(57)【要約】【課題】  Niを含まない金属板の接合において、鉛を使用しない材料を用い、かつ、高い信頼性を確保する接合材料を提供する。【解決手段】  二種類の部材間の接合材料として、Zn系金属層、Al系金属層、Cu系金属層から成る積層構造材の表面にNi系金属層およびCu系金属層を積層した積層材料を接合材料として用いることによって、高酸素濃度雰囲気においても、表面のCu系金属層が、当該接合材料が溶融する時点まで、内層のZn、Al、Niを酸化から保護し、当該接合材料のはんだとしての濡れ性、接合性を保つことができ、さらに、含有するNiが被接合材のCu部材とZnの反応抑制し、接合部の高い信頼性を確保することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを主成分として含有する金属からなるＺｎ系層の第１の主面に、Ａｌを主成分として含有する金属からなる第１のＡｌ系層と、Ｃｕを主成分として含有する金属からなる第１のＣｕ系層がこの順に積層され、
前記Zn系層と前記第１のCu層との間に、Nｉを主成分として含有する金属からなる第１のＮｉ系層を有することを特徴とする接合材料。
【請求項２】
前記第１のNi系層は、前記第１のAl系層と前記第１のCu系層との間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合材料。
【請求項３】
前記第１のAl系層と前記第１のNi系層との間に、第２のCu系層を有することを特徴とする請求項２記載の接続材料。
【請求項４】
前記第１のNi系層は、前記Zn系層と前記第１のAｌ系層との間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合材料。
【請求項５】
前記Ｚｎ系層の第１の主面とは反対側の第２の主面に、Ａｌを主成分として含有する金属からなる第２のＡｌ系層と、Ｃｕを主成分として含有する金属からなる第３のＣｕ系層がこの順に積層され、
前記Zn系層と前記第３のCu層との間に、Nｉを主成分として含有する金属からなる第２のＮｉ系層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の接合材料。
【請求項６】
前記Ｚｎ系層の第１の主面とは反対側の第２の主面は、被接合基板に接合されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの請求項に記載の接合材料。
【請求項７】
Ａｌを主成分として含有する金属からなるＡｌ系層の第１の主面に、Ｚｎを主成分として含有する金属からなる第１のＺｎ系層と、第１のＮｉを主成分として含有する金属からなる第１のＮｉ系層と、Ｃｕを主成分として含有する金属からなる第１のＣｕ系層がこの順に積層されたことを特徴とする接合材料。
【請求項８】
前記第１のZn系層と前記第１のNi系層との間に、第２のCu系層を有することを特徴とする請求項２記載の接続材料。
【請求項９】
前記Ａｌ系層の第１の主面とは反対側の第２の主面に、Ｚｎを主成分として含有する金属からなる第２のＺｎ系層と、Ｎｉを主成分として含有する金属からなる第２のＮｉ系層と、Ｃｕを主成分として含有する金属からなる第３のＣｕ系層がこの順に積層されたことを特徴とする請求項７に記載の接合材料。
【請求項１０】
前記Ａｌ系層の第１の主面とは反対側の第２の主面は、被接合基板に接合されていることを特徴とする請求項７または８に記載の接合材料。
【請求項１１】
前記接合材料を構成する各層において、（前記Ｚｎ系層の合計の膜厚）/（前記Ａｌ系層の合計の膜厚）は、１以上〜３０以下であり、前記Ｎｉ系層および前記Ｃｕ系層の層厚は０．０１μｍ以上〜１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかの請求項に記載の接合材料。
【請求項１２】
前記Ｚｎ系層はワイヤの芯線であり、前記第１のAl層、前記第１のCu層及び前記第１のNi層は、前記芯線の外周に被覆層として層状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの請求項に記載の接合材料。
【請求項１３】
前記Ａｌ系層はワイヤの芯線であり、前記第１のZn層、前記第１のCu層及び前記第１のNi層は、前記芯線の外周に被覆層として層状に形成されたことを特徴とする請求項７または８のいずれかの請求項に記載の接合材料。
【請求項１４】
前記Ｚｎ系層はコアであり、前記第１のAl層、前記第１のCu層及び前記第１のNi層は、前記コアの外周に被覆層として層状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの請求項に記載の接合材料。
【請求項１５】
前記Ａｌ系層はコアであり、前記第１のZn層、前記第１のCu層及び前記第１のNi層は、前記コアの外周に被覆層として層状に形成されたことを特徴とする請求項３または７のいずれかの請求項に記載の接合材料。
【請求項１６】
