な機械的強度を保持する接合部を形成する接合材のひとつとして、Ｚｎ−Ｓｎ二元系合金が候補として挙げられている（例えば、特許文献１参照）。この接合材料は、ＺｎとＳｎ元素からなる金属材料であるため、安価であり、環境にも配慮された接合材である。
【０００７】
しかしながら、Ｃｕとの接合性が悪いため、この金属材料を接合材料として用いるためには、フラックスを使用する必要がある。
ところで、近年フロンの使用規制にともない、接合後のフラックスの洗浄が困難となってきており、フラックス残渣が耐湿性や絶縁性の低下を招く恐れが懸念されている。特に、高温はんだが使用される部品内部接合においては、フラックスの使用が制限される場合が多い。従って、Ｐｂ及びＡｕ以外の金属材料を主成分とした金属合金も、高温系はんだとしては未だ実用化には至っていない。
【０００８】
また、Ｓｎを主成分とするＳｎ系合金を高温はんだ適用しようとも試みられている（例えば特許文献２参照）が、Ｓｎ系合金の場合、Ｃｕなどの被接合材との接合性や硬さなどの加工性には優れるものの、低融点で液化が始まるため、高温はんだとしての耐熱性を満たすことは困難である。
【０００９】
【非特許文献１】大沢 直：はんだ付の基礎と応用、工業調査会、２０００、１７８
【特許文献１】特開２００４−２３７３５７号公報
【特許文献２】特開２００３−３６４３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、実質的にＰｂを含有しない接合材を用い、高温条件においてもなお良好な機械的強度を保持可能な接合部を短時間で形成可能とする接合技術を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、包晶系合金を構成することができる接合材を用い、前記接合材を溶融後急冷して接合した接合体であって、接合後の前記接合材が有する実質的な最低融点相の比率が、同一の接合材を用いて同一条件下で加熱した後、徐冷して接合した接合材よりも少ないことを特徴とする。
本発明の接合体は、Ａｕ使用量を削減したＡｕＳｎ合金を用い、実装工程内に急冷プロセスを導入することにより、合金が包晶組織となり、融点が上昇することから、高温はんだとして使用可能であることに着目してなされたものである。
【００１２】
例えば、本発明の接合体は、実質的にＡｕとＳｎからなる合金からなる接合材を用いた接合において、接合後、その接合材が有する実質的な最低融点相の比率が徐冷した場合よりも少ないことを特徴とする接合層を有した接合部材と、他方の基板とが接合されている接合体である。
【００１３】
具体的には、前記接合材が実質的にＡｕとＳｎからなる合金であって、Ａｕの質量比が３０％以上３８％以下、残部がＳｎからなる合金であって、接合後、接合材の２１７℃近傍における融解熱量が１．００Ｊ／ｇ以下のものがあげられる。
【００１４】
また、前記接合材が実質的にＡｕとＳｎからなる合金であって、Ａｕの質量比が４５％以上５５％以下、残部がＳｎからなる合金であって、接合後、接合材の２５４℃近傍における融解熱量が１．００Ｊ／ｇ以下のものがあげられる。
【００１５】
また、本発明の接合方法は、複数の被接合材を、包晶系合金を構成することができる接合材を介在させて積層し、加熱して密接させる工程と、少なくとも前記接合材の温度を、接合温度から、前記包晶系合金の平衡状態図における包晶温度以下まで急冷する工程とを備えたことを特徴とする。実質的にＡｕとＳｎからなる合金であって、Ａｕの質量比が３０％以上５５％以下、残部がＳｎからなることを特徴とするＡｕＳｎ合金を用いた接合において、接合後、接合材の温度を接合温度から平衡状態図における包晶温度以下まで急冷する工程を付加した接合方法である。
この接合方法においては、ＡｕＳｎ合金であって、Ａｕ量を共晶組成よりも大幅に削減して使用できるため、工業的な実用条件においても適用可能となる。
【００１６】
また、本発明の半導体装置は、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料を用いた金属薄膜でメタライズされた半導体素子と、前記半導体素子を載置する金属リードフレームと、前記半導体素子の金属薄膜がメタライズされた面及び前記金属リードフレーム間に存在して前記半導体素子と前記金属リードフレームとを接合し、前記接合材料からなる接合層と、前記半導体素子及びリードフレームを封止する封止樹脂とを備えることを特徴とする半導体装置である。
【００１７】
前記半導体装置において、前記金属フレームは、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料からなるものであることが望ましい。
