(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金１００質量部と、０．０５〜２質量部の残部Ｓｎとで構成される鉛フリーはんだ材料であり、
前記Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金は、第１共晶合金であるＺｎ−Ａｌ合金と第２共晶合金であるＧｅ−Ｎｉ合金とからなり、Ｚｎ、Ａｌ、ＧｅおよびＮｉの含有量がそれぞれ９４．３質量％、５質量％、０．５質量％および０．２質量％である、鉛フリーはんだ材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器、電気機器、機械部品などの組立で用いられる鉛フリーはんだ材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、一般に半導体素子（半導体チップ）と基材とを具備し、半導体素子は、はんだ材料などにより基材に接合されている。パワーデバイス製品のような半導体装置は、放熱特性を必要とするため、基材となるリードフレームには放熱部が設けられており、半導体素子は放熱部に接合されている。
【０００３】
半導体素子とリードフレームの放熱部とを接合する工程は、ダイボンド工程と呼ばれる。ダイボンド工程の後、半導体素子とリードフレームとの接合体は、ワイヤーボンド工程やリフロー工程を経て、最終製品となる。
【０００４】
従来のパワーデバイス製品は、ダイボンド工程において、一般的にＰｂとＳｎとを含む合金（Ｐｂ−Ｓｎ合金）からなる高温はんだ材料を用いている（特許文献１参照）。Ｐｂ−Ｓｎ合金の融点は、３００℃近傍であるため、ワイヤーボンド工程やリフロー工程による加熱では、Ｐｂ−Ｓｎ合金の再溶融は起こりにくい。よって、作業工程において、半導体素子とリードフレームの放熱部との間で、ボイドの発生が防止され、良好な放熱特性が確保される。
【０００５】
Ｐｂ−Ｓｎ合金は、熱伝導性にも優れており、更に、硬度が２５Ｈｖ程度と低いため、均一なワイヤー形状に容易に加工できる。よって、はんだ材料を半導体素子やリードフレームの接合面に供給する際、はんだ材料の供給量のバラツキが抑制され、効率的に作業を行うことができる。
【０００６】
更に、Ｐｂ−Ｓｎ合金は、半導体素子を構成するＳｉなどの線膨張係数と、一般的に使用されているリードフレーム（主に銅製）の線膨張係数との差を緩和する機能を有するため、半導体素子にクラック等が発生するのを防止できる。
【特許文献１】特開平４−２８６１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、環境規制の観点から、鉛を含まないはんだ材料（鉛フリーはんだ材料）の開発が積極的に進められている。しかし、パワーデバイス製品には放熱特性が要求され、更に、リフロー工程の際には、はんだ材料が再溶融しないことが要求される。  
【０００８】
一方、鉛フリーはんだ材料の多くは、融点が高い。融点の高い鉛フリーはんだ材料を溶融させるためには、製造設備の作業温度を上昇させる必要があり、設備投資のコストが高くなる。また、入手可能な鉛フリーはんだ材料は、Ｐｂ−Ｓｎ合金からなるはんだ材料と比較して硬度が高いため、リードフレームとの接合面において半導体素子に応力が発生しやすい。そのため、半導体素子にクラックが発生する場合があり、パワーデバイス製品の信頼性が低くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記を鑑み、従来の作業温度を大幅に上昇させることがなく、半導体素子にクラックが発生する確率を低減することができる鉛フリーはんだ材料を提供することを目的の１つとする。
【００１０】
