(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、接合温度の上昇に起因する熱的損傷や接合部内に発生する空隙に起因する放熱性低下の問題を解決した、Ｐｂを含有しない新規なロウ材シートとその製造方法ならびに電子部品用パッケージを提供することである。【解決手段】  本発明はＡｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の表面にＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を有するロウ材シートであり、好ましくは前記Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の平均厚さが２０〜２００μｍである。さらに好ましくは前記Ｉｎ層の平均厚さが１０〜３０μｍである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の表面にＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を有することを特徴とするロウ材シート。
【請求項２】
前記Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の平均厚さが２０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のロウ材シート。
【請求項３】
前記Ｉｎ層の平均厚さが１０〜３０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のロウ材シート。
【請求項４】
前記Ｉｎ合金層の平均厚さが１０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のロウ材シート。
【請求項５】
Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の表面にＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を有するロウ材シートの製造方法において、前記箔材表面に前記金属層を減圧雰囲気中で蒸着により形成することを特徴とするロウ材シートの製造方法。
【請求項６】
Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の表面にＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を有するロウ材シートの製造方法において、前記箔材と前記金属層とを重ねてロール加圧により形成することを特徴とするロウ材シートの製造方法。
【請求項７】
半導体素子と配線基板との接合部、配線基板と放熱部材との接合部または半導体素子と放熱部材との接合部のいずれかを有する電子部品用パッケージであって、前記接合部は、一方の接合面側にＡｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金層が配置され、他方の接合面側にＩｎもしくはＩｎ合金層が配置され、両者の界面にはＡｇまたはＣｕとＩｎとの金属間化合物が形成されていることを特徴とする電子部品用パッケージ。
【請求項８】
前記ＩｎもしくはＩｎ合金層は実質的にすべて前記ＡｇまたはＣｕとＩｎとの金属間化合物に置換されていることを特徴とする請求項７に記載の電子部品用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の接合部材として用いられるロウ材シートおよびその製造方法ならびに電子部品用パッケージに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器産業において、Ｓｉなどからなる半導体素子を配線基板に電気的に接続する方法として、Ａｕ線を用いたワイヤボンディングが広く用いられている。ワイヤボンディングを行うためには半導体素子を配線基板に接合し固定する必要があり、その固定のための接合部材が使用されている。
また、パワーデバイス用半導体素子のように素子がジュール熱を大量に発生する場合、半導体素子と配線基板の固定にも接合部材が用いられている。この場合は特に、接合部材は半導体素子から配線基板へ熱を逃がす熱媒体としての重要な役割も果たしている。
さらに、配線基板からの放熱を加速させるためにヒートシンクなどの放熱部材を配線基板に接合する場合や、半導体素子からの放熱を加速するために、ヒートシンクなどの放熱部材を半導体素子の回路端子形成面と逆面に接合する場合などにも接合部材が使用されている。
このような用途の接合部材は、はんだを代表とする様々なロウ材が使用されている。従来から使用されているＳｎ−Ｐｂ共晶はんだは、融点が１８３℃であり、はんだ付け温度が２００℃程度と低くできるため、半導体素子や配線基板を構成する樹脂系素材に与える熱的損傷が少ないといった利点を有する。