【００１８】
また、前記半導体装置において、前記金属フレームは、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料を用いた金属薄膜でメタライズされていても良い。
【００１９】
以上に記載した本発明において、実質的にＡｕとＳｎからなる接合材合金は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群により選択される材料以外の金属元素が微量添加されていても、本発明の効果は変わらない。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の接合体によれば、有害なＰｂを実質的に使用せずとも十分な接合強度を有し、かつ高温条件においても機械的強度が維持可能である。
【００２１】
また、本発明の接合体によれば、高価なＡｕ使用量を従来のＡｕＳｎ共晶合金と比較して、４０〜６０％削減して使用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［発明の原理］
本発明の原理について説明する。図７が、典型的な包晶系合金の平衡状態図である。図７において、横軸が、合金を構成する成分（Ａ及びＢ）の組成比であり、縦軸が温度である。図７における点ｈ、ａ、ｅ、ｃ、ｄを結ぶ実線が液相線で、この液相線より高温領域が、この合金の液相領域である。また、点ｈ、ｉ、ｆ、ｄを結ぶ線が固相線で、この固相線より低温領域がこの合金の固相領域である。
特定組成の材料Ｃを液相線より高温の点ｙ（点ｙの温度：Ｔｙを接合温度という）まで加熱した後、理想的に平衡状態を維持しながら冷却されたとすると、点ａにおいてβ相の晶出が始まり、点ｂにおいてα相とβ相との包晶となりながら完全凝固する。
しかし、実際のはんだ付工程のように、ある冷却速度を有しながら徐冷される場合では、点aにおいてはβ相が晶出し始めるが、点ｂにおいては完全凝固されず液相が点ｃを経由し更に低温まで液相状態を維持する。その後、点ｄにおいて完全に固相状態となる。この点ｄに対応する温度Ｔｄが凝固温度であり、合金の凝固温度となる。
一方、点ｙから急冷した場合、点ａにおいてβ相の晶出が始まり、点eの組成と等しい点fの位置において、固相となる。この場合の温度Ｔfが凝固温度であり、この温度で完全に合金は固相となる。
すなわち、この発明の接合の耐熱温度は、前記Ｔｆであるのに対して、徐冷して接合する場合の耐熱温度はＴｄであり、本発明の接合によってより耐熱温度が上昇することが分かる。
【００２３】
本願発明の包晶組織を形成することができるＡｕとＳｎとの合金の状態図はこれとは異なるが、作用機構において異なるところはない。
すなわち、通常の冷却速度により作成された低Ａｕ組成合金の融点は、包晶反応が非平衡により崩れ、平衡状態図上の融点（包晶温度Ｔｆ）を下回る。このＡｕＳｎ合金を急冷により作成すると、合金の融点は、平衡状態図上の融点（包晶温度Ｔｆ）となり、またはその温度で生成される相の割合が増加し、耐熱性が向上する。
【００２４】
［第１の実施の形態：接合体］
以下本発明の実施の形態である接合体について、その概略断面図である図１を用いて説明する。図１に示すように、本発明の接合体は、被接合部材である第１基材１と、他の被接合部材である第2基材３とが、包晶系合金を構成しうる合金層２を用いて、接合されたものである。
【００２５】
本実施の形態において用いることができる接合材は、包晶系合金を構成することができる合金である。具体的には、実質的に質量構成比でＡｕを３０％以上５５％以下含み、残部が前記Ｓｎからなる金属材料が好ましい。さらに好ましくは、Ａｕ含有量が、３０％以上３８％以下、もしくは４５％以上５５％以下である。
本実施の形態において、Ａｕの質量比が３０％未満もしくは５５％を超える場合、接合の耐熱性向上が見られず、好ましくない。また、Ａｕの質量比が３８％を超え、４５％未満の場合、それ以外の本発明の範囲の場合と比較して、より低温での液相成分が増加することになり、耐熱性向上の効果がわずかながら低下する。
【００２６】
上記、本発明の合金組成には、本発明の効果を損なわない限り他の元素例えばＡｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｂ等が合計数％含まれていても構わない。また、接合層２中には、第１基材１及び第２基材３の構成金属元素が溶解・拡散することにより形成した金属間化合物が存在していても良い。
【００２７】