本発明は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金１００質量部と、０．０５〜２質量部の残部Ｓｎとで構成される鉛フリーはんだ材料であり、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金は、第１共晶合金であるＺｎ−Ａｌ合金と第２共晶合金であるＧｅ−Ｎｉ合金とからなり、Ｚｎ、Ａｌ、ＧｅおよびＮｉの含有量がそれぞれ９４．３質量％、５質量％、０．５質量％および０．２質量％である、鉛フリーはんだ材料（鉛フリーはんだ材料Ａ）に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｚｎ−Ａｌ合金からなる第１共晶合金とＧｅ−Ｎｉ合金からなる第２共晶合金とを含む合金（Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金）からなる鉛フリーはんだ材料の融点を低下させると共に、その硬度を低減できる。よって、例えば２５０〜３５０℃の融点を有し、加工性に優れ、かつ、半導体素子と基材との線膨張係数の差による応力を緩和できる鉛フリーはんだ材料を提供できる。
【００１２】
本発明によれば、電子部品、電子機器などの鉛フリー化が可能となるだけでなく、パワーデバイス製品のような半導体装置の製造工程において、作業温度を低くすることができる。よって、信頼性の高い製品を供給することができる。本発明の鉛フリーはんだは、ワイヤーや金属箔への加工が容易であり、作業効率も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１
本実施形態は、第１共晶合金と第２共晶合金とを含む合金材料からなり、第１共晶合金は、Ｚｎ−Ａｌ合金からなり、第２共晶合金は、Ｇｅ−Ｎｉ合金からなり、合金材料は、更に、Ｓｎを含み、合金材料に含まれるＳｎの量が、第１共晶合金と第２共晶合金との合計１００質量部あたり、０．０５〜２質量部である、鉛フリーはんだ材料に関する。
【００１４】
Ｚｎ−Ａｌ合金からなる第１共晶合金とＧｅ−Ｎｉ合金からなる第２共晶合金とを含む合金（Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金）は、本実施形態の鉛フリーはんだ材料の母材（ベース）となる。
【００１５】
第１共晶合金と第２共晶合金とを溶融状態で混合し、その後、凝固させると、均一な合金が得られる。しかし、合金を微視的に見ると、第１共晶合金と第２共晶合金とを区別できる。例えば、はんだ材料の断面を電子顕微鏡などで観察することにより、第１共晶合金と第２共晶合金の存在を観察することができる。
【００１６】
ここで、Ｚｎ−Ａｌ合金とは、２〜７質量％（好ましくは約５質量％）のＡｌを含み、残部がＺｎからなる２元共晶合金を示す。Ｚｎ−Ａｌ合金は、約３８５℃の共晶点を有する。Ｇｅ−Ｎｉ合金とは、２０〜３８質量％（好ましくは約２８質量％）のＮｉを含み、残部がＧｅからなる２元共晶合金を示す。Ｇｅ−Ｎｉ合金は、約７７５℃の共晶点を有する。
【００１７】
第１共晶合金と第２共晶合金との合計に占める第２共晶合金の含有量は、０．０５〜２質量％が好ましく、０．１〜１．５質量％が更に好ましく、０．３〜１質量％が特に好ましい。
【００１８】
母材、すなわちＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金の融点は、３８５〜４２０℃であり、現行品であるＰｂ−Ｓｎ合金の融点（２９０〜３３０℃）よりも高くなっている。よって、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金を溶融させ、半導体素子と基材とを接続するためには、製造設備の作業温度を、少なくとも現行より約６０℃程度上昇させる必要がある。しかし、作業温度を上昇させると、製造設備の熱劣化が起こりやすくなる。
【００１９】
Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金の硬度は、ビッカース硬度で、約９０Ｈｖであり、現行品であるＰｂ−Ｓｎ合金の硬度（約２５Ｈｖ）よりも高くなっている。よって、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金を、例えばワイヤー状に均一に加工することは困難である。このことは、半導体素子や基材の接合面に、鉛フリーはんだ材料を供給する際に、はんだ材料の供給量にバラツキが生じることを意味する。
【００２０】