第１のＺｎ系層の片面に第１のＡｌ系層と第１のＮｉ系層と第１のＣｕ系層をこの順で積層した第１のクラッド材の前記第１のＺｎ系層側と、第２のＺｎ系層の片面に第２のＡｌ系層と第２のＮｉ系層と第２のＣｕ系層をこの順で積層した第２のクラッド材の前記第２のＺｎ系層側とをクラッド圧延することによって接合材料を形成した、ことを特徴とする接合材料の製造方法。
【請求項１７】
第１のＡｌ系層の片面に第１のＺｎ系層と第１のＮｉ系層と第１のＣｕ系層をこの順で積層した第１のクラッド材の前記第１のＡｌ系層側と、第２のＡｌ系層の片面に第２のＺｎ系層と第２のＮｉ系層と第２のＣｕ系層をこの順で積層した第２のクラッド材の前記第２のＡｌ系層側とをクラッド圧延することによって接合材料を形成した、ことを特徴とする接合材料の製造方法。
【請求項１８】
Ｚｎ系層の第１の面に第１のＡｌ系層を組合せ、前記Ｚｎ系層の第１の面と反対側の第２の面に第２のＡｌ系層を組合せてクラッド圧延によって作製したクラッド材を中央に配置して、前記クラッド材の第１の面に第１のＮｉ系層と第１のＣｕ系層をこの順で組合せ、前記クラッド材の第１の面と反対側の第２の面に第２のＮｉ系層と第２のＣｕ系層をこの順で組合せて、全て一体にクラッド圧延することによって接合材料を形成した、ことを特徴とする接合材料の製造方法。
【請求項１９】
請求項３または請求項８のいずれかの請求項に記載の接合材料の製造方法であって、
前記Ｚｎ系層、前記Ａｌ系層、および前記第２のＣｕ系層をクラッド圧延により接合し、前記接合されたクラッド材に前記Ｎｉ系層および前記第１のＣｕ系層をめっきにより成膜することを特徴とする接合材料の製造方法。
【請求項２０】
第１の被接合部材と第２の被接合部材との間に請求項１乃至請求項１０のいずれかの請求項に記載の接合材料を配置し、前記接合材料を加熱することによって、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材を接合することを特徴とする接合構造の製造方法。
【請求項２１】
前記第１の被接合部材は半導体素子であり、前記第２の接合部材は、リードフレーム、絶縁基板、リードまたは電極、放熱板であることを特徴とする請求項２０に記載の接合構造の製造方法。
【請求項２２】
接合材料を積層したリードフレームであって、
半導体素子が搭載されるダイパッドと、
前記半導体素子に接続されるように配置される複数のリード部と、
前記ダイパッドの片面に積層された接合材料とを備え、
前記接合材料が、Ｚｎを主成分として含有する金属からなるＺｎ系層、Ａｌを主成分として含有する金属からなるＡｌ系層、Ｎｉを主成分として含有する金属からなるＮｉ系層、およびＣｕを主成分として含有する金属からなるＣｕ系層とをそれぞれ少なくとも１層ずつ積層して構成され、それらの構成のうち、前記ダイパッドに直接積層される最下層にはＺｎ系層、またはＡｌ系層が選択され、最上層にはＣｕ系層が選択されて積層されていることを特徴とする接合材料を積層したリードフレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は接合材料およびその製造方法に関し、また、該接合材料を用いた接合構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境への意識が高まる中、人体への有害性が指摘される鉛の規制が始まっている。欧州では自動車中の鉛使用を制限するELV指令（End-of Life Vehicles directive、廃自動車に関する指令）や電機・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）指令が施行された。電機・電子機器の部品の電気的接合に使用されている接合材料であるはんだには、従来、鉛が含まれていた。はんだは融点により高温、中温、低温の3種類に分けられるが、中温はんだはSn-Ag-Cu系はんだ、Sn-Cu系はんだ等、低温はんだはSn-Bi系はんだ、Sn-In系はんだ等が既に開発・実用化され、ELV指令、RoHS指令に適合してきた。ところが、高温はんだについては、鉛の含有率が85wt.%以上の高鉛はんだが用いられ、鉛フリーの代替材料が開発されていないため、上記ELV指令、RoHS指令の対象外になっている。また、高鉛はんだは構成成分として、85wt.%以上の鉛を含有しており、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、高鉛はんだ代替材料の開発が望まれている。
【０００３】
高耐熱接合の適用例を図１に示す。図１は半導体装置の構造を示す断面図である。図２は、再溶融したはんだによるフラッシュを説明する断面図である。
【０００４】
図１に示すように、半導体装置60は半導体素子１がフレーム2上にはんだ（接合材料）３により接合（ダイボンディング）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60はSn-Ag-Cu系の中温鉛フリーはんだ(図示せず)によりプリント基板(図示せず)にリフローはんだ付けされる。Sn-Ag-Cu系鉛フリーはんだの融点は約220℃と高く、リフロー接合の際に接合（ダイボンディング）部が再溶融しないように、半導体素子１のダイボンディングには、はんだ3として290℃以上の融点を有する高鉛はんだが使用される。
【０００６】