【０００３】
一方、近年自然環境への配慮から接合部材を形成するロウ材中のＰｂを削減しようとするいわゆるＰｂフリー化の動きが活発化しており、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替材が各種提案されている。
たとえば特許文献１では、ロウ材としてはんだ付け温度が２５０℃程度のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金が提案されており、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだに対する代替材として広く実用化されてきている。
また、接合部材を形成する、より高融点を有するロウ材としては、特許文献２や特許文献３に、融点が約１０００℃のＣｕと融点が約２３０℃のＳｎの粒子を還元作用のあるフラックスと混ぜてペースト状にした接合材料が提案されている。このロウ材は、接合時に３００℃程度まで加熱して低融点のＳｎ粒子のみを溶融させてＣｕ粒子と反応させ、Ｓｎ粒子よりも高融点のＣｕ−Ｓｎ化合物をＣｕ粒子間に拡散層として形成し接合するという、機構を利用するものである。
【特許文献１】特開平１０−６０７５号公報
【特許文献２】特開２００２−２５４１９４号公報
【特許文献３】特開２００３−２１１２８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に開示されるロウ材はＰｂを含有せず２５０℃程度で接合できる点では有利であるものの、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだと比較して５０℃程度接合温度が上昇し、半導体素子や配線基板を構成する樹脂系素材の変質を招くことが問題となっている。また特許文献２や特許文献３に開示されるロウ材も同様に、Ｐｂを含有せず３００℃程度で接合できる点では有利であるものの、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだと比較して接合温度が約１００℃上昇することに加え、Ｓｎ粒子とＣｕ粒子をフラックスと混錬しただけの状態であるため、接合した後の接合部内に多くの空隙が残存し、半導体素子や配線基板からの放熱性や接合部の接合信頼性が著しく低下する。
本発明の目的は、接合温度の上昇に起因する熱的損傷や接合部内に発生する空隙に起因する放熱性や接合部の接合信頼性低下の問題を解決した、Ｐｂを含有しない新規なロウ材シートとその製造方法ならびに電子部品用パッケージを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、接合温度の上昇や空隙に起因する放熱性低下の問題について検討した結果、融点が約１５０℃であるＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金からなる箔材の表面に形成したロウ材シートとすることで、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだよりも低い温度で接合することができ、空隙の発生も抑制して放熱性が損なわれないことを見出し本発明に到達した。
【０００６】
すなわち本発明はＡｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の表面にＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を有するロウ材シートである。
好ましくは前記Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の平均厚さが２０〜２００μｍである。
また好ましくは前記Ｉｎ層の平均厚さが１０〜３０μｍである。
また、好ましくは、前記Ｉｎ合金層の平均厚さが１０〜５０μｍである。
【０００７】
本発明のロウ材シートの製造方法は、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の表面にＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を有するロウ材シートの製造方法において、前記箔材と前記金属層とを減圧雰囲気中で蒸着により形成するロウ材シートの製造方法である。
【０００８】
また、本発明は、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の表面にＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を有するロウ材シートの製造方法において、前記箔材と前記金属層とを重ねてロール加圧により形成するロウ材シートの製造方法である。