鉛フリーはんだ材料の硬度を下げることは、融点を下げることと同様に、半導体装置の製造においては重要である。
【００２１】
表１は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金にＳｎを添加した場合の融点と硬度を示している。ただし、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＺｎ、Ａｌ、ＧｅおよびＮｉの含有量は、それぞれ９４．３質量％、５質量％、０．５質量％および０．２質量％である。表１中に示したＳｎの添加量（質量部）は、母材であるＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金１００質量部あたりの量である。硬度比率は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金のビッカース硬度に対する、Ｓｎを添加した合金材料のビッカース硬度の割合を、百分率で示している。
【００２２】
【表１】
0004703492.tif 000002
【００２３】
Ｓｎの添加量が２質量部を超えると、Ｚｎ中に固溶しないＳｎが遊離するため、Ｓｎの融点である２３２℃程度の低温で、合金材料の一部が溶融する。このような低融点成分がはんだ材料に含まれると、半導体装置を基板（マザーボード）に実装する際に、リフロー装置による加熱により、はんだ材料が再溶融する可能性がある。その結果、パワーデバイス製品などでは、半導体素子と基材との間にボイドが発生し、放熱特性が劣化する。よって、Ｓｎの添加量は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金１００質量部あたり、２質量部以下とすることが必要である。
【００２４】
表１から、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金に、Ｓｎを添加することにより、合金材料の硬度が顕著に低下することがわかる。合金材料の硬度が低下すると、はんだ材料が供給される接合面における応力が緩和されやすい。
【００２５】
本実施形態の鉛フリーはんだ材料は、従来と同様に、ワイヤー、金属箔、インゴットなどの状態で、半導体素子や基材の接合面に供給することができる。鉛フリーはんだ材料の溶融を伴う接合は、水素ガスまたは窒素ガスを含む雰囲気中で行うことが好ましい。
【００２６】
参考形態１
本参考形態は、第１共晶合金と第２共晶合金とを含む合金材料からなり、第１共晶合金は、Ｚｎ−Ａｌ合金からなり、第２共晶合金は、Ｇｅ−Ｎｉ合金からなり、合金材料は、更に、ＳｎおよびＩｎを含み、合金材料に含まれるＳｎの量が、第１共晶合金と第２共晶合金との合計１００質量部あたり、０．０５〜２質量部であり、合金材料に含まれるＩｎの量が、第１共晶合金と第２共晶合金との合計１００質量部あたり、０．０５〜３質量部である、鉛フリーはんだ材料に関する。
【００２７】
Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金に、Ｓｎと共に、Ｉｎを添加することにより、合金材料の融点と硬度を、更に低下させることができる。例えば、Ｚｎ−５Ａｌ−０．２Ｎｉ−０．５Ｇｅ（５質量％のＡｌと、０．２質量％のＮｉと、０．５質量％のＧｅを含み、残部がＺｎである合金）１００質量部に対し、２質量部のＳｎを添加すると、融点は約７．５℃程度低下し、硬度は約１４%程度低下する。このはんだ材料に、更に３質量部のＩｎを添加すると、融点は更に約７℃低下し、硬度は約１０％程度低下する。
【００２８】
表２は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金にＳｎとＩｎとを添加した場合の融点と硬度を示している。ただし、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＺｎ、Ａｌ、ＧｅおよびＮｉの含有量は、それぞれ９４．３質量％、５質量％、０．５質量％および０．２質量％である。表１中に示したＳｎおよびＩｎの添加量（質量部）は、母材であるＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金１００質量部あたりの量である。硬度比率は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｎｉ合金のビッカース硬度に対する、ＳｎおよびＩｎを添加した合金材料のビッカース硬度の割合を、百分率で示している。