現在、既に開発されているSn-Ag-Cu系はんだ等の中温鉛フリーはんだは融点が約220℃であるため、半導体素子1のダイボンディングに使用した場合、半導体装置60をプリント基板にリフロー接合する際にはんだが溶融してしまう。接合部周りがレジンでモールドされている場合、内部のはんだが溶融すると、溶融時の体積膨張により、図２に示すように、フラッシュといって封止用レジン６とフレーム２の界面からはんだ３が漏れ出す現象を生ずる、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７が形成され不良品となることがある。代替材料の候補としては、融点の面からAu-Sn、Au-Si、Au-Ge等のAu系はんだ、Zn、Zn-Al等のZn系はんだおよびBi、Bi-Cu、Bi-Ag等のBi系はんだが報告されている。
【０００７】
しかしながら、Au系はんだは、構成成分としてAuを80wt.%以上含有しており、コスト面で汎用性に難があり、また硬くて脆いハードソルダーである。Bi系はんだは、硬くて脆く、さらに熱伝導率が約9W/m・Kと現行の高温はんだより低く、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等のZn系はんだは約100W/m・Kと高い熱伝導率を有するが、その酸化のしやすさに起因して、酸素濃度が高い雰囲気では、十分な接合が得られない。また、比較的硬い合金であり、接合時に半導体素子が割れることも懸念される。
【０００８】
Zn-Al系はんだの課題である濡れにくいことおよび硬いことを解決する接合材料として、Zn条(材料Znを薄い板状に加工して、圧延工程に供給する状態を指す)、Al条、Zn条を順に積層し、圧延法によりクラッドして製作したクラッド材を用いる方法が「特許文献１」に開示されている。これによれば、表面のZn系層により濡れ性を確保でき、内層の柔らかいAl系層により応力緩衝機能を付与し、接合信頼性を確保できるとしている。また、ZnおよびAlの融点はそれぞれ420℃、660℃であり、ZnとAlの反応により生成するZn-Al共晶（Zn-6Al）の融点も382℃であるため、接合材は高融点であり、高耐熱性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１２６２７２号公報
【特許文献２】特開２００９−１２５７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の技術では、Zn条、Al条、Zn条を順に積層し、圧延法によるクラッドしてクラッド材を用いた接合に関して、酸化しやすいAlを、Alより酸化しにくいZnで保護することで、Alの酸化を抑制し、はんだとしての濡れ性を確保している。それでも、Znが最表面に位置しており、Znは酸化膜を有した状態となっている。
【００１１】
Znの酸化膜は水素雰囲気でも還元除去できない。酸化膜を有した状態で半導体素子を接合しても、接合部に酸化膜が残る。その場合、機械的強度が低下したり、熱伝導が阻害されたりすることで、半導体素子の信頼性が低下するなどの懸念がある。そのため、十分な接合を得るためには、例えば、初期のZn酸化膜をプラズマ洗浄などの工程を経て、除去した後、酸素濃度を低く抑えた雰囲気で接合を実施する必要がある。
【００１２】
その場合、Znの過度の酸化は抑制され、高信頼の接合を達成することができる。しかし、酸素濃度を低く抑える接合装置は、真空引きに時間を要するなど、パワー半導体パッケージの量産性が低下する。プラズマ洗浄工程も煩雑である。
【００１３】
一方、「特許文献1」には、金属キャップにZnとAlをクラッドした構造、つまり、金属キャップ/Al/Zn構造が開示されている。このような構造においても、上記のように、酸素濃度を低く抑えることが必要である。
【００１４】
特許文献２に記載の材料では、Zn単体又はZnを主成分としAlを含むZn合金からなるZn(-Al)系はんだ箔の両面にCuなどの易還元金属を積層しており、ZnとAlの酸化を抑制する構造となっている。しかし、Znは加熱した際に、Cuなどの易還元金属が溶け込みやすい金属である。そのため、Cu系層で保護したZn(-Al)系はんだ箔を加熱すると、200℃程度の低温で、Zn中にCuが溶け込み、箔表面にZnやAlが露出することになる。
【００１５】
表面に露出したZnおよびAlは速やかに酸化するため、ZnおよびAl酸化膜の影響ではんだの濡れ性および接合性が低下することになる。特許文献１ではZnのみが表面に露出するが、特許文献２ではより強固な酸化膜を形成するAlも露出するため、接合性の低下が大きい。
【００１６】
さらに、Zn系はんだは被接合材のCuとの反応性が高いため、Zn系はんだでCuを接合しようとすると、接合界面にCu-Zn系金属間化合物が厚く成長し、接合信頼性を低下させるという問題がある。これを回避するためには、例えば、被接合材にNiやWなどの高融点金属層を形成し、界面反応を抑制する必要がある。しかし、被接合材への全面Niめっきや部分Niめっきは高コストであり、安価な半導体装置を製造しにくい。
【００１７】
