(57)【要約】【課題】Ｐｂ及びＡｕを実質的に含有しない接合材を用い、高温条件下においても良好な機械的強度を保持可能で、接合部が短時間で形成可能な接合体、半導体装置及び接合体の製造方法を提供する。【解決手段】Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＮｉから選ばれる金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなる第１の基材と、少なくとも接合面が金属からなる第２の基材と、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の層、該接合材と前記第１の基材との界面反応により形成されたＳｎ相を含むＺｎ、及び前記第１の基材の構成元素との金属間化合物の層とを有する、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する接合層とからなることを特徴とする接合体を使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＮｉから選ばれる金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなる第１の基材と、
少なくとも接合面が金属からなる第２の基材と、
Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の層、該接合材と前記第１の基材との界面反応により形成されたＳｎ相を含むＺｎ、及び前記第１の基材の構成元素との金属間化合物の層とを有する、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する接合層とからなることを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記第１の基材がＣｕ、Ａｇ若しくはＡｕ又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなることを特徴とする請求項１記載の接合体。
【請求項３】
前記第１の基材がＣｕ又はＣｕ基合金からなることを特徴とする請求項１記載の接合体。
【請求項４】
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＮｉから選ばれる金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなる金属リードフレームと、
前記金属リードフレームに実装された接合面がメタライズされた半導体素子と、
前記金属リードフレームと前記半導体素子のメタライズされた面を接合する、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる第１の層と前記金属リードフレームとの界面反応により形成されたＳｎ相を含むＺｎと前記金属リードフレームの構成元素との金属間化合物からなる第２の層とを有する接合層と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記金属リードフレームがＣｕ又はＣｕ基合金からなることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＮｉから選ばれる金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなり、接合面にＳｎ又はＳｎ基合金からなる金属層を形成させた第１の基材と、少なくとも接合面が金属からなる第２の基材とを、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材を介して積層体とする積層工程と、
前記積層体を、非酸化雰囲気中で、３００℃以上、４５０℃以下の温度で加熱して、前記第１の基材と前記接合材との接合界面に、Ｓｎ相を含むＺｎと前記第１の基材の構成元素との金属間化合物の層を形成させつつ一体に接合する工程と
からなることを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項７】
前記Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材が、質量構成比でＺｎを５０質量％以上、９５質量％以下含み、残部が実質的にＳｎからなることを特徴とする請求項６記載の接合体の製造方法。
【請求項８】
前記Ｓｎ又はＳｎ基合金からなる金属層が、少なくとも前記接合材との接触下で、２５０℃以下の温度で溶融可能であることを特徴とする請求項６又は７記載の接合体の製造方法。
【請求項９】
前記第１の基材がＣｕ又はＣｕ基合金からなることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか一項記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合体、半導体装置及び接合体の製造方法に係り、特に電子機器の部品の接合に好適に用いられ、金属材料または金属がメタライズされた非金属材料を、実質的にＰｂ及びＡｕを含有しない接合材を用いて接合した接合体、半導体装置及び接合体の製造方法に関する。
【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、主に融点が約１８３℃以下の低温系はんだ（Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ）と、融点が約３００℃程度の高温系はんだ（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】
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、今後数年で多くのセットメーカーで非Ｐｂ系共晶はんだの代替は完了することが予定されている。