なお、Ｉｎの添加量が４質量％になると、Ｓｎ−Ｉｎ共晶合金（融点約１２０℃）の生成量が多くなる。
【００２９】
【表２】
0004703492.tif 000003
【００３０】
参考形態２
本参考形態は、第１共晶合金と第２共晶合金とを含む合金材料と、合金材料の表面を被覆する金属層とを含み、第１共晶合金は、Ｚｎ−Ａｌ合金からなり、第２共晶合金は、Ｇｅ−Ｎｉ合金からなり、金属層は、ＳｎまたはＳｎ−Ｉｎ合金からなる、鉛フリーはんだ材料に関する。Ｓｎの融点は２３２℃であり、Ｓｎ−Ｉｎ合金の融点は１２０℃である。これらの融点は、かなり低いため、本参考形態の鉛フリーはんだ材料は、半導体素子や基材の接合面との濡れ性に優れている。また、接合が完了した後には、金属層が合金材料に溶け込んでいるため、実施の形態１および参考形態１の鉛フリーはんだ材料を用いた場合と同様に、接続不良が生じにくく、半導体素子のクラックも生じにくい。
【００３１】
金属層は、第１共晶合金と第２共晶合金とを含む合金材料の表面の少なくとも一部、または、表面全体を被覆している。第１共晶合金と第２共晶合金とを含む合金材料の形状は、特に限定されず、例えばワイヤー、シート（箔）、粒状物などの形状を有する。例えば、第１共晶合金と第２共晶合金とを含む合金材料がシート状である場合、金属層は、シートの少なくとも一方の面に形成されていればよいが、両面に形成されていることが好ましい。この場合、一方の面にＳｎからなる層を形成し、他方の面にＳｎ−Ｉｎ合金からなる層を形成してもよく、両面にＳｎからなる層またはＳｎ−Ｉｎ合金からなる層を形成してもよい。
【００３２】
図１は、本参考形態に係るシート（箔）状の鉛フリーはんだ材料の一例の断面を概念的に示している。シート状の鉛フリーはんだ材料１０は、第１共晶合金と第２共晶合金とを含む合金材料からなる内層１１と、上層金属層１２と、下層金属層１３とを具備する。上層金属層１２および下層金属層１３は、ＳｎまたはＳｎ−Ｉｎ合金からなり、例えばメッキ法により、合金材料からなる内層１１の表面に形成されている。
【００３３】
上層金属層１２および下層金属層１３は、それぞれ独立に、Ｓｎ単体からなる層でもよく、Ｓｎ−Ｉｎ合金からなる層でもよい。内層１１の厚みをＴとするとき、上層金属層１２および下層金属層１３の厚みｔは、それぞれ０．００５≦ｔ／Ｔ≦０．３を満たすことが好ましく、０．０１≦ｔ／Ｔ≦０．１５を満たすことが更に好ましい。ただし、第１共晶合金と第２共晶合金とを含む合金材料からなる内層１００質量部あたり、Ｓｎが０．０５〜２質量部、Ｉｎが０．０５〜３質量部となるように、各層の厚みを制御することが望ましい。
【００３４】
Ｓｎ−Ｉｎ合金に含まれるＩｎの量は、特に限定されないが、例えば４０〜７０質量％であることが好ましい。参考形態３においても同様である。
【００３５】
実施の形態２
本実施形態は、第１接合面を有する半導体素子と、第２接合面を有する基材と、第１接合面と第２接合面とを接合する鉛フリーはんだ材料とを含む半導体装置に関する。ここで、鉛フリーはんだ材料には、実施の形態１の鉛フリーはんだ材料を用いることができる。
【００３６】
図２Ａは、本実施形態に係る半導体装置の一例を概念的に示す上面図である。図２Ｂは図２Ａのｂ−ｂ線断面図である。
半導体装置（例えばパワートランジスタ）２０は、下面に第１接合面を有する半導体素
子２１と、上面に第２接合面を有する放熱部２２ａを含む基材（リードフレーム）２２と、第1接合面と第２接合面とを接合する鉛フリーはんだ材料２３とを具備する。基材２２は、第１リード２４と一体となっている。半導体素子２１は、金属線２６を介して、２つの第２リード２５と接続されている。半導体素子２１、第２リード２５の一端および金属線２６は、破線で示した封止樹脂２７により封止されている。
