(57)【要約】【課題】熱膨張率の差に起因する割れが発生しにくい高鉛はんだの代替材料として好適な接続材料及びそれを用いたはんだ付け製品を提供する。【解決手段】３５０℃以上４５０℃以下の領域で超塑性が発現する金属Ｘからなる金属Ｘ層１０１の表面に、Ｚｎを主成分とする金属Ａからなる金属Ａ層１０２と、Ａｌを主成分とする金属Ｂからなる金属Ｂ層１０３と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎのうちのいずれかの金属Ｒからなる金属Ｒ層１０４とが、この順に積層されており、金属Ｂ層１０３の厚さｂと金属Ａ層１０２の厚さａとの層厚比Ａ（＝ｂ／ａ）が、Ａ≦（１／６）、金属Ｒ層１０４の厚さｒが、０．２μｍ以上であり、かつ、金属Ｘ層１０１の厚さｘと金属Ｒ層１０４の層厚比Ｃ（＝ｒ／ａ）が、Ｃ≦１／２０としたものである。【選択図】図１
2013146764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３５０℃以上４５０℃以下の領域で超塑性が発現する金属Ｘからなる金属Ｘ層の表面に、Ｚｎを主成分とする金属Ａからなる金属Ａ層と、Ａｌを主成分とする金属Ｂからなる金属Ｂ層と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎのうちのいずれかの金属Ｒからなる金属Ｒ層とが、この順に積層されており、前記金属Ｂ層の厚さｂと前記金属Ａ層の厚さａとの層厚比Ａ（＝ｂ／ａ）が、Ａ≦（１／６）、前記金属Ｒ層の厚さｒが、０．２μｍ以上であり、かつ、前記金属Ｘ層の厚さｘと前記金属Ｒ層の層厚比Ｃ（＝ｒ／ａ）が、Ｃ≦１／２０であることを特徴とする接続材料。
【請求項２】
前記金属Ｂ層の厚さｂおよび前記金属Ｘ層の厚さｘと、前記金属Ａ層の厚さａの層厚比Ｂ（＝（ｂ＋（１／２）×ｘ）／ａ）が、Ｂ≧１／５である請求項１に記載の接続材料。
【請求項３】
前記金属Ｘ層の厚さｘと前記金属Ｂ層の厚さｂは、（１／２）×ｘ＞ｂである請求項１に記載の接続材料。
【請求項４】
前記金属Ａは、Ｚｎが９０ｍａｓｓ％以上含まれている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の接続材料。
【請求項５】
前記金属Ｂは、Ａｌが９０ｍａｓｓ％以上含まれている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の接続材料。
【請求項６】
前記金属Ｘは、
Ｚｎ：２．０ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％
Ｍｇ：０．１ｍａｓｓ％〜５．０ｍａｓｓ％
Ｃｕ：０ｍａｓｓ％〜５．０ｍａｓｓ％
Ｍｎ：０ｍａｓｓ％〜１．５％ｍａｓｓ％
Ｓｉ：０ｍａｓｓ％〜１．０％ｍａｓｓ％
Ｆｅ：０ｍａｓｓ％〜１．０％ｍａｓｓ％
Ｃｒ：０ｍａｓｓ％〜０．５％ｍａｓｓ％
Ｚｒ：０ｍａｓｓ％〜０．５％ｍａｓｓ％
Ｔｉ：０ｍａｓｓ％〜０．３％ｍａｓｓ％
を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ系合金である請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の接続材料。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の接続材料を介して被接続部材同士がはんだ接続されていることを特徴とするはんだ付け製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ付けするための接続材料に係り、特に、鉛フリーである高耐熱性で、接続信頼性を向上できる接続材料及びそれを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
はんだ付け製品の一例として、高耐熱性の接続材料を用いた半導体装置について、図１０及び図１１を用いて説明する。
【０００３】
図１０は、従来の半導体装置の構造を示す。図１１は、再溶融したはんだによるフラッシュを説明する図である。
【０００４】
図１０に示すように、半導体装置７は、半導体素子１がフレーム２上にはんだ３により接続され、ワイヤ４によりリード５のインナーリードと半導体素子１の電極がワイヤボンディングされた後、封止用レジン６あるいは不活性ガスにより封止されて製造される。