この発明においては、接合後の前記接合材が有する実質的な最低融点相の比率は、同一の接合材を用いて同一条件下で加熱した後、徐冷して接合した接合材よりも少ないことが必要である。
本実施の形態において、接合後の前記接合材が有する実質的な最低融点相の比率は、同一の接合材を用いて同一条件下で加熱した後、徐冷して接合した接合材と同程度であると、接合層が２５０℃程度に加熱された場合の接合強度が著しく低下するという不都合が生じる。
この評価において、接合材の溶融反応を示差走査熱量分析（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ（ＤＳＣ））により、測定することができる。
【００２８】
本発明の接合材としては、この合金の平衡状態図における液相線温度が４００℃以下、固相線温度が２５０℃以上の材料であることが好ましい。
接合材の液相線温度が４００℃を超える場合、接合時に接合材が完全に溶融し難くなる問題がある。一方、固相線温度が、２５０℃を下回った場合、耐熱温度の基準を２５０としていることより、求める耐熱強度が得られないという問題がある。
【００２９】
この実施形態においては、第１基材１及び第２基材３としては、金属材料が適している。使用する金属材料は用途に応じて選択可能で特に限定されないが、溶融したＳｎまたはＡｕとの接合性が良好であることが望ましい。具体的には、望ましくは、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料である。なお、これらの金属以外でもＧｅ、Ｂｅ、Ｎｂ、Ｍｎなどは、好ましい材料である。
【００３０】
上記の接合体を得るには以下に詳細を示すような接合方法を行うことにより得ることができる。
【００３１】
［第２の実施の形態：接合方法］
本発明の接合方法は、被接合部材間に、包晶組織を形成し得る合金を接合材として配置し、被接合部材の少なくとも接合領域及び接合材を接合材の溶融温度以上に加熱し、被接合部材と接合材を密着させた後、これらを冷却して接合を行う際に、接合材に包晶組織を形成するように、溶融温度から前記包晶組織を形成する合金の包晶温度以下まで急冷することによって、所要の接合を得るものである。
【００３２】
以下、接合工程を示す概略断面図である図２を用いて本実施の形態をさらに説明する。
本実施の形態の接合は、図２（ａ）に示すように、まず、被接合材である第１基材１と、実質的にＡｕとＳｎからなる金属材料からなる接合材５と、他の被接合材である第２基材３とを積層し、積層体６を形成する。このとき加圧を行ってもよい。
【００３３】
次に、この積層体６を３００℃以上４５０℃以下の温度に加熱する。加熱温度がこの範囲であると、実質的にＡｕとＳｎからなる金属材料で構成される接合材が溶融し、良好な接合条件を満足し、かつ高い耐熱性を有する接合層を形成することが可能となる。より好ましい加熱温度は、３５０℃以上である。
【００３４】
加熱時間は、０．１秒以上が望ましく、特にピーク温度での加熱時間が０．５秒以上となるように加熱すればより好ましい。また、加熱時間は長くとも３０秒以下でよく、ピーク温度での加熱時間が１０秒以下となるように加熱すればよい。これによって、図２（ｂ）に示すように第１基材１及び第２基材３が、実質的にＡｕとＳｎからなる金属材料で構成される接合材７と、ＳｎとＡｕと第１基材１の構成元素のいずれかからなる金属間化合物８およびＳｎまたはＡｕと第２基材３の構成元素のいずれかからなる金属間化合物９とを介して接合された接合体１０が得られる。
第１基材または第２基材が薄層（例えば１μｍ以下）の場合、その基材は完全に接合材中に溶解し、その下地元素が構成元素となる金属間化合物層が形成される。この場合においても、本願発明の効果を期待することができる。
【００３５】
次いで、前記積層体を加熱直後に前記包晶組織を形成する合金の凝固温度以下まで急冷する。
【００３６】
急冷の方法は、冷却速度が、１０２〜１０３℃／ｓｅｃ程度の範囲であれば、特にその手段を問わないが、具体的には、液体窒素などの冷媒中に、接合部材を浸漬したり、あるいは、冷媒を接合部材の接合部に噴霧などの手段で付与することによって行うことができる。示差走査熱量分析によって２１７℃〜２１８℃または２５２〜２５４℃の反応熱量が１．００Ｊ／ｇを下回るように急冷することがより好ましい。
【００３７】
なお、第１基材１又は第２基材３は、前述したように、望ましくは、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料を用いることが好ましい。
【００３８】