【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基合金が挙げられるが、貴金属のＡｕ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、２及び３）。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。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フラックスが使用されている。
【０００７】
しかしながら、近年フロンの使用規制にともない、はんだ付け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。
【特許文献１】特開２００１−１２１２８５
【特許文献２】特開２００１−００９５８７
【特許文献３】特開２００４−２３７３５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、実質的にＰｂおよびＡｕを含有しない接合材を用い、高温条件下においてもなお良好な機械的強度を保持可能で、接合部が短時間で形成可能な接合体、半導体装置及び接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＮｉから選ばれる金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなる第１の基材と、少なくとも接合面が金属からなる第２の基材と、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の層、該接合材と前記第１の基材との界面反応により形成されたＳｎ相を含むＺｎ、及び前記第１の基材の構成元素との金属間化合物の層とを有する、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する接合層とからなることを特徴とする接合体である。前記接合体において、前記第１の基材がＣｕ、Ａｇ若しくはＡｕ又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなることが望ましく、Ｃｕ又はＣｕ基合金からなることがより望ましい。
【００１０】
また、本発明は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＮｉから選ばれる金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなる金属リードフレームと、前記金属リードフレームに実装された接合面がメタライズされた半導体素子と、前記金属リードフレームと前記半導体素子のメタライズされた面を接合する、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる第１の層と前記金属リードフレームとの界面反応により形成されたＳｎ相を含むＺｎと前記金属リードフレームの構成元素との金属間化合物からなる第２の層とを有する接合層と、前記半導体素子を封止する封止樹脂とを有することを特徴とする半導体装置である。前記半導体装置において、前記金属リードフレームがＣｕ又はＣｕ基合金からなることが望ましい。
【００１１】
さらにまた、本発明は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＮｉから選ばれる金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなり、接合面にＳｎ又はＳｎ基合金からなる金属層を形成させた第１の基材と、少なくとも接合面が金属からなる第２の基材とを、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材を介して積層体とする積層工程と、前記積層体を、非酸化雰囲気中で、３００℃以上、４５０℃以下の温度で加熱して、前記第１の基材と前記接合材との接合界面に、Ｓｎ相を含むＺｎと前記第１の基材の構成元素との金属間化合物の層を形成させつつ一体に接合する工程とからなることを特徴とする接合体の製造方法である。前記接合体の製造方法において、前記Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材が、質量構成比でＺｎを５０質量％以上、９５質量％以下含み、残部が実質的にＳｎからなることが望ましい。前記接合体の製造方法において、前記Ｓｎ又はＳｎ基合金からなる金属層が、少なくとも前記接合材との接触下で、２５０℃以下の温度で溶融可能であることが望ましい。前記接合体の製造方法において、前記第１の基材がＣｕ又はＣｕ基合金からなることが望ましい。
なお、本発明におけるＺｎ−Ｓｎ系合金とは、ＺｎおよびＳｎのみからなる合金だけでなく、Ａｇ１０％以下、Ｃｕ５％以下、Ａｕ１０％以下程度を添加元素として含んだものであっても構わない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の接合体によれば、Ｚｎと基材の構成元素との金属間化合物が形成されるので、十分な接合強度を有し、かつ高温条件下においても機械的強度が維持可能である。
【００１３】
また、本発明の半導体装置によれば、Ｚｎと基材の構成元素との金属間化合物が形成されるので、高温条件下においても半導体素子とリードフレーム間の接合強度は維持可能である。
【００１４】
本発明の接合方法によれば、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材に対しフラックスを使用しなくても良好な接合状態を確保することが可能であり、耐熱性が高い接合部が形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、第１の基材１と第２の基材２とが、第１の基材１の表面上に、Ｓｎ相３を含んでなるＺｎと第１の基材の構成元素との金属間化合物の層４と、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の層５を介して接合された本発明の一実施形態に係る接合体６を拡大して示す断面図である。
【００１６】