【０００９】
本発明のパッケージは、半導体素子と配線基板との接合部、配線基板と放熱部材との接合部または半導体素子と放熱部材との接合部のいずれかを有する電子部品用パッケージであって、前記接合部は、一方の接合面側にＡｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金層が配置され、他方の接合面側にＩｎもしくはＩｎ合金層が配置され、両者の界面にはＡｇまたはＣｕとＩｎとの金属間化合物が形成されている電子部品用パッケージである。
また、前記ＩｎもしくはＩｎ合金層は実質的にすべて前記ＡｇまたはＣｕとＩｎとの金属間化合物に置換されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電子部品用パッケージの接合部における、空隙の形成に起因する強度低下や耐落下衝撃性低下などの接合信頼性の問題を飛躍的に改善することができ、Ｐｂを含有しない接合部材の実用化にとって欠くことのできない技術となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上述したように、本発明のロウ材シートの重要な特徴は、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の表面にＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を有することにある。素材として粒子を用いる場合、粒子間に空隙が発生しロウ付け後もその空隙が残存し接合強度や放熱性を損ねるが、粒子の代わりに箔材を使用することで空隙の発生を大幅に抑制することができる。
【００１２】
またＩｎは融点が約１５０℃であるため１８０℃程度で接合することが可能であり、これは従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだよりも約２０℃低い利点を有する。一方、半導体素子が大量のジュール熱を発する場合、その放熱により低融点の接合部材は再溶融する恐れがあるが、箔材としてＡｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金を用いることで、接合時にＩｎと箔材が反応してＩｎよりも融点の高い金属間化合物を箔材との間に形成し、接合部の融点を接合前よりも高めることができる。この効果は半導体素子と配線基板との接合に限らず、配線基板とヒートシンクなどの放熱部材との接合や、半導体素子とヒートシンクなどの放熱部材とを接合する場合にも同様に得られる。
【００１３】
箔材の表面に有する金属層としては、Ｉｎ合金層とすることも有効である。Ｉｎ合金層としては、Ｉｎ−Ｓｎ合金層、Ｉｎ−Ｂｉ合金層あるいはＩｎ−Ｓｎ−Ｂｉ合金層を用いることが出来る。これらの合金層は、融点がＩｎと同様に低く、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだよりも低温で接合できる利点がある。  また、箔材としてＡｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ合金を用いることで、接合時にＩｎ合金層と箔材が反応してＩｎ合金層よりも融点の高い金属間化合物を箔材との間に形成し、接合部の融点を接合前よりも高めることができる。
さらに、Ｉｎ合金層は、希少金属であり非常に高価なＩｎの含有量を減らすことが出来、同じ厚さのＩｎ層と比較して、コストが低減できる効果もある。
【００１４】
Ｉｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層の形成方法としては真空蒸着法やクラッド法、めっき法などが挙げられる。これらの方法では厚いＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を形成することが容易である。また、真空蒸着法は前記利点に加え、真空雰囲気中でＩｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層を形成する乾式法であるため、Ｉｎ層またはＩｎ合金層からなる金属層の酸化や異物による汚染を低減でき、めっき膜のようにめっき液に起因したガス成分を巻き込む恐れもない。
【００１５】
また前記Ａｇ、ＣｕおよびＡｇ−Ｃｕ合金の箔材の平均厚さは２０〜２００μｍであることが好ましい。箔の厚さが２０μｍ以上であればロウ材シート作製時やはんだ付け時のハンドリングが容易である。一方、２００μｍを超えると薄型化が進む傾向にある電子部品に対してロウ材の厚さがかなりの部分を占めるようになり、薄型化に不向きである。
【００１６】