【０００５】
この半導体装置７において、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の中温の鉛フリーはんだによりプリント基板に、半導体装置７のリード５がリフローはんだ付けされる場合、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだの融点は約２２０℃である一方、リフローはんだ付けの際には最高２６０℃まで達することが想定される。そのため、リフローはんだ付けの際に、半導体装置７内のはんだ３が溶融し、溶融したときのはんだ３の体積膨張によって、図１１に示すようなフラッシュ８と呼ばれる封止用レジン６とフレーム２の界面からはんだ３が漏れ出す現象が起こりうる。あるいは、漏れ出さないまでも、漏れ出そうと作用し、その結果、凝固後にはんだの中に大きなボイドが形成され不良品となる。したがって、リフローはんだ付けの際に、はんだを溶融させないためのダイボンディングには、２９０℃以上の融点を有する高鉛はんだが使用される。
【０００６】
しかし、鉛は人体への有害性が指摘されていることから、電機・電子機器中の鉛使用を禁止するＲｏＨＳ（Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment）指令の施行等で鉛の使用規制が拡大している。高鉛はんだは８５ｍａｓｓ％以上の鉛を含有しているため、ＲｏＨＳ指令で禁止されているＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに比べて環境への負荷が大きい。よって、高鉛はんだに代わる接続材の開発が望まれている。
【０００７】
高鉛はんだの代替材料としては、例えば、融点の面よりＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｇｅ等のＡｕ系はんだ、Ｚｎ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ、およびＢｉ、Ｂｉ−Ｃｕ、Ｂｉ−Ａｇ等のＢｉ系はんだが知られている。
【０００８】
しかしながら、Ａｕ系はんだは、Ａｕを８０ｍａｓｓ％以上含有しているため、高コストになることから汎用性に難がある。また、Ｂｉ系はんだは、熱伝導率が約９Ｗ／ｍＫと現行の高鉛はんだより低く、高放熱性が要求されるパワー半導体装置およびパワーモジュール等への適用は難しい。また、ＺｎおよびＺｎ−Ａｌ系はんだは、約１００Ｗ／ｍＫと高い熱伝導率を有するが、濡れ性が悪いという問題がある。
【０００９】
これに対して、特許文献１では、Ａｌ：１〜７ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．５〜６ｍａｓｓ％、Ｇａ：０．１〜２０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．００１〜０．５ｍａｓｓ％、残部をＺｎおよび不可避不純物とすることを開示している。特許文献１によれば、上記構成を採用したことでＺｎ系はんだ合金のＣｕやＮｉに対する濡れ性を向上させることができるとしている。
【００１０】
また、特許文献２では、Ａｌ：１７〜３０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０〜１．５ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０〜１．０ｍａｓｓ％のＺｎ−Ａｌ共析合金の超塑性現象を利用して対象物を接合するＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を開示している。特許文献２によれば、上記構成を採用したことで、鉛フリーで高い融点を有し、かつ固相状態で接合が可能なＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を提供することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３５８５３９号公報
【特許文献２】特開２００９−１１３０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