【００３７】
半導体素子や基材の接合面における応力を十分に緩和し、半導体装置の信頼性を十分に向上させる観点から、接合面における鉛フリーはんだ材料の厚み（半導体素子の第１接合面と、基材の放熱部の第２接合面との間の距離）は、４０μm以上とすることが好ましい。
【００３８】
参考形態３
本参考形態は、第１接合面を有する半導体素子と、第２接合面を有する基材と、第１接合面および第２接合面の少なくとも一方に存在する金属層と、第１接合面と第２接合面との間に付与される鉛フリーはんだ材料とを含み、鉛フリーはんだ材料は、第１共晶合金と第２共晶合金とを含む合金材料からなり、第１共晶合金は、Ｚｎ−Ａｌ合金からなり、第２共晶合金は、Ｇｅ−Ｎｉ合金からなり、金属層は、ＳｎまたはＳｎ−Ｉｎ合金からなる半導体装置部品の組み合わせに関する。
【００３９】
図３は、本参考形態に係る半導体装置部品の組み合わせの一例を概念的に示す断面図である。半導体装置部品の組み合わせ３０は、以下の要領で得ることができる。
まず、第１接合部を有する半導体素子（例えばパワートランジスタ）３１と、第２接合部である放熱部３２ａ、第１リード３４および第２リード３５を有する基材（リードフレーム）３２とを作製する。
【００４０】
次に、第１接合部および第２接合部の少なくとも一方に、めっき法により、ＳｎまたはＳｎ−Ｉｎ合金からなる金属層３３ａを形成する。更に、第１接合部と第２接合部との間に、鉛フリーはんだ材料３３を介在させる。ここで、鉛フリーはんだ材料には、実施の形態１〜３の鉛フリーはんだ材料を用いることができる。その後、鉛フリーはんだ材料と金属層とを、加熱し、冷却すると、第１接合部と第２接合部とが接合される。
【００４１】
次に、半導体素子３１と、第２リード３５とを、金属線３６を介して接続し、最後に、半導体素子３１、第２リード３５の一端および金属線３６を封止樹脂３７により封止することにより、実施の形態２と同様の半導体装置が得られる。
【００４２】
このように、半導体素子や基材の接合面に、予め、低融点であるＳｎ層（融点２３２℃）またはＳｎ−Ｉｎ合金層（融点１２０℃）を形成しておくことにより、鉛フリーはんだ材料と、半導体素子や基材の接合面との濡れ性が向上する。また、接合が完了した後には、金属層が鉛フリーはんだ材料に溶け込んでいるため、実施の形態１および参考形態１の鉛フリーはんだ材料を用いた場合と同様に、接続不良が生じにくく、半導体素子のクラックも生じにくい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の鉛フリーはんだ材料は、特に、パワーデバイス装置のような半導体装置に好適である。本発明を適用することで、従来のＰｂ−Ｓｎ合金からなるはんだ材料と同様の設備で半導体装置を生産することが可能となる。本発明は、フリップチップ、ＢＧＡ（BallGrid Array）、モジュールなどの接続用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】参考形態２に係る鉛フリーはんだ材料の一例の縦断面図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の一例を概念的に示す上面図である。
【図２Ｂ】図２Ａのｂ−ｂ線断面図である。
【図３】参考形態３に係る半導体装置部品の一例を概念的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  鉛フリーはんだ材料
１１  内層
１２  上層金属層
１３  下層金属層
２０  半導体装置
３０  半導体装置部品の組み合わせ
２１、３１  半導体素子
２２、３２  基材
２２ａ、３２ａ  放熱部
２３、３３  鉛フリーはんだ材料
２４、３４  第１リード
２５、３５  第２リード
２６、３６  金属線
２７、３７  封止樹脂
３３ａ  金属層
【図１】
0004703492.tif 000004
【図２Ａ】
0004703492.tif 000005
【図２Ｂ】
0004703492.tif 000006
【図３】
0004703492.tif 000007