前記接合材５を供給する手段としては、シート状に成形した接合材を供給する手段のほかに、はんだペースト、ワイヤーはんだ、又はスーパージャフィット法、スーパーソルダー法等によるはんだプリコート等が挙げられる。かかる接合材は、Ａｕ及びＳｎを含む合金として供給してもよいし、あるいは、Ａｕ及びＳｎを含む混合物状で供給してもよい。また、Ａｕ及びＳｎのそれぞれの薄膜を積層状で供給することもできる。
【００３９】
また、接合材を薄膜として供給する方法としては、図２において接合材５を第１基材１に物理蒸着法によりメタライズして行うことができる。メタライズ方法としては、物理蒸着法である真空蒸着、イオンプレーティング、電子ビーム処理等が挙げられる。また、めっき処理を用いたメタライズ法でも差し支えない。
また、前記基材１表面に物理蒸着法により形成された実質的にＡｕとＳｎからなる金属材料で構成される接合材５の厚みは、１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲であることが望ましい。金属層が１μｍより薄い場合には、良好な接合性を確保することが困難となり、また、５０μｍ以上の場合には、物理蒸着法により接合層が形成されている為、製造効率を妨げる恐れがあるため得るため、好ましくない。
【００４０】
また、前記接合材５は、実質的に質量構成比でＡｕを３５％以上４０％以下含み、残部がＳｎであるが、それ以外の元素が微量添加されていても差し支えない。具体的な添加元素として、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｂ等が合計数％含まれていても構わない。
【００４１】
上記本実施の形態の接合方法によれば、３００℃以上４５０℃以下の接合温度条件において、良好な接合状態を確保することが可能であり、かつ従来の高温系はんだと同等の接合時間で耐熱性が高い接合部が形成される
【００４２】
すなわち、本発明によれば、急冷を行うことにより極度に接合時間が増加することが無いため、接合体の製造効率の低下を招かない。例えば、実際の半導体装置の実装工程においてＰｂ含有はんだを用いた現行の製造速度と同程度の製造速度に設定することを可能とし、製造効率を低減させない。
【００４３】
［第３の実施の形態：接合方法の変形例］
この実施の形態は、第１もしくは第2基材のいずれか少なくとも一方が、金属、セラミックス、あるいは半導体材料などからなり、その表面にメタライズ層を介して、接合材により接合を行うものである。
【００４４】
図３は、本実施の形態の接合方法を示す。図３が接合の一工程を示す断面図である。すなわち、この方法は、第1基材１が、金属、セラミックス、半導体等からなる母材１１の表面にメタライズ層１３を形成したものからなっており、さらにその表面に接合材層５が形成されている。また、第2基材も同様に、母材１２の表面にメタライズ層１４が形成されている。
母材１１，１２の材料として金属材料を用いる場合、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｎｂ、Ｍｎなどの金属を、またはこれらの金属の合金からなる群より選択される材料が好ましいが、用途に応じて選択可能であり特に限定されることはない。また、セラミックス材料としては、酸化物系、窒化物系、炭化物系など周知のセラミックス材料を用いることができるが、下記メタライズ層材料と親和性のある材料が好ましい。さらに、半導体としては、Ｓｉが好ましい。
【００４５】
前記メタライズ層１３，１４材料としては、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料であることが好ましい。
【００４６】
さらに、第1基材１表面のメタライズ層１３の表面には、物理蒸着法により形成された実質的にＡｕとＳｎからなる金属材料で構成される接合材５を形成してもよい。
【００４７】
また、第２基材３も同様に、金属、セラミックス、半導体等からなる母材１２と、その表面に形成されたメタライズ層１５とからなっている。
これらを積層することにより、接合のための積層体が得られる。
なお、第1基材１のメタライズ層１３と母材１１の間および第２基材３のメタライズ層１４と母材１２の間には、さらに他の単数もしくは複数のメタライズ層が存在していても差し支えない。
【００４８】
前記メタライズ層１３，１４を母材の表面にメタライズする手段としては、蒸着、スパッタリング、めっき処理や電子ビーム処理等が挙げられる。
【００４９】
第１基材１及び第２基材３の厚さ（平均厚さ）は、特に限定されるものではないが、図３に示すこの母材表面に形成されるメタライズ層１３，１４の厚さとしては、０．１μｍ以上、５００μｍ以下の範囲であることが望ましい。メタライズ層の厚さが、この範囲より薄いと、接合強度が低下し、信頼性のある接合を得ることができない。一方、メタライズ層の厚さが、上記範囲を上回ると、その層形成に長時間を要し、作業効率が低下する。