従って、「特許文献２」に開示されている接合材料を用いても、雰囲気中の酸素濃度を低く抑えなければ、十分に接合することができない。つまり、Zn又はZn合金からなるZn系はんだ表面に、Znの酸化を防止する易還元金属保護膜を形成しても、その保護効果は２００℃程度の低温加熱により、易還元金属がZn中に溶け込み、消失するため、ZnやAlの酸化を防止できないという問題がある。さらに、被接合材に高コストな金属層を付与しなければならない。
【００１８】
本発明の課題は、低コスト且つ接合性および接合信頼性を向上させた接合材料およびその接合材料を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
【００２０】
部材間の接合材料として、Znを主成分とするZn系層、Alを主成分とするAl系層の積層材を用いるとともに、それより表面側にCuを主成分とするCu系層を形成し、このCu系層よりも内側にNiを主成分とするNi系層を形成した積層材料を接合材料として用いる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、例えば被接合材がCu素材のものであっても、被接合材への全面Niめっきや部分Niめっきを要せずに接合信頼性を向上させることができ、信頼性が高く、安価な半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】半導体装置の構造を示す図である。
【図２】図１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およびそれによって形成されるボイドを説明する図である。
【図３】ボイド率の定義を示す、接合部内のボイドを透視した平面図である。
【図４】本発明を実施するための形態における、中央からZn、Al、Ni、Cu各層を順に積層した七層積層構造の接合材料、ZANC材の断面を示す図である。
【図５】本発明を実施するための形態における、中央からAl、Zn、Ni、Cu各層を順に積層した七層積層構造の接合材料、AZNC材の断面を示す図である。
【図６】本発明を実施するための形態における、中央からZn、Al、Cu、Ni、Cu各層を順に積層した九層積層構造の接合材料、ZACNC材の断面を示す図である。
【図７】本発明を実施するための形態における、中央からAl、Zn、Cu、Ni、Cu各層を順に積層した九層積層構造の接合材料、AZCNC材の断面を示す図である。
【図８】本発明を実施するための形態における、中央からZn、Ni、Al、Cu各層を順に積層した七層積層構造の接合材料、ZNAC材の断面を示す図である。
【図９】半導体素子とCu基板をZn-Al系はんだを用いて接合した場合の、接合断面模式図である。
【図１０】半導体素子とCu基板を、本発明の接合材料を用いて接合した場合の、接合断面模式図である。
【図１１】本発明を実施するための形態において、Al／Zn／Al三層積層構造をクラッド圧延で作製する場合における、クラッド圧延を説明する図である。
【図１２】本発明を実施するための形態において、Cu／Ni／Al／Zn／Al／Ni／Cu七層積層材を、三層積層材とNi系金属条とCu系金属条とのクラッド圧延で作製する場合における、クラッド圧延を説明する図である。
【図１３】本発明を実施するための形態において、Ni／Al／Zn／Al／Ni五層積層材を、三層積層材のNi系金属めっきで作製する場合における、めっき工程を説明する図である。
【図１４】本発明を実施するための形態において、Ni／Al／Zn／Al／Ni五層積層材を、三層積層材のスパッタリングによる酸化膜を除去する工程と、Ni系金属の蒸着による成膜で作製する場合における、成膜工程を説明する図である。
【図１５】表１を示すものであり、本発明の接合材料ZANC材の構成例を示す表である。
【図１６】表２を示すものであり、本発明の接合材料AZNC材の構成例を示す表である。
【図１７】表３を示すものであり、本発明の接合材料ZACNC材の構成例を示す表である。
【図１８】表４を示すものであり、本発明の接合材料AZCNC材の構成例を示す表である。
【図１９】表５を示すものであり、本発明の接合材料ZNAC材の構成例を示す表である。
【図２０】表６を示すものであり、表１〜５に示した積層材料および比較材についての接合性の評価結果を示す表である。
【図２１】本発明を実施する形態において、被接合材に積層材料を貼りつけた形態の接合材料の断面構造を説明する図である。
【図２２】本発明の接合材料を積層して作製されたリードフレームの例を示す図である。
【図２３】本発明を実施する形態において、積層構造をワイヤ状、または、球状にしたときの断面構造を説明する図である。
【図２４】本発明の接合材料の望ましいAl厚の和とZn厚の和の比を説明するために示したZn-Al状態図である。
【図２５】本発明の積層材料を用いて組み立てた半導体モジュールの構造例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２４】
本発明を実施するための形態における接合材料は、Zn、Al、Ni、Cu系金属層を適切な順に積層した接合材料である。
【００２５】