また前記Ｉｎ層の平均厚さは１０〜３０μｍであることが好ましい。１０μｍよりも薄い場合、接合自体は可能であるが、Ｉｎ層の厚みに対して金属間化合物が多く形成されるため接合信頼性の面で問題となる可能性がある。一方、３０μｍよりも厚い場合、接合は非常に容易であり接合信頼性も高いが、ロウ材シートの厚さが厚くなり電子部品の薄型化に向かないことに加え、高価なＩｎの使用量が大きくなり、ロウ材シートが非常に高価となってしまう。
【００１７】
また、前記Ｉｎ合金層の平均厚さは、１０〜５０μｍであることが好ましい。１０μｍよりも薄い場合、Ｉｎ層の場合と同様に、接合自体は可能であるが、Ｉｎ合金層の厚みに対して金属間化合物が多く形成されるため接合信頼性の面で問題となる可能性がある。一方、５０μｍより厚い場合も接合は非常に容易であり接合信頼性も高いが、ロウ材シートの厚さが厚くなり電子部品の薄型化に向かない。ただし、Ｉｎ合金層とすることにより、高価なＩｎの使用量を少なくすることが出来、Ｉｎ層より厚くすることが可能である。
【００１８】
本発明の電子部品用パッケージは、接合後の接合部においてはＩｎもしくはＩｎ合金層が配置され、両者の界面にはＡｇまたはＣｕとＩｎとの金属間化合物が形成している必要がある。その理由として、Ｉｎ層またはＩｎ合金層の融点はＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点より低く、接合温度を下げることが出来、耐熱性の低い半導体素子や配線基板の接合にも用いることが可能となる。また、接合部がＡｇまたはＣｕとＩｎとの金属間化合物を形成していることにより、Ｉｎのみで形成された接合部に比べ、クリープ強度が向上し、接続信頼性が向上するからである。
また、本発明の電子部品用パッケージは、前記ＩｎもしくはＩｎ合金層は実質的にすべて前記ＡｇまたはＣｕとＩｎとの金属間化合物に置換されていることが好ましい。その理由として、ＩｎもしくはＩｎ合金層が実質的にすべて前記ＡｇまたはＣｕとＩｎとの金属間化合物に置換されることにより、Ｉｎのみで形成された接合部に比べ、接合部での融点を接合前より高くすることができ、高温での接続信頼性が向上するからである。
【００１９】
半導体素子、配線基板または放熱部材の接合面には、めっき法またはスパッタ法などによりＮｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｃｏのうち一種以上からなる層を形成しても良い。これにより半導体素子、配線基板または放熱部材の接合面とＩｎ層またはＩｎ合金層との反応性が増し、より強固な接合が得られる。
【００２０】
本発明によるパッケージの形態を図６、７、８に示す。図６は、半導体素子１と配線基板２との接合に本発明のロウ材シート１０を使用したパッケージである。図６(a)は、リードフレームをエッチングあるいはパンチングで形成した配線基板２を使用するもので、配線基板２上に本発明のロウ材シート１０を搭載し、その上に半導体素子１を搭載した状態で、加熱処理をして半導体素子１と配線基板２を接合する。その後、半導体素子１上の電極と、配線基板２上の電極とをボンディングワイヤ４によって接続する。さらに外部端子部を除く部分をモールド樹脂５によって封止する。
【００２１】
図６(ｂ)に、配線基板３がリードフレームではなく、プラスチック基板やセラミック基板等のパッケージ基板である形態を示す。実装密度の向上やパッケージの小型薄型化の効果が得られるため、近年急速に適用が増加しているパッケージ形態である。接合の工程としては、配線基板３の上に本発明のロウ材シート１０を搭載し、その上に半導体素子１を搭載した状態で、加熱処理をして半導体素子１と配線基板３を接合する。以下の工程は図６(a)のパッケージの場合と同様である。
【００２２】
図７に、配線基板と放熱部材の接合に本発明のロウ材シートを用いたパッケージを示す。配線基板３の上部には既に前記図６(ｂ)の工程によりロウ材シート１０と半導体素子１が接合されている。配線基板と放熱部材に接合工程としては、放熱部材６の上に本発明のロウ材シート１１を搭載し、その上に既に半導体素子１が接合された配線基板３を半導体素子１が接合されている面と逆の面を下にして搭載し、加熱処理をすることで、配線基板３と放熱部材６を接合する。
【００２３】
図８に、半導体素子と放熱部材の接合に本発明のロウ材シートを用いたパッケージを示す。まず、半導体素子１は、半導体素子１上の回路端子と配線基板３上の電極が接続するように接合ざれている。その半導体素子１の上面に本発明のロウ材シート１２を搭載し、その上に放熱部材６を搭載して、加熱処理をすることで、半導体素子１と放熱部材６を接合する。
【実施例】
【００２４】
（実験１）
Ａｇ箔、Ｃｕ箔およびＡｇ−１５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）合金箔を用意し、それぞれの箔の表面にＩｎ層を表１に示す真空蒸着法またはクラッド法により形成し、本発明のロウ材シートを作製した。