【００５０】
また、前記基材１表面に物理蒸着法により形成された実質的にＡｕとＳｎからなる金属材料で構成される接合材５の厚みは、１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲であることが望ましい。金属層が１μｍより薄い場合には、良好な接合性を確保することが困難となり、また、５０μｍ以上の場合には、物理蒸着法により接合層が形成されている為、製造効率を妨げる恐れがあるため得るため、好ましくない。
【００５１】
また、前記接合材５は、実質的に質量構成比でＡｕを３５％以上４０％以下含み、残部がＳｎであるが、それ以外の元素が微量添加されていても差し支えない。具体的な添加元素として、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｂ等が合計数％含まれていても構わない。
【００５２】
また、前記接合材５の供給手段としては、真空蒸着、イオンプレーティング、電子ビーム処理等が挙げられる。また、はんだペースト、シートはんだ、ワイヤーはんだ、スーパージャフィット法、スーパーソルダー法、又はめっき処理を用いても構わない。
【００５３】
［第４の実施の形態：半導体装置］
上記接合方法を採用して製造した半導体装置は、環境有害物質である鉛を用いることなく、また、高価な金を多用することなく耐熱性に優れた半導体装置を実現することができる。
以下、本実施の形態の半導体装置について図４ないし図６を用いて説明する。図４が、本実施の形態の半導体装置の正面図である。尚、図４の半導体装置の右半分は、この半導体装置の理解を容易にするために、断面図としている。この実施形態の半導体装置は、リード４１、封止樹脂４２、ワイヤ４３、リード部４７を有するリードフレーム４４、接合層４５及び半導体素子４６を含んでなるものである。２本のリード４１は、ワイヤ４３で半導体素子４６とそれぞれ接続される。リードフレーム４４のリード部４７は、２本のリード４１の間に配置される。これらの２本のリード４１及びリード部４７が、それぞれ、例えばエミッタ、ベース、コレクタとして機能する。
【００５４】
図５は、図４の半導体装置を破線により表された切断面において切断した断面図である。図６は、図５の断面図の破線部を一部拡大した断面図である。
【００５５】
図５及び図６を参照して理解されるように、この半導体装置は、半導体素子４６、前記半導体素子を載置するリードフレーム４４、前記半導体素子４５と前記リードフレーム４４とを接合する接合層４５、並びに前記半導体素子４６と前記リードフレーム４４と及び前記接合層４５とを封止する封止樹脂４２を含んでなるものである。
【００５６】
本実施の形態において、前記接合層４５が、包晶系合金を構成することができる接合材を用い、前記接合材を溶融後急冷して接合した接合層であって、接合後の前記接合材が有する実質的な最低融点相の比率が、同一の接合材を用いて同一条件下で加熱した後、徐冷して接合した接合材よりも少ないことを特徴としている。
本実施の形態の接合材等の材料としては、前述の実施の形態１ないし３に記載の材料を用いることができる。
【００５７】
これによって本実施の形態の半導体装置は、高温条件にあっても半導体素子とリードフレームとの接合部が良好な機械的強度を保持することが可能となる。
【００５８】
この実施の形態において、半導体素子としては、シリコンデバイスが適している。そして、その表面は、メタライズ層を形成することが好ましい。かかるメタライズ層の材料としては、前記第１の実施の形態において説明した材料を用いることができる。また、リードフレーム４４は、例えば銀めっきを施されていてもよい。
【００５９】
本発明の半導体装置としては、トランジスタのみに限定されるわけではなく、他にも例えばダイオード、コンデンサ、サイリスタ等とすることができる。特に、ハイパワーで使用されるパワー系半導体デバイスに適用することが、その特徴を発揮するので有用である。
【００６０】
［第５の実施の形態：半導体装置の製造方法］
以下本実施の形態の半導体装置の製造方法について更に説明する。
本実施の形態の半導体を製造するには、図４〜６に見られるように、半導体素子４６表面にメタライズ層を形成し、次いで、リードフレーム４４の表面に、接合材４５を介して半導体素子４６のメタライズ層面が密着するように載置する。この積層体を、温度３００〜４５０℃に加熱し、次いで、急冷して接合し、マウンティングを完成させる。その後、定法に従って、ボンディング工程、樹脂封止工程、外装処理、トリム・フォーミング工程等を経て、半導体装置が完成する。