第１の基材１は金属材料が使用される。第１の基材として使用する金属材料は用途に応じて選択可能であるが、第１の基材１は、高温条件下において溶融した接合材に溶解−拡散した場合、形成される合金の固相線温度が著しく低下しない材料であることが望ましい。第１の基材１の主たる金属材料の構成元素はＺｎと金属間化合物を形成する。このような金属材料は、具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ若しくはＮｉから選ばれた金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金である。これらの金属を用いた場合には、耐熱性に優れた接合部を形成することができる。これらの金属材料のうち、Ｃｕ、Ａｇ若しくはＡｕから選ばれた金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金がより耐熱性を有するため好ましく、Ｃｕ又はＣｕ基合金からなることが良好な導電性を有するためより好ましい。なお、これらの金属以外でもＡｌ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｎｂ、Ｍｎなどが、合金成分として使われてもよい。
【００１７】
第２の基材２は金属材料が使用される。この金属材料は用途に応じて選択可能であるが、特に限定されることはない。第２の基材２は、高温条件下において溶融した接合材に溶解−拡散した場合、接合材中に固溶して形成される合金の固相線温度が著しく低下しない材料であることが望ましい。これらの金属としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、若しくはＡｌから選ばれた金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金などがある。これらの金属を用いた場合には、耐熱性に優れた接合部を形成することができる。これらの金属材料のうち、Ｃｕ、Ａｇ若しくはＡｕから選ばれた金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金がより優れたＳｎとの接合性を有するため好ましく、Ｃｕ又はＣｕ基合金からなることが安価な金属材料を用い製造コストを抑えることができるためより好ましい。なお、これらの金属以外でもＧｅ、Ｂｅ、Ｎｂ、Ｍｎなどが、合金成分として使われてもよい。第２の基材２の金属材料は、上記の第１の基材１の金属材料と同じであってもよい。この場合、第２の基材２として使用される主たる金属材料の構成元素はＺｎと金属間化合物を形成する。
【００１８】
また、第２の基材２は、図１に示されるように、接合層５により直接接合されていてもよいし、Ｚｎと第２の基材２の構成元素との金属間化合物の層を介して接合層５により接合されていてもよい。
【００１９】
Ｓｎ相３は、Ｚｎと第１の基材１の構成元素との金属間化合物の層４中に分散されて存在する。Ｓｎ相は、５〜６μｍ程度のＳｎの粒子から構成される。金属間化合物の層４中に可撓性を有するＳｎ相３が存在することにより、接合体６のクラックの発生が抑制される傾向になる。
【００２０】
Ｚｎと第１の基材１との構成元素との金属間化合物の層４は、接合条件、例えば加熱温度、加熱時間、又は加熱前に予め形成する第１の基材１上に形成するＳｎ又はＳｎ基合金の金属層の厚さ等によるが、通常１０μｍ以上の厚さを有する。
【００２１】
Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の層５は、実質的にＺｎとＳｎとからなる。その組成比率は、加熱溶融される前のＺｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の質量構成比（Ｚｎが５０％以上９５％以下であり、残部が実質的にＳｎである）、とほぼ同じである。この接合材の層５は、ＳｎＺｎ共晶、Ｚｎ初晶相等を有していてもよい。
また、この接合材の層５中には、第１の基材１の構成金属元素及び／又は第２の基材２の構成金属元素が溶解・拡散することにより形成したＺｎ又はＳｎとの金属間化合物が存在していても良い。
【００２２】
上記の接合体の製造は以下に詳細を示すような接合体の製造方法により行うことができる。
【００２３】
図２は、本発明の他の実施形態に係る接合体の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、まず、第１の基材１と、第１の基材１の表面上に形成するＳｎ又はＳｎ基合金からなる金属層７と、第２の基材２と、第２の基材２の表面上に形成するＳｎ又はＳｎ基合金からなる金属層８とを、それぞれの金属層７，８の間にＺｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材９とを介在させて積層し、積層体１０を形成する。このとき加圧を行ってもよい。
【００２４】
次に、この積層体１０を３００℃以上４５０℃以下で加熱することによって、図２（ｂ）に示すように第１の基材１及び第２の基材２が、第１の基材１の接合界面に、Ｓｎ相１１を含むＺｎと第１の基材１の構成元素との金属間化合物の層１２、第２の基材２の接合界面に、Ｓｎ相１３を含むＺｎと第２の基材２の構成元素との金属間化合物の層１４、及びこれらの金属層の間の接合層１５を介して接合された接合体１６が製造される。
【００２５】
なお、第１の基材１又は第２の基材２の一方の表面にＳｎ又はＳｎ基合金からなる金属層を形成させずに、第１の基材１と第２の基材２とを接合させて接合体を製造することも可能である。また、場合によりＳｎ又はＳｎ基合金からなる金属層を形成させた第１の基材又は第２の基材のいずれか一方の上に、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材９を例えば蒸着法により予め形成させた後、これらを接合することにより第１の基材と第２の基材とを接合する方法も本発明の範疇に含まれる。
【００２６】