(1) 第一の接合材料の断面を図４に示す。図４において、接合材料は、中央にZn系金属層101（単にZn、Zn系層とも略す）、その両面にAl系金属層102a、102b（単にAl、Al系層とも略す。）、さらにその両面にNi系金属層103a、103b（単にNi、Ni系層とも略す）、さらにその両面にCu系金属層104a、104bが存在している層構造を有する積層材である。Al系層は、Alを主成分（最も多く含まれる成分）とした層である。Zn系層とは、Znを主成分とした層である。Ni系層はNiを主成分とした層である。Cu系層は、Cuを主成分とした層である。以下、ZANC材と呼称する。
【００２６】
(2) 第二の接合材料の断面を図５に示す。第二の接合材料は第一の接合材料のZnとAlの積層順を反転させた材料である。図５において、接合材料は、中央にAl系金属層201、その両面にZn系金属層202a、202b、さらにその両面にNi系金属層203a、203b、さらにその両面にCu系金属層204a、204bが存在している層構造を有する積層材である。以下、AZNC材と呼称する。
【００２７】
(3) 第三の接合材料の断面を図６に示す。図６において、接合材料は、中央にZn系金属層301、その両面にAl系金属層302a、302b、さらにその両面にCu系金属層303a、303b、さらにその両面にNi系金属層304a、304b、さらにその両面にCu系金属層305a、305bが存在している層構造を有する積層材である。以下、ZACNC材と呼称する。
【００２８】
(4) 第四の接合材料の断面を図７に示す。第四の接合材料は第三の接合材料のZnとAlの積層順を反転させた材料である。図７において、接合材料は、中央にAl系金属層401、その両面にZn系金属層402a、402b、さらにその両面にCu系金属層403a、403b、さらにその両面にNi系金属層404a、404b、さらにその両面にCu系金属層405a、405bが存在している層構造を有する積層材である。以下、AZCNC材と呼称する。
【００２９】
(5) 第五の接合材料の断面を図８に示す。図８において、接合材料は、中央にZn系金属層501、その両面にNi系金属層502a、502b、さらにその両面にAl系金属層503a、503b、さらにその両面にCu系金属層504a、504bが存在している層構造を有する積層材である。以下、ZNAC材と呼称する。
【００３０】
これら五つの接合材料をそれぞれ個別に用いた被接合材の接合方法について説明する。先ず、ZANC材またはAZNC材の場合は、被接合材の間に接合材料を挟み込んで、380℃以上まで加熱することで、中央のZn系層とAl系層の共晶融解反応が生じ、Zn-Al融液が生成する。次いで、Zn-Al融液とNi系層が反応し、Ni系層が溶け込み始め、同時にAl-Ni金属間化合物が生成する。また、Cu系層もNi系層の消失についで、Zn-Al融液内に溶け込む。このような反応を経ることで、溶融したZn-Al-Ni-Cu系合金が生じ、はんだとして機能する。
【００３１】
次に、ZACNC材またはAZCNC材の場合について説明する。被接合材の間に接合材料を挟み込んで、380℃以上まで加熱することで、中央のZn系層とAl系層の共晶融解反応が生じ、Zn-Al融液が生成する。このZn-Al融液にCu系層が溶け込み、Zn-Al-Cu融液が生成する。この融液とNi系層が反応し、Ni系層が溶け込み始め、同時にAl-Ni金属間化合物が生成する。また、Cu系層もNi系層の消失についで、Zn-Al-Cu融液内に溶け込む。
【００３２】
次に、ZNAC材の場合について説明する。本材料は、被接合材の間に接合材料を挟み込んで、420℃以上まで加熱することでZnが溶融する。このZnとNiが反応し、Zn-Ni融液を生成する。さらにZn-Ni融液とAl系層が反応し、Zn-Al-Ni融液を生成し、一部Al-Ni金属間化合物が生成する。さらにCuが溶融し、Zn-Al-Ni-Cu融液となる。
【００３３】
以上、五つの何れの接合材料にも、最表面にCu系層、最表面Cu系層の下地にNi系層またはAl系層が存在することを特徴とする。最表面のCu系層は、下層のZn、Al、Niが酸化して、はんだの接合性が劣化することを防止する保護層として機能する。
Cu系層を保護層として選択している理由は、Cuが易還元金属であるためである。易還元金属とは、水素などを含有した還元雰囲気において、自身の酸化膜が容易に還元できたり、フラックス、プラズマ洗浄などの処理で酸化膜が容易に除去できたりする金属を意味する。「金属データブック、日本金属学会編、改訂２版、丸善、p90」などを参考にすれば、各種元素の酸化のし易さを示す指標である、酸化物の標準生成自由エネルギーは、Cu＞Ni＞Zn＞Alの順である（小さいほど酸化しやすい）。つまり、Ni，Zn，Alは、酸化物の標準生成自由エネルギーがCuより小さく、酸化されやすい。特に、酸化され易いZnとAlに対しては、それらの金属よりも標準生成自由エネルギーが大きな金属、すなわちCuで保護することで、ZnとAl(およびNi)の酸化を防止できる。
【００３４】