【００６１】
このような半導体装置の製造方法の、接合工程においては、接合材として、上記各実施の形態において説明した接合材を用い、上記第３の実施の形態において説明した接合方法を採用することが好ましい。
【００６２】
本発明の接合方法によれば、汎用的に高温はんだとして使用される共晶組成よりもＡｕを大幅に削減した金属材料を接合材として使用しても、２６０℃以上の耐熱性を有する接合層が形成されるため、高温系マウント材として求められる２６０℃保証として、２６０℃の高温条件下においても接合層の耐熱性を維持することができる。結果として、高温条件下においても機械的強度の良好な接合体が短時間で得ることができる。
【００６３】
本発明に係る接合体、接合方法は、どのような分野で用いられてもよいが、特に製造プロセス、あるいは製品使用時に高温条件下に置かれる電子機器部品、半導体デバイス特にパワー系半導体デバイスにおける部品の接合に好適に用いられる。特に半導体素子とリードフレームとの接合に際しては特に好適に用いられる。
【００６４】
本実施の形態の半導体装置の製造方法及び半導体装置によれば、半導体装置の製造過程において有害な高Ｐｂ含有接合材を使用せずとも、高温条件下にさらされても半導体素子とリードフレーム間の接合強度は維持され、信頼性の高い半導体装置を短時間で提供できるものである。
故に、本発明は産業上及び環境対策上極めて有用である。  
【実施例】
【００６５】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００６６】
（実施例１）
パワー系半導体装置における半導体素子とリードフレームとの接合を行った。図３は半導体素子とリードフレームとの接合形態を示す断面図である。このパワー系半導体モジュールでは、１０ｍｍ角のシリコン半導体素子１１に、第１基材として、金を蒸着することによりメタライズが施され０．１μｍ厚の金よりなるメタライズ層１が形成されている。さらに、メタライズ層１表面には、実質的に質量構成比でＡｕを３５％含み、残部がＳｎよりなる１０μｍ厚の接合材５を蒸着形成した。
また、第２基材としてＡｇよりなるメタライズ層３は、Ｃｕよりなるリードフレーム１２表面上に無電解めっき処理により施した。
更に、上記接合材５とメタライズ層３とが接するように積層し、その後加熱して接合を行なった。加熱は、１００ｐｐｍ以下の酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中において、熱板上で加熱した。加熱条件は、３５０℃、５秒とした。
【００６７】
前記加熱直後に、冷却速度１０００℃／ｓで以って、瞬時に室温まで冷却した。
【００６８】
接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察から、際立ったボイドの発生は認められず、良好な接合性を示した。
【００６９】
最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、２５０℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。
【００７０】
（実施例２）
本実施例では、第２基材としてＣｕよりなるリードフレームを用いた以外は実施例１と同様にパワー系半導体装置を得た。
【００７１】
接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察から、際立ったボイドは発生せず良好な接合性を示した。
【００７２】
最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、２５０℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。
【００７３】
（実施例３）
本実施例では、半導体素子１１上に真空蒸着により形成された０．１μｍ厚のＡｕ層と、Ｃｕよりなるリードフレーム１２表面上に無電解めっき処理により施されたＡｇよりなるメタライズ層３と、実質的にＡｕとＳｎからなる金属材料のはんだ粒子を用いたはんだペーストを印刷することにより供給される接合層５を形成した以外は実施例１と同様にパワー系半導体装置を得た。はんだペースト印刷により形成された接合層５は、実質的な質量比でＡｕが５０．０％、残部がＳｎからなる金属材料を用いている。この接合層５を、Ｃｕからなるリードフレーム１２上に施されたＡｇ層３上に形成して、１００ｐｐｍの酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中において熱板上で加熱した。加熱条件は、３５０℃、５秒とした。