次に基板としてＣｕ基板、Ｃｕ基板上に５μｍのＮｉめっきを施し、さらに０．０５μｍのＡｕめっきを施しためっき付きＣｕ基板、及びＦｅ−４２Ｎｉ（ｍａｓｓ％）基板上に３μｍのＮｉめっきを施しためっき付き４２Ｎｉ基板の３種類を準備した。
得られた本発明のロウ材シートを長さ６ｍｍ、幅３ｍｍの大きさに切断し、表１に示す組み合わせにより各基板上に配置して、窒素雰囲気中で２００℃まで加熱して接合試験を行った。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
接合試験後、断面組織観察を行い、接合部における空隙率を測定した。ここで空隙率は、接合部に占める空隙の面積率として定義し測定した。
また、接合強度を評価するため、基板に接合したシートに対してせん断試験を実施した。手法としては、基板を水平に固定し、せん断冶具をシート端部に当てて２００μｍ／ｓの速度で５０Ｎの荷重を負荷し、剥離の有無を確認した。
【００２７】
評価結果を表２に示す。表２より、いずれの実施例でも空隙率は０であり、放熱性が損なわれる恐れがない。また、５０Ｎの荷重を加えても剥離せず、接合強度が確保できた。
さらに、図１、２に実施例１および４の接合部断面組織写真を示す。図１および２より、２００℃という低い温度でも互いが十分に接合していることがわかる。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
（実験２）
Ａｇ箔を用意し、その箔の表面にＩｎ層を表３に示す真空蒸着法またはクラッド法により形成し、本発明のロウ材シートを作製した。
次に基板としてＦｅ−４２Ｎｉ（ｍａｓｓ％）基板上に３μｍのＮｉめっきを施し、さらにその表面に０．０５μｍのＡｕめっきを施しためっき付き４２Ｎｉ基板を準備した。
得られた本発明のロウ材シートを長さ６ｍｍ、幅３ｍｍの大きさに切断し、表３に示す組み合わせにより各基板上に配置して、窒素雰囲気中で１８０℃まで加熱して接合試験を行った。比較例は比較のため、Ｉｎ層のみを基板上に配置して、窒素雰囲気中で１８０℃まで加熱して接合を行った。
接合試験後、断面組織観察を行い、反応層厚さの測定および、接合強度を評価するため、基板に接合したシートに対してせん断試験を実施した。手法としては、基板を水平に固定し、せん断冶具をシート端部に当てて２００μｍ／ｓの速度でせん断力を負荷し、剥離時のせん断強度を測定した。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
評価結果を表４に示す。表４より、せん断強度については、本発明によるロウ材シートを用いた実施例５、６、７の場合、比較材である比較例に比べ、２倍程度のせん断強度が得られ、信頼性の高い接合が可能であることが確認できた。Ｉｎ層厚１８〜５０μmの範囲ではせん断強度の優位な差は見られなかった。
【００３２】
表４に反応層の厚さを示す。また図３、４、５に断面組織の写真を示す。反応層の厚さはロウ材シートのＩｎ層の厚さに対応し、Ｉｎ層の厚さが厚いものほど反応層の厚さが厚くなっている。１８０℃と低い温度での接合であるが、接合層にはＩｎと箔材Ａｇとの化合物が形成され互いが十分に接合していることがわかる。
【００３３】
【表４】
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【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１を示す断面ミクロ組織写真である。
【図２】実施例４を示す断面ミクロ組織写真である。
【図３】実施例５を示す断面ミクロ組織写真である。
【図４】実施例６を示す断面ミクロ組織写真である。
【図５】実施例７を示す断面ミクロ組織写真である。
【図６】本発明のロウ材シートを、半導体素子と配線基板との接合に用いた電子部品用パッケージを示す図である。
【図７】本発明のロウ材シートを、配線基板と放熱部材との接合に用いた電子部品用パッケージを示す図である。
【図８】本発明のロウ材シートを、半導体素子と放熱部材との接合に用いた電子部品用パッケージを示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  半導体素子
２  配線基板（リードフレーム）
３  配線基板（プラスチックあるいはセラミック）
４  ボンディングワイヤ
５  モールド樹脂
６  放熱部材
１０  ロウ材シート（半導体素子と配線基板の接合）
１１  ロウ材シート（配線基板と放熱部材の接合）
１２  ロウ材シート（半導体素子と放熱部材の接合）
【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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