半導体素子やフレームなどの被接続部材同士を高鉛はんだに代わる従来の接続材によって接続させる際、半導体素子と被接続部材との熱膨張率が異なるため、接続時に加熱されたときや加熱後に凝固するときに、夫々の被接続部材における膨張・収縮の度合いに差が生じて、被接続部材、あるいは接続材の周辺にボイドが発生し、ボイド周辺から優先的に割れてしまうことがあった。
【００１３】
そこで本発明の目的は、熱膨張率の差に起因する割れが発生しにくい高鉛はんだの代替材料として好適な接続材料及びそれを用いたはんだ付け製品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために請求項１の発明は、３５０℃以上４５０℃以下の領域で超塑性が発現する金属Ｘからなる金属Ｘ層の表面に、Ｚｎを主成分とする金属Ａからなる金属Ａ層と、Ａｌを主成分とする金属Ｂからなる金属Ｂ層と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎのうちのいずれかの金属Ｒからなる金属Ｒ層とが、この順に積層されており、前記金属Ｂ層の厚さｂと前記金属Ａ層の厚さａとの層厚比Ａ（＝ｂ／ａ）が、Ａ≦（１／６）、前記金属Ｒ層の厚さｒが、０．２μｍ以上であり、かつ、前記金属Ｘ層の厚さｘと前記金属Ｒ層の層厚比Ｃ（＝ｒ／ａ）が、Ｃ≦１／２０であることを特徴とする接続材料である。
【００１５】
請求項２の発明は、前記金属Ｂ層の厚さｂおよび前記金属Ｘ層の厚さｘと、前記金属Ａ層の厚さａの層厚比Ｂ（＝（ｂ＋（１／２）×ｘ）／ａ）が、Ｂ≧１／５である請求項１に記載の接続材料である。
【００１６】
請求項３の発明は、前記金属Ｘ層の厚さｘと前記金属Ｂ層の厚さｂは、（１／２）×ｘ＞ｂである請求項１に記載の接続材料である。
【００１７】
請求項４の発明は、前記金属Ａは、Ｚｎが９０ｍａｓｓ％以上含まれている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の接続材料である。
【００１８】
請求項５の発明は、前記金属Ｂは、Ａｌが９０ｍａｓｓ％以上含まれている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の接続材料である。
【００１９】
請求項６の発明は、前記金属Ｘは、
Ｚｎ：２．０ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％
Ｍｇ：０．１ｍａｓｓ％〜５．０ｍａｓｓ％
Ｃｕ：０ｍａｓｓ％〜５．０ｍａｓｓ％
Ｍｎ：０ｍａｓｓ％〜１．５％ｍａｓｓ％
Ｓｉ：０ｍａｓｓ％〜１．０％ｍａｓｓ％
Ｆｅ：０ｍａｓｓ％〜１．０％ｍａｓｓ％
Ｃｒ：０ｍａｓｓ％〜０．５％ｍａｓｓ％
Ｚｒ：０ｍａｓｓ％〜０．５％ｍａｓｓ％
Ｔｉ：０ｍａｓｓ％〜０．３％ｍａｓｓ％
を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ系合金である請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の接続材料である。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の接続材料を介して被接続部材同士がはんだ接続されていることを特徴とするはんだ付け製品である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、熱膨張率の差に起因する割れが発生しにくい高鉛はんだの代替材料として好適な接続材料及びそれを用いたはんだ付け製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の接続材料を示す図である。
【図２】本発明の接続材料の中間材の製造方法を示す図であって、クラッド圧延によって作製することを示す図である。
【図３】本発明の中間層材示す図である。
【図４】本発明の接続材料の製造方法を示す図であって、クラッド圧延によって作製することを示す図である。
【図５】本発明の接続材料を用いて被接続部材を接続する際の状態を示す図である。
【図６】本発明の接続材料を用いて被接続部材を接続する際に３８２℃に加熱したときの状態を示す図である。
【図７】本発明の接続材料を用いて被接続部材を接続する際に４００℃に加熱したときの状態を示す図である。