第１の基材１及び第２の基材２は、上記の接合体における第１の基材１及び第２の基材２と実質的に同じである。Ｓｎ又はＳｎ基合金からなる金属層７，８をそれぞれ第１の基材１及び第２の基材２にメタライズする手段としては、蒸着、めっき処理や電子ビーム処理等が挙げられる。
【００２７】
図３は、本発明のさらに他の実施形態に係る接合体の製造方法を示す断面図である。この実施形態では、第２の基材２が、金属、セラミックス、半導体等からなる母材１７の表面に形成されたメタライズ層２となっている。メタライズ層２を構成する金属材料は用途に応じて選択可能である。前記メタライズ層２は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ若しくはＮｉから選ばれる金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金からなる材料であることが好ましい。さらに、メタライズ層２の表面には、Ｓｎ又はＳｎ基合金からなる金属層８を形成し、また、第１の基材１の表面にも、Ｓｎ又はＳｎ基合金からなる金属層７を形成し、各金属層の間にはＺｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材９を配置し積層体１８を構成し、その後、この積層体１８を加熱することによって、接合体を製造することができる。
【００２８】
一方、第１の基材１が、金属、セラミックス、半導体等からなる母材の表面上にメタライズ層が形成されることによって、接合体を製造してもよい。
さらに、第１の基材１及び第２の基材２が共に、金属、セラミックス、半導体等からなる母材の表面上にメタライズ層が形成されることによって、接合体を製造してもよい。なお、メタライズ層となる第１の基材１及び／又は第２の基材２と母材の間には、さらにいくつかのメタライズ層が存在していても本発明の範疇に含まれる。
第１の基材１又は第２の基材のいずれか一方の表面上にＳｎ又はＳｎ基合金からなる金属層を形成する場合には、他方の表面上にＳｎ又はＳｎ基合金からなる金属層を形成しないで、積層体を構成し、その後、積層体を加熱することによって、接合体を製造することも可能である。
【００２９】
前記金属層７，８を第１の基材１及び／又は第２の基材２にメタライズする手段としては、蒸着、めっき処理や電子ビーム処理等が挙げられる。
【００３０】
以下、本発明の実施形態に係る接合体の製造方法で用いられる部材について説明する。第１の基材１及び第２の基材２は、上記の接合体において説明した第１の基材１及び第２の基材２と実質的に同じである。第１の基材１及び第２の基材２の厚さ（平均厚さ）は特に限定されるものではないが、図３に示されるように他の母材表面にメタライズされた場合には、０．１μｍ以上、５００μｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００３１】
Ｓｎ又はＳｎ基合金からなる金属層は、主としてＳｎからなる金属層であるが、例えば融点を下げる、等のため、Ａｇ、Ｃｕ等の他の成分を加えることが可能である。この金属層は、少なくとも接合材との接触下で、２５０℃以下の温度で溶融することが、Ｚｎと第１の基材の構成元素とからなる金属間化合物、及び場合によりＺｎと第２の基材の構成元素とからなる金属間化合物が形成しやすくなるため好ましい。
【００３２】
また、Ｓｎ又はＳｎ基合金からなる金属層は、３μｍ以上、３０μｍ以下の範囲であることが望ましい。金属層が３μｍより薄い場合には、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の良好な接合性を確保することが困難となり、また３０μｍ以上の場合には、接合後にＺｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材と金属層が混合した際に、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材のＳｎ量が必要以上に上昇し、接合部の耐熱性低下が起こる恐れがあるためである。
【００３３】
前記金属層７，８を第１の基材１及び／又は第２の基材２にメタライズする手段としては、蒸着、めっき処理や電子ビーム処理等が挙げられる。
【００３４】
Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材９は、質量構成比で、Ｚｎを５０％以上、９５％以下含み、残部は実質的にＳｎからなる。Ｚｎを７０％以上、９０％以下含み、残部が実質的にＳｎからなる金属材料であることが経済性、作業性の面から望ましい。Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材は、第３の成分として、例えば、耐熱性を向上させるためにＡｇ、Ｃｕを、また脱酸のためにＢｉを、その他Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｂ等が加えられていてもよい。これらの第３成分の配合量は、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の合計の１００重量％に基づいて、５重量％以下である。
【００３５】
また、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材は、良好な接合強度を確保するために厚さ１μｍ以上、５００μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上、５０μｍ以下とすることが望ましい。Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の厚さが厚すぎると、接合時間において熱が接合材全体に均等に伝わらず溶融しない箇所が現れ、ぬれ性の低下を招く恐れがあり、薄すぎると、接合後の接合強度が確保できない恐れがある。
【００３６】
Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の供給手段としては、めっき処理、シートはんだ、ワイヤーはんだ、又はスーパージャフィット法やスーパーソルダー法などによるはんだプリコート等が挙げられる。