さらに最表面Cu系層の下地のNi系層やAl系層は、最表面のCuが加熱時に下地内に拡散し、Cu保護層が消失することを防止する拡散バリア層として機能する。最表面のCuの酸化膜は、接合雰囲気のH2により還元可能であるため、積層材全体が溶融する瞬間には酸化膜が存在しない状態となり、接合性に優れたZn-Al-Ni-Cuはんだ材となる。
【００３５】
従来のZn系はんだは、ZnとCuとの反応性に富むため、従来のZn系はんだを使用して図２２に示すようなCuリードフレーム上に半導体素子を接合するような、被接合材がCuの場合は、図9に示すように、Cu部材2とはんだ3との間に厚いZn-Cuの金属間化合物8が界面に成長し、接合信頼性を低下させる恐れがある。それに対して、本発明の接合材料においては、加熱後には、Zn-Al-Ni-Cu融液となり、融液中には高温で安定なAlNi金属間化合物が生成される。この場合、図10に示すように、このAlNi金属間化合物9は、接合時においては、接合界面に優先的に晶出する現象を本発明者は見出した。この効果により、本発明の接合材料3aにより、半導体素子1とCu被接合部材2とを接合する場合には、AlNi金属間化合物がCu部材2とはんだ3aの接合界面に集積し、ZnとCuとの接触を軽減する。従って、厚いZn-Cu金属間化合物8の生成が軽減され、接合界面の信頼性が向上する。
【００３６】
また、AlNi金属間化合物9が界面に集積する効果は、被接合材2がNiめっきCuの場合でも発揮される。特に、Niめっきにピンポールと呼ばれる欠陥が存在するような場合においても、本発明の接合材料においては、AlNi金属間化合物9がNiめっき上に堆積するため、Niめっきのピンポール周辺でZnによりNiめっきが破られる現象を抑制し、高信頼な接合構造を得ることができる。
【００３７】
また、CuやNi以外の金属、もしくはセラミックスやガラス等に対しても、本発明の接合材料は、酸化膜がほとんど存在しない良好な濡れ性をもつことから、接合が可能であり、AlNi金属間化合物により接合界面の安定性も改善する。
【００３８】
このように、本発明の接合材料によって、酸化膜がほとんど存在せず、Niを含有するZn-Alはんだが実現し、被接合材への部分Niめっきなどが不要となり、低コスト接合構造が実現できる。
【００３９】
本発明の接合材料の構造について述べる。本発明の接合材料の用途を例えば図1などに示した半導体分野を考慮すると、各材料において、450℃以下の温度で均一に材料を溶融させる必要がある。
以上の観点から、図２４に示したZn-Al状態図において、液相線1001が、450℃の線1002より下となる領域、すなわちZnとAlのAtomic Percent の比は、境界線1003が示すように、Znが70at％以上である必要がある。Zn:Al＝70at％:30at％は、体積比に直すと、Znの原子量＝65、Alの原子量＝27であることから、材料の体積比Zn:Al＝1:1となる。一方、Zn:Al＝30:1よりもZnを増やすことは、Alが薄くなりすぎて製造が困難となる(この境界線を1004で示す)。以上の制約より、本発明の接合材料におけるZnとAlの体積比は、Zn:Al＝1:1〜30:1の比率が望ましい(図２４のZn-Al状態図において、矢印1005で示す範囲である)。すなわち、図４〜図８に示した積層平板状の接合材料の構造において、Al厚の和とZn厚の和の比は、Zn:Al＝1:1〜30:1の比率が望ましい。
【００４０】
また、Cu厚およびNi厚は、短時間でCu、NiをZn-Al融液内に溶融させるため、10μｍ以下が望ましく、各層の酸化防止、拡散防止機能を発揮するため、0.01μｍ以上が望ましい。積層材の総厚は、10μｍ〜1000μｍの範囲が望ましい。薄すぎると応力の緩衝機能が弱くなるため接合部への応力が厳しくなり、厚すぎると、溶けにくくなるためである。
【００４１】
本発明の接合材料の製造方法について述べる。接合材料の各層は、クラッド圧延、めっき、蒸着などの成膜法を組み合わせて製造することができる。
めっき、蒸着法に比べ、クラッド圧延は、厚膜の形成が容易な製造方法である。すなわち、本発明の接合材料において、比較的厚みのあるAl系層およびZn系層の積層は、クラッド圧延により製造することが望ましい。また、最表面のCu系層またはNi系層については、より薄いことが望ましいため、クラッド圧延よりも、めっき、または蒸着により成膜する方が容易に製造できる。
【００４２】
以下に、ZANC材の具体的な製造事例を述べる。例えば、図１１に示すように、Zn系層101の両側に２つのAl系層102a,102bを重ねてクラッド圧延を行いAl／Zn／Al積層材610を作製後、図１２に示すように、Cu系層104a、Ni系層103a、Al／Zn／Al積層材610、Ni系層103b、Cu系層104bを重ねてクラッド圧延を行うことでCu／Ni／Al／Zn／Al／Ni／Cu積層材620を製造することができる。
【００４３】