【図８】本発明の接続材料を用いて被接続部材を接続後の冷却後の状態を示す図である。
【図９】本発明の接続材料を用いたはんだ付け製品としての半導体装置の構造を示す図である。
【図１０】従来の半導体装置の構造を示す図である。
【図１１】従来の半導体装置において、再溶融したはんだによるフラッシュを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明を実施するための形態例を添付図面に基づいて詳述する。
【００２４】
先ず、本発明の接続材料が適用されるはんだ付け製品の一例である半導体装置を図９により説明する。
【００２５】
図９に示すように半導体装置１０は、半導体素子１と、この半導体素子１を接続するフレーム２と、一端が外部端子となるリード５と、このリード５の他端と半導体素子１の電極とを接続するワイヤ４と、半導体素子１およびワイヤ４を樹脂封止する封止レジン６とを有し、被接続部材である半導体素子１とフレーム２とが、本発明の接続材料からなるはんだ９ではんだ接続されて構成される。
【００２６】
本発明者等は、半導体素子１とフレーム２との熱膨張率の差に起因して発生する応力について鋭意検討し、接続材料として、超塑性を有する合金（例えばＺｎ−Ａｌ系合金）を積層構造の所望の位置に配置した複合材を使用した場合に、熱膨張率の差に起因して半導体素子１、フレーム２、および半導体素子１とフレーム２との間に配置されたはんだ９に発生する応力を効果的に緩和することができることを見出し、本発明の課題を達成するに至った。
【００２７】
本発明の接続材料は、図１に示すように金属Ｘ層１０１の両面に金属Ａ層１０２、金属Ｂ層１０３を形成し、これを酸化防止層としての金属Ｒ層１０４で被覆した接続材料１００である。すなわち、接続材料１００は、金属Ｘ層１０１の表面に、金属Ａ層１０２、金属Ｂ層１０３、金属Ｒ層１０４が、この順に積層された層構造を有する積層材である。
【００２８】
金属Ｘ層１０１は、３５０℃以上４５０℃以下の領域で超塑性が発現する金属Ｘで形成され、金属Ａ層１０２はＺｎを主成分とする金属Ａで形成され、金属В層１０３は、Ａｌを主成分とする金属Ｂで形成され、金属Ｒ層１０４は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎのうちのいずれかの金属Ｒで形成される。
【００２９】
３５０℃以上４５０℃以下の領域で超塑性が発現する金属Ｘを用いるのは、接続時において超塑性の効果を発現することにより、熱膨張率の差に起因する応力を金属Ｘで緩和するためである。
【００３０】
金属Ａ層１０２と金属Ｂ層１０３とを、この順で金属Ｘ層１０１の表面に積層しているのは、金属Ａと金属Ｂの界面を共晶反応で溶融させ、金属Ｒを含めた金属Ａと金属Ｂの融液とし、この融液を被接続部材の接続に用いるためである。
【００３１】
また、金属Ｒ層１０４で金属Ｂ層１０３の表面を被覆しているのは、金属Ａ、金属Ｂの酸化を防止するためである。
【００３２】
金属Ｘは、
Ｚｎ：２．０ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％
Ｍｇ：０．１ｍａｓｓ％〜５．０ｍａｓｓ％
Ｃｕ：０ｍａｓｓ％〜５．０ｍａｓｓ％
Ｍｎ：０ｍａｓｓ％〜１．５％ｍａｓｓ％
Ｓｉ：０ｍａｓｓ％〜１．０％ｍａｓｓ％
Ｆｅ：０ｍａｓｓ％〜１．０％ｍａｓｓ％
Ｃｒ：０ｍａｓｓ％〜０．５％ｍａｓｓ％
Ｚｒ：０ｍａｓｓ％〜０．５％ｍａｓｓ％
Ｔｉ：０ｍａｓｓ％〜０．３％ｍａｓｓ％
を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ系合金であることが好ましい。
【００３３】
例えば、ＪＩＳ規格で規定されている合金番号Ａ７４７５のＡｌ合金がある。この組成からなる金属Ｘを使用する理由は、３５０℃以上４５０℃以下の領域で超塑性を発現する組成であるためである。上記したＡｌ合金からなる金属Ｘを接合した状態で加熱させたときに溶融する温度は３８２℃である。３５０℃以上４５０℃以下である理由は、接続材料によって半導体素子やフレームなどの被接続部材同士を接続する時の温度で、超塑性を発現させることで応力を緩和させるためである。
【００３４】
尚、Ｚｎ−２２Ａｌ共析合金系も超塑性を発現するが、超塑性の発現する温度が２５０℃以下であるため、２６０℃以上の耐熱性を必要とする材料への適用は難しい。