【００３７】
シートはんだ材を使用する場合は、シート厚を極端に大きくした場合も同様に、数秒の接合時間において、熱が接合材全体に均等に伝わらず溶融しない箇所が現れ、ぬれ性の低下を招く恐れが考えられる。そのため、短時間で接合を行なうためには、可能な限りシート厚を小さくするため３０〜５０μｍの範囲内にすることが望ましい。
【００３８】
さらに本発明の実施形態に係る接合体の製造方法について更に説明する。積層体を加熱する際の加熱温度は３００℃以上、４５０℃以下の範囲内である。この範囲であると、高温系マウント材として求められる保証温度である２６０℃の高温環境下においても固相保持可能なＺｎ−Ｓｎ系接合材が溶融し、基材との接合が可能となる。加熱温度は好ましくは３５０℃以上である。
【００３９】
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秒以下で十分であり、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十分である。
【００４０】
また、本発明の実施形態に係る接合体の製造方法は、非酸化雰囲気下、例えばフォーミングガス雰囲気下で加熱が行われる。具体的には、酸素濃度を１００ｐｐｍ以下にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気下で加熱が行われる。
【００４１】
なお、本発明によれば接合時間が極度に増加することがないため、接合体の製造効率の低下を招かない。すなわち、従来のＰｂ含有の高温系はんだと同等の接合時間で良好な接合を達成できる。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。
【００４２】
本発明の接合体の製造方法によれば、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。また、接合材内部において、第１の基材及び／又は第２の基材の構成元素が、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材に固溶した相、または、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材中のＺｎもしくはＳｎと各基材構成元素とで構成される金属間化合物相等が生成してもよい。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。
【００４３】
本発明に係る接合体、接合体の製造方法は、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。
【００４４】
図４は、本発明のさらに別の実施形態である半導体装置を示す正面図である。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、透視図としている。この実施形態の半導体装置は、リード２１、封止樹脂２２、ワイヤ２３、リード部２４を有するリードフレーム２５、接合材の層２６及び半導体素子２７を含んでなるものである。２本のリード２１は、ワイヤ２３で半導体素子２７とそれぞれ接続される。リードフレーム２５のリード部２４は、２本のリード２１の間に配置される。これらの２本のリード２１及びリード部２４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。
【００４５】
前記半導体装置において、前記金属リードフレームは用途に応じて選択可能である。金属リードフレームとして使用される主たる金属材料の構成元素はＺｎと金属間化合物を形成する。金属材料は、具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ若しくはＮｉから選ばれた金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金である。これらの金属を用いた場合には、耐熱性に優れた接合部を形成することができる。これらの金属材料のうち、Ｃｕ、Ａｇ若しくはＡｕから選ばれた金属又はこれらの少なくとも１種を主体とする合金がより耐熱性を有するため好ましく、Ｃｕ又はＣｕ基合金からなることが良好な導電性を有するためより好ましい。なお、これらの金属以外でもＡｌ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｎｂ、Ｍｎなどが、合金成分として使われてもよい。
【００４６】
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さらに拡大した断面図である。
【００４７】
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２７の金属薄膜がメタライズさた面と金属リードフレーム２５とを、Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の層２６とＳｎ相２８を含むＺｎと金属リードフレームの構成元素との金属間化合物の層２９を介して接合され、封止樹脂２２により封止されるものである。リードフレーム２５は、例えばＡｇめっきが施されていてもよい。
【００４８】
このような半導体装置は、上記の接合体の製造方法により製造することができる。なお、半導体装置の製造方法において、金属薄膜は、用途に応じて選択可能である。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望ましい。また、半導体装置の製造方法において、例えば、予め、半導体素子２７上にＡｕなどの金属層が設けられ、その表面上にＳｎ又はＳｎ基合金からなる金属層を形成させて、加熱接合することにより半導体装置を製造する場合には、半導体素子２７上に形成するＡｕなどの金属層の厚さにもよるが、ＺｎとＡｕなどとの金属間化合物の層が形成されてもよい。
【００４９】
なお、本発明のさらに別の実施形態に係る半導体装置としては、例えばダイオード、トランジスタ、コンデンサ、サイリスタ等を挙げることができる。