また、クラッド圧延法によりAl／Zn／Al積層材610を作製後、図１３に示すように、Al／Zn／Al積層材610をめっき浴602に浸し、Al系層表面にNi系めっき層103a,103bを形成することでNi／Al／Zn／Al／Ni積層材630を製造することができる。なお、Al表面へのめっきはジンケート処理によりZn置換を行った後、Ni系めっきをすることが望ましい。なお、ジンケート処理とは、Alの表面に形成された酸化物をZnによって置換する処理をいう。ジンケート処理によってAl表面に形成されたZnはめっき浴中で除去される。続いて、Ni／Al／Zn／Al／Ni積層材630をCu系めっき浴(図示せず)に浸し、Ni系層表面にCu系めっき層104a,104bを形成することでCu／Ni／Al／Zn／Al／Ni／Cu積層材620を製造することができる。
【００４４】
また、めっきではなく、図１４に示すように、Al／Zn／Al積層材610表面のAl酸化膜を真空中でスパッタリング603により除去後、Niを蒸着する604ことでNi系層103aを形成し、Ni／Al／Zn／Al／Ni積層材630を製造することができる。
【００４５】
以上のように、Al系層上にNiないしCuを成膜する構造の、ZANC材、ZACNC材、ZNAC材のNiないしCuについては、めっき法の場合、ジンケート処理、蒸着法の場合、スパッタリングによりそれぞれAlの酸化膜を除去することで、成膜することができる。しかし、これらのAl酸化膜除去法には手間・コストが掛かるため、Al系層上のNi、Cuの成膜についてもクラッド圧延で成膜することが望ましい。
【００４６】
他には、例えばZANC材の場合に、クラッド圧延法によりAl系層とNi系層とCu系層とが接合されたCu／Ni／Al積層材を作製後、Cu／Ni／Al積層材、Zn系層、Cu／Ni／Al積層材を重ねてクラッド圧延することでCu／Ni／Al／Zn／Al／Ni／Cu積層材620を製造することができる。同様に、Cu／Ni／Al積層材、Al／Zn／Al積層材、Cu／Ni／Al積層材を重ねてクラッド圧延しても良い。
【００４７】
また、Cu系層、Ni系層、Al系層、Zn系層を重ねてクラッド圧延法により接合し、Cu／Ni／Al／Zn積層材を作製後、Cu／Ni／Al／Zn積層材とCu／Ni／Al／Zn積層材をZnが向かい合うように重ねてクラッド圧延することでCu／Ni／Al／Zn／Al／Ni／Cu積層材620を作製できる。言い換えると、第１のＺｎ系層の片面に第１のＡｌ系層と第１のNi系層と第１のCu系層をこの順で積層した第１のクラッド材の前記第１のＺｎ系層側と、第２のＺｎ系層の片面に第２のＡｌ系層と第２のNi系層と第２のCu系層をこの順で積層した第２のクラッド材の前記第２のＺｎ系層側とをクラッド圧延することによって接合材料を形成することが出来る。
また、Cu／Ni／Al／Zn積層材の間にZn系層を挟み、つまり、Cu／Ni／Al／Zn積層材、Zn系層、Cu／Ni／Al／Zn積層材を重ねてクラッド圧延することで、Cu／Ni／Al／Zn／Al／Ni／Cu積層材620を製造することができる。
また、クラッド圧延を複数回に分割せずとも、Cu系層、Ni系層、Al系層、Zn系層、Al系層、Ni系層、Cu系層を重ね、一括でクラッド圧延してもよい。
【００４８】
以上のように、Cu／Ni／Al／Zn／Al／Ni／Cu積層材620は、積層方法、積層順を問わず、様々な方法が適用できる。積層方法の違いは、金属の結晶粒径と、自然酸化膜の残存状況の違いとして現れるが、それらの違いは積層材のはんだとしての性能に影響を及ぼさない。従って、何れの方法でも、はんだとして好適な材料を製造することができる。なお、各工程の間には、適当な回数の冷間圧延および洗浄を実施し、積層材の総厚を調整しても良い。また、クラッド圧延を実施する場合は、圧延後の積層材の総厚が、投入前の板材の総厚の半分以下になっていることが、層間の密着度を向上させる観点から望ましい。
【００４９】
ここまで、本発明の接合材料においては、主として、積層平板の構造イメージを用いて説明したが、本発明は積層平板に止まらず、例えば、図２１に示すように、リードフレーム701にZn、Al、Ni、Cuを図４〜図８に示す積層材10〜50の片側の構造を積層した、被接合材一体型のはんだ材としても良い。例えば、図２２に示すリードフレームはクワッド・フラット・ノンリード型パッケージに使用されるリードフレームの一例であるが、半導体素子を接合するダイパッド701の片面に本発明の接合材料を積層する。
接合材料を積層したリードフレームの製造方法としては、例えばCu、Cu合金、42アロイなどの金属を主成分とし、場合によってNi、Ni/Agなどのメタライズを施した原料基板と、本発明の接合材料の各層の材料とを合わせてクラッド圧延にて積層材を作製し、作製された積層基板をスタンピング、パンチングなどの多様なパターニング方法によって、リードフレーム700のダイパッド701、リード部710、支持部720などを形成して、接合材料を積層したリードフレーム700を製造する。なお、クラッド圧延を行う際に供給される接合材料の各層の材料の幅は、ダイパッド701全面をカバーし得る幅の板状材料を重ねて供給することができるが、搭載する素子サイズより小さい面積に供給してもよい。なぜならば、接合時にはんだを叩き広げることができるからである。本構造の接合材料を積層したリードフレームによれば、半導体装置製造工程において、はんだを設置または供給する工数を削減できる。また、例えば、本材料を局所的に付与した原料基板については、図２５に示すモジュールの半導体素子上面の電極を接合するワイヤの代替として適用することもできる。そのような接合材付きワイヤまたはリボンとすることで、電極接合部の信頼性を向上できる。