【００３５】
金属ＡとしてＺｎ系合金、金属ＢとしてＡｌ系合金を用いているのは、金属Ａと金属Ｂとを、金属Ｘが超塑性を発現する温度（例えば、３８２℃以上）に加熱することで、ＺｎとＡｌの界面で共晶反応が発生し、融液を生じるためである。すなわち、この融液は２６０℃の耐熱性があるためである。ただし、金属ＡをＡｌ系合金、金属ＢをＺｎ系合金にすることはできない。これは、酸化防止層としての金属Ｒによる被覆が昇温によって消失しやすくなるためである。
【００３６】
Ｚｎを主成分とする金属Ａは、Ｚｎが９０ｍａｓｓ％以上含まれていることが好ましい。また、Ａｌを主成分とする金属Ｂは、Ａｌが９０ｍａｓｓ％以上含まれていることが好ましい。
【００３７】
次に、金属Ｘ層１０１の厚さｘ、金属Ａ層１０２の厚さａ、金属В層１０３の厚さｂ、金属Ｒ層１０４の厚さｒについて説明する。
【００３８】
先ず金属Ｂ層は、厚さｂが１μｍ以上で、金属Ａ層に対しての層厚の比（層厚比Ａ＝ｂ／ａ）は、Ａ≦１／６であることが好ましい。接続材料を３５０℃以上４５０℃以下の温度で加熱すると、ＺｎとＡｌ界面で共晶反応が起き、Ｚｎ−６ｍａｓｓ％Ａｌの融液が発生するが、金属Ａの厚さａが金属Ｂの厚さｂの６倍よりも小さいとなると、融液が材料の表面まで到達しにくくなり、接続性が悪くなるためである。
【００３９】
金属Ｂ層及び金属Ｘ層と金属Ａ層の層厚の比（層厚比Ｂ＝（ｂ＋１／２×ｘ）／ａ）は、В≧１／５であることが好ましい。また、金属Ｘ層の厚さｘが金属Ｂ層の厚さｂに対し、（１／２×ｘ）＞ｂであることが好ましい。
【００４０】
これは層厚比Ｂが、１／５未満になると、Ｚｎからなる金属Ａが残存してしまうことがあるためである。また、金属Ｘの厚さｘが金属Ｂの厚さｂの２倍以下になると、超塑性を発現する金属Ｘが接続時に消失することがあるためである。
【００４１】
層厚の比（層厚比Ｃ＝ｒ／ａ）は、Ｃ≦１／２０（＝０．０５０）であり、酸化防止層としての金属Ｒの厚さｒが０．２μｍ以上であることが好ましい。金属Ａ層の厚さａが、金属Ｒ層の厚さの２０倍より小さいと、Ｚｎ−Ａｌ−Ｒ（Ｃｕ）の融液の融点の上昇を招き、かつ、金属Ｒ層の厚さｒが０．２μｍよりも薄いと、金属Ｂの拡散抑制による酸化防止の効果が不足するためである。
【００４２】
金属Ｒは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎのいずれかからなる金属で構成されていることが好ましい。酸化防止層としての金属Ｒ層にＣｕ、Ａｇ、Ａｕを用いるのは、各種元素の酸化のしやすさを示す指標である酸化物標準生成自由エネルギーがＺｎとＡｌよりＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎのほうが大きな酸化物標準生成自由エネルギーを持つためである（小さいほど酸化しやすい）。
【００４３】
金属Ｘと接する側の金属ＡにＺｎ系合金、金属Ｒと接する側の金属ＢにＡｌ系合金を用いることが好ましい理由は、酸化防止層としての金属ＲはＡｌよりもＺｎに固溶しやすい性質があるためである。
【００４４】
“金属データブック”、日本金属学会編、改訂４版、丸善、ｐ２０−２５を参考に、溶け込みやすさの指標である拡散係数を計算すると、３８０℃におけるＺｎ中へのＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの拡散係数は、それぞれ、Ｃｕ：２．６×１０-14ｍ2／ｓ、Ａｇ：１．２×１０-14ｍ2／ｓ、Ａｕ：６．０×１０-14ｍ2／ｓ、Ｓｎ：１．２×１０-14ｍ2／ｓである。一方、Ａｌ中へＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの拡散係数は、それぞれ、Ｃｕ：１．２×１０-15ｍ2／ｓ、Ａｇ：４．２×１０-15ｍ2／ｓ、Ａｕ：６．１×１０-15ｍ2／ｓ、Ｓｎ：５．４×１０-18ｍ2／ｓであり、ＺｎはＡｌの場合に比べて一桁以上大きな値である。つまり、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎは、金属ＢのＡｌよりも金属ＡのＺｎに溶け込みやすい。従って、金属Ｒ層と金属Ａ層とが直接接していると、金属Ｒによる被覆が消失しやすいため、金属Ｒと接する側は金属Ｂがよい。
【００４５】