【００５０】
本発明のさらに他の実施形態に係る半導体装置の製造方法としては、半導体装置の製造の際に適当な圧力を加えて製造することもできる。このような半導体装置の製造方法は、有害なＰｂ及び高価なＡｕを実質的含まない接合材を使用して、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。
【００５１】
さらに、本発明の実施形態に係る接合体について顕微鏡写真を用いて説明する。図７は、第１の基材であるＣｕ板１の上に、Ｓｎ又はＳｎ３．５Ａｇ合金による金属皮膜を形成し、その上にＺｎ−４０Ｓｎ系合金の接合材５を積層して３５０℃で５秒間加熱してＣｕ板１と接合材５を一体化した模擬接合体の接合界面近傍における断面の顕微鏡写真である（（ａ）２００倍、（ｂ）５００倍、（ｃ）１０００倍）。図中、符号３はＳｎ相、符号４はＺｎ−Ｃｕ金属間化合物の層である。なお、試料Ｎｏ．１はＣｕ上にＳｎ金属層を形成させずに接合体を製造したもの、試料Ｎｏ．２は、Ｃｕ板１上に５μｍのＳｎ金属層を形成させて接合体を製造したもの、試料Ｎｏ．３は、Ｃｕ板１上に１０μｍのＳｎ金属層を形成させて接合体を製造したもの、試料Ｎｏ．４は、Ｃｕ板１上に１０μｍのＳｎ３．５Ａｇ金属層を形成させて接合体を製造したものである。
【実施例】
【００５２】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００５３】
（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。半導体素子とリードフレームとの接合状態については、図３を参照されたい。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に、第２基材として、Ａｕを蒸着することによりメタライズが施され０．１μｍ厚のＡｕよりなるメタライズ層２が形成されている。さらに、メタライズ層２の表面には、５μｍ厚のＳｎよりなる金属層８を蒸着形成した。また、第１の基材としてＣｕよりなるリードフレーム１上にも、５μｍ厚のＳｎからなる金属層７を無電解めっき処理により施した。上記金属層の間に、５０μｍ厚のシート状のＺｎ−４０ｍａｓｓ％Ｓｎ接合材９を載置し、金属層７と接合材９とが、また、金属層８と接合材９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）雰囲気中で熱板上で加熱した。加熱条件は、３５０℃、５秒とした。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
（実施例２）
本実施例ではリードフレーム１に、無電解めっきにより１０μｍ厚のＳｎ−Ａｇ共晶合金層７を施し、接合材として、シート状のＺｎ−８０ｍａｓｓ％Ｓｎ接合材９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。すわわち、この接合層９を、Ｃｕからなるリードフレーム上１に施されたＳｎ−Ａｇ共晶合金層７に載置し、その上にＡｕメタライズ層２を施した半導体素子１７を載置して、１００ｐｐｍの酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で熱板上で加熱した。加熱条件は、３５０℃、５秒とした。  
【００５７】
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。
【００５８】
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。    
【００５９】
（実施例３）
本実施例では、半導体素子１７上に真空蒸着により形成された０．１μｍ厚のＡｕ層２および１０μｍ厚のＳｎ層８の表面上に、更に真空蒸着により１０μｍ厚のＺｎ−Ｓｎ系接合層９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。蒸着により形成されたＺｎ−Ｓｎ接合層９は、Ｓｎが５０．０重量％、残りがＺｎからなるＺｎ―Ｓｎ系合金を用いている。この接合層９を、Ｃｕからなるリードフレーム１上に施されたＳｎ層７上に搭載して、１００ｐｐｍの酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で熱板上で加熱した。加熱条件は、３５０℃、５秒とした。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態に係る接合体を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る接合体の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態に係る接合体の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明のさらに別の実施形態に係る半導体装置を示す正面図である。
【図５】図４の半導体装置の破線の切断面において切断した断面図である。
【図６】図５の断面図をさらに拡大した断面図である。
【図７】基材Ｃｕ上の接合界面を示す断面写真である。
【符号の説明】
【００６３】
１…第１の基材、２…第２の基材、３，１１，１３…Ｓｎ相、４，１２…Ｚｎと第１の基材の構成元素とからなる金属間化合物の層、５，１５…Ｚｎ−Ｓｎ系合金からなる接合材の層、６，１６…接合体、７，８…Ｓｎ又はＳｎ基合金からなる金属層、９…接合材、１０，１８…積層体、１４…Ｚｎと第２の基材の構成元素とからなる金属間化合物の層、１７…母材、２１…リード、２２…封止樹脂、２３…ワイヤ、２４…リード部、２５…リードフレーム、２６…接合材の層、２７…半導体素子、２８…Ｓｎ相、２９…Ｚｎと金属リードフレームの構成元素との金属間化合物の層
【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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