次いで、これを、液化窒素ガス冷媒を吹きつけて、室温まで急冷して、接合した。
【００７４】
接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察から、際立ったボイドは発生せず良好な接合性を示した。
【００７５】
最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、パワー系半導体装置を得た。
【００７６】
（試験例１）
以下、本発明の包晶系合金を構成し得る組成を決定するために、ＡｕとＳｎの配合比を種々変更し、その合金について、示差走査熱量分析を行った。
すなわち、Ａｕの配合量を２５質量％から５７質量％まで変更したＡｕ−Ｓｎ系合金を準備し、溶融するまで加熱し、各組成の合金毎に冷却速度１０００℃／ｓで以って急冷した試料と、自然空冷で以って徐冷した試料とを２種類作成した。
加熱速度５℃／分により測定し、２１７℃近傍および２５２℃近傍で反応した熱量（Ｊ／ｇ））の結果を、下記表１に示す。なお、急冷により２１７℃〜２１８℃または２５２〜２５４℃の反応熱量が１．００Ｊ／ｇを下回る範囲が、本発明において好ましい範囲である。
【００７７】
【表１】
2008080393.tif 000003
【００７８】
上記表１に見られるように、Ａｕの含有率３０〜３８％の試料については、２１７℃において徐冷時に見られる吸熱反応（即ち、反応熱量が１．００Ｊ／ｇを超える）が急冷時には消滅しており顕著な急冷効果がみられた。また、Ａｕの含有率４５〜５５％の試料については、２５２℃において徐冷時に見られた吸熱反応が急冷時の試料には消滅しており同様に顕著な急冷効果が見られた。また反応熱量が０．６５Ｊ／ｇ以下であるように急冷することがより好ましい。上記結果から、急冷によって、溶融温度上昇が生じていることが明らかとなった。
【００７９】
（試験例２）
Ｓｎ３２Ａｕ及びＳｎ４８Ａｕからなる組成の接合材を準備し、上記試験例１と同様にして、示差走査熱量分析を行った。その結果を図８に示す。
図８において、（ａ）が、Ｓｎ３２Ａｕ合金を溶融して徐冷した場合と、急冷した場合の吸熱曲線であり、図８（ａ）の結果から、急冷によって、２１７℃の吸熱が減少し、その代わりに２５４℃の吸熱が増加している。つまり、急冷によって、より低い温度での反応が減少しており、耐熱性が向上していることが明らかとなった。
同様に図８（ｂ）の結果を見れば、Ｓｎ４８Ａｕ合金においても、上記と同様、急冷によって、より低温の２５２℃近辺の吸熱が減少し、３１６℃近辺の吸熱が増加しており、耐熱性が向上していることが明らかとなった。
【００８０】
本発明に係る接合体、接合方法は、広範な分野で利用できるが、特に製造プロセス、あるいは製品使用時に高温条件下に置かれる電子機器部品、半導体デバイス特にパワー系半導体デバイスにおける部品の接合に好適に用いられ、とりわけ半導体素子とリードフレームとの接合に際してはより好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の接合体の概略断面図である。
【図２】本発明の接合方法の工程を示す工程断面図である。
【図３】本発明の接合方法の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の接合方法を適用した半導体装置の断面図である。
【図５】図４の要部拡大断面図である。
【図６】図５の要部拡大断面図である。
【図７】本発明の原理を説明するための典型的な包晶系合金の平衡状態図である。
【図８】本発明の接合材料の耐熱性の改善を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８２】
１…第1基材
２…接合層
３…第２基材
４…接合体
５…シート状接合材
６…積層体
７…接合
８…接合層材料を構成する元素と第1基材を構成する元素との金属間化合物層
９…接合層材料を構成する元素と第２基材を構成する元素との金属間化合物層
１０…接合体
１１、１２…母材
１３、１４…メタライズ層
４１…リード
４２…封止樹脂
４３…ワイヤ
４４…リードフレーム
４５…接合層
４６…半導体素子
４７…リード部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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