金属Ｒは、金属Ｂの表面を８０％以上の割合で被覆していることが好ましい。金属Ｒで８０％以上被覆するのは、被覆率が少ないと金属Ａや金属Ｂの酸化を防ぐことができないためである。
【００４６】
半導体素子１やフレーム２などの被接続部材同士のはんだ接続は、ＺｎとＡｌとが共晶反応する温度（例えば、３８０℃以上の温度）で加熱することにより、金属Ａと金属Ｂ、また金属Ａと金属Ｘの界面で溶融を発生させ、これらの金属材料の融液で被接続部材と被接続部材とを金属Ｘが超塑性を発現した状態で接続させる。
【００４７】
すなわち、接続材料１００を用いて半導体素子１をフレーム２上に３８０℃以上、例えば４００℃でダイボンディングして実装した後、半導体素子１に設けられた電極にインナーリードをワイヤボンディング４で接続し、これらをレジン６で封止することで、基板等にリフローはんだ付けしても凝固後にはんだ９にボイドが発生しない半導体装置１０が得られる。
【００４８】
次に、接続材料１００を作製する方法を図２〜図４により説明する。
【００４９】
まず、図２に示すように下から金属Ａ層１０２、金属Ｂ層１０３、金属Ｒ層１０４の順番になるように、金属Ａ、金属Ｂ、及び金属Ｒをこの順に積層させた板材を、圧延ロール１１０でクラッド圧延を行い、図３に示すように中間材２００を得る。ここで得られた中間材２００に対して複数回クラッド圧延を行って厚さ調整を行っても良い。
【００５０】
次に、図４に示すように、金属Ｘからなる板材の両面に中間材２００を積層した板材を圧延ロール１１０でクラッド圧延して図１に示した接続材料１００を得る。この時気をつけるべきことは中間材２００をクラッド圧延する際には、酸化防止層としての金属Ｒ層１０４が接続材料１００の最表面になるように金属Ｘからなる板材の両面に中間材２００を積層することである。ここで得られた接続材料１００に対して複数回クラッド圧延を行って厚さ調整を行っても良い。
【００５１】
クラッド圧延により各層を形成する方法について述べたが、その他に層を形成する方法によっても良好に作製可能である。例えば、めっき法、スパッタリング法等が挙げられる。
【００５２】
作製した接続材料１００の使用方法を図５〜８に示す。
【００５３】
先ず、図５に示すように半導体素子やフレームなどの被接続部材１０５、１０５の間に接続材料１００を挿入する。その後加熱を行う。３８２℃に到達したときに図６に示すように金属Ｘ層１０１と金属Ａ層１０２及び金属Ａ層１０２と金属Ｂ層１０３の界面に、共晶反応によりＺｎ−Ａｌ融液１０６が発生する。その後４００℃程度まで上昇させ時間が経過すると、金属Ｂ層１０３、金属Ａ層１０２と金属Ｘ層１０１の一部で融液となり、この融液中へ金属Ｒ層１０４の金属Ｒ（図ではＣｕ）が拡散することで消失し、図７に示すようにＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ融液の液相１０７Ｌとなって、被接続部材１０５と接触する。その後冷却することによって図８に示すようにＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ固相１０７Ｓとなり、被接続部材１０５、１０５との接続が完了する。
【００５４】
これら一連の加熱や冷却の過程において、膨張、収縮、溶融、凝固による熱応力が発生するが、影響が大きいと考えられる溶融、凝固が発生する３５０℃以上においては金属Ｘ層１０１の金属Ｘの超塑性が発現する温度であるため、応力の緩和が可能である。
【実施例】
【００５５】
以下に実施例１〜２０と比較例１〜８について接続試験を実施した結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
2013146764.tif 000003
【００５７】
実施例１〜２０、比較例１〜８において、金属Ａは９５ｍａｓｓ％以上のＺｎであり、金属Ｂは９５ｍａｓｓ％以上のＡｌであり、金属ＸはＪＩＳ規格に規定された合金番号Ａ７４７５のＡｌ合金であり、金属Ｒは９５ｍａｓｓ％以上のＣｕである。
【００５８】
この実施例１〜２０の層構造は、Ｒ／Ｂ／Ａ／Ｘ／Ａ／Ｂ／Ｒであり、比較例１は、Ｂ／Ａ／Ｘ／Ａ／Ｂ、比較例２は、金属Ａ層と金属В層を入れ替えてＲ／Ａ／Ｂ／Ｘ／Ｂ／Ａ／Ｒとし、比較例３〜８は、実施例１〜２０の層構造と同じにした。
【００５９】
また、表１において、層厚比Ａは、（金属Ｂ）／（金属Ａ）＝ｂ／ａの層厚の比を示し、層厚比Ｂは、（金属Ｂ＋１／２金属Ｘ）／（金属Ａ）＝（ｂ＋１／２×ｘ）の層厚の比を示し、層厚比Ｃは、（酸化防止金属Ｒ）／（金属Ａ）＝ｒ／ａの層厚の比を示した。
【００６０】
接続試験については、各材料を用いて、図９で説明したように半導体素子１とフレーム２とのダイボンディングを行い、評価した。
【００６１】
接続材料（はんだ９）による半導体素子１とフレーム２との接続は４１０℃にて行った。接続後、半導体素子１とリード５の間をワイヤ４でワイヤボンディングし、１８０℃で封止用レジン６により封止を行った。
【００６２】
製造した半導体装置１０について、超音波探傷により接続部のボイド面積率を測定した。ボイド面積率は、超音波探傷で空隙が見られた部分をボイドとし、接続部であるはんだ９の平面方向から測定したときの全面積に対するボイドの割合である。すなわち、（ボイド面積÷全面積×１００）で定義される。
【００６３】
接続試験は、半導体装置が一定の信頼性を得られる一般的な基準である、接続層のボイド率が１０％以下となり、正常に半導体素子が動作した場合を○とし、それ以外を×とした。なお、ボイド率が１０％を超えると、温度サイクル試験により、ボイド周辺から優先的にクラックが進展し、早期に信頼性が低下するなどの問題がある。従って、ボイド率を少なくすることで長期信頼性を確保できる。これらで実施例１〜２０について評価の結果、全て良好に動作した。
【００６４】
比較例１〜８を用いて作製した半導体装置は良好な結果が得られなかった。
【００６５】
比較例１では接続できなかった。これは酸化防止としての金属Ｒ層が接続材料の最表面になかったため、金属Ａ層の表面に強固な酸化皮膜が形成され、溶融時に残存している酸化皮膜が濡れを阻害したと考えられる。
【００６６】
比較例２では接続はできたが、ボイドが１０％以上発生した。これは、金属Ａ層と金属Ｂ層の順番が入れ替わったことにより、加熱によって金属Ｒが金属Ａ中へ拡散し、金属Ａが最表面に現れて酸化皮膜を形成し、溶融時に残存している酸化皮膜が濡れを阻害したと考えられる。
【００６７】
比較例３〜５では接続はできたが、ボイドが１０％以上発生した。これは、酸化防止層としての金属Ｒ層が薄いことにより、加熱によって金属Ｒが金属Ｂ中へ拡散して消失したことにより、金属Ａが強固な酸化皮膜を形成し、溶融時に残存している酸化皮膜が濡れを阻害したと考えられる。従って、実施例６を考慮すれば金属Ｒ層は、０．２μｍ以上がよい。
【００６８】
比較例６、比較例７では接続できなかった。これは、酸化防止としての金属Ｒ層が厚いことにより、Ｚｎ−Ａｌの融液へ金属Ｒが多く拡散して融点が上昇したことにより、融液が被接合部材に接触する前に途中で凝固してしまったためと考えられる。この比較例６、比較例７の層厚比Ｃ（＝ｒ／ａ）は、１／６（＝０．１６７）であり、よって、実施例８、１３を考慮すれば層厚比Ｃは、１／２０以下がよい。
【００６９】
比較例８では接続できなかった。これは、金属Ａ層が少なく金属Ｂ層が相対的に厚いことにより、層厚比Ａが１／２となり、Ｚｎ−Ａｌの融液へ金属Ｂが多く拡散して融点が上昇したことにより、融液が被接続部材に接触する前に途中で凝固してしまったためと考えられる。よって、実施例２、１０と、比較例８から層厚比Ａは１／６以下がよく、また層厚比Ｂは、１／５以上がよい。
【００７０】
以上、本発明を具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７１】
１００  接続材料
１０１  金属Ｘ層
１０２  金属Ａ層
１０３  金属Ｂ層
１０４  金属Ｒ層
【図１】
2013146764.tif 000004
【図２】
2013146764.tif 000005
【図３】
2013146764.tif 000006
【図４】
2013146764.tif 000007
【図５】
2013146764.tif 000008
【図６】
2013146764.tif 000009
【図７】
2013146764.tif 000010
【図８】
2013146764.tif 000011
【図９】
2013146764.tif 000012
【図１０】
2013146764.tif 000013
【図１１】
2013146764.tif 000014