【００５０】
また、図２３に示すように、同心円状のワイヤ形状、または、球状の積層体であっても同様の効果を得られる。積層平板であれば、本発明の材料の切断面において、AlやZnが露出し、酸化するが、ワイヤ状であれば、切断面の酸化面積を小さくでき、球状であれば、完全に酸化を防ぐことができる。
【００５１】
なお、積層平板時のAl厚の和とZn厚の和の比は、上述したように、Zn:Al＝1:1〜30:1の比率が望ましいが、ワイヤ状であれば、その比は1:1~5.4:1であり、球状であれば、1:1〜3.1:1が適切な比となる。
［実施例1~30］
作製した積層材の構成例を図１５〜１９（表１〜５）に示す。各材料は上下対称の積層材を作製した。表の記載は、例えば、ZANC材は、Cu/Ni/Al/Zn/Al/Ni/Cu構造を作製しており、各層の厚さは、中央から片面分の厚さで表現した。つまり、1μｍ/1μｍ/7μｍ/80μｍ/7μｍ/1μｍ/1μｍ厚の材料は、40μｍ/7μｍ/1μｍ/1μｍと表現した。各材料は、上記した通りAl厚の和とZn厚の和の比は、Zn:Al＝1:1〜30:1の比率、Cu厚およびNi厚は0.01μｍ〜10μｍの範囲、積層材の総厚は10μｍ〜1000μｍの範囲の条件を満たすように作製している。また、本発明の比較材として、Niを含まないZn-Alはんだ、およびNiを含むZn-Alはんだを用いた。
【００５２】
実施例1~30は表1〜５に示した積層材No.1~30について、接合性を検討したものである。接合性の評価方法について説明する。5mm角のCu基板上に、各種積層材を設置し、その上に、2mm角の半導体素子を設置した。赤外線加熱炉により、窒素＋水素の還元雰囲気中で400℃まで加熱し、1min間保持後、冷却し、接合を完了した。本サンプルを樹脂に埋め込み、断面を切り出し、接合界面の状態を走査型電子顕微鏡により観察した。Cu基板側にCu-Znの金属間化合物が20μｍ以上成長しているサンプルを×、20μｍ以下の成長に止まっているサンプルを○とした(接合界面にCu-Znの金属間化合物が存在すると、そこからクラックが発生するし易さの判定基準となる)。また、超音波探傷試験により、図３に示すように、半導体素子垂直上方方向から接合部の様相を観察し、はんだ接合部の内部の全てのボイドを透視した投影図において、接合部全体の面積3に対して、各ボイドの面積7の和が10%以下となっているサンプルを○、それ以上を×とした(はんだ接合部の内部のボイド10%以下とする指標は放熱性の良否判定に関わるものである)。
その結果を図２０（表６）に示す。実施例1~30は何れの場合も、接合界面の化合物成長が、20μｍ以下に抑制され、良好な接合状態を維持していることが判った。これらのサンプルを-55/150℃の温度サイクル試験に供したが、亀裂は界面の化合物層を回避する位置に進展し、信頼性の高い接合状態であることを確認した。また、ボイドも10%以下と、良好な接合状態を得ることができた。
【００５３】
一方、比較例1はNiを含まないZn-Alはんだで接合した例である。本材料では、Zn-Alの酸化防止処理がされていないため、接合部の70%以上がボイドとなり、×となった。接合している部位でも、被接合材のCuとZnが反応し、Cu-Zn金属間化合物が厚さ20mm以上成長し、脆い状態となっており、×となった。比較例2はNiを含むZn-Al-Niはんだで接合した例である。本材料の場合、Cu-Zn金属間化合物の成長は抑制できており○となった。しかし、酸化防止処理がされていないため、Zn-Alの酸化のため、接合部の70%以上がボイドとなり接合できない材料と判断した。
［実施例31］
実施例31は図２５に示す半導体モジュールを作製したものである。本発明の積層材を使用して半導体素子1と絶縁基板91の接合を行った。半導体素子1の裏面最表面はAuとし、その下地はNiとなる半導体素子1を用いた。絶縁基板91は、セラミックス911とCu配線912を張り合わせた基板を用いた。半導体素子1と絶縁基板91で本発明の積層材3aを挟持し、窒素＋水素の還元雰囲気中で400℃まで加熱し、1min間保持後、冷却し、接合を完了した。ワイヤ4を接続後、絶縁基板裏面と放熱板92の間に、本発明の積層材3bを挟持し、同じ加熱履歴により、接合をした。絶縁基板91と外部端子5を接合し、パワー半導体モジュール90を作製した。本モジュールにおいては、本発明の積層材3a,3bを用いることで、はんだのPbフリー化が実現できるとともに、絶縁基板91のNiめっきを不要とすることができ、低コスト化を実現した。ボイド率は10%以下となり、高信頼の接合構造を実現できた。
【００５４】
以上、本発明者によってなされた発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記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いうまでもない。
【００５５】
すなわち、上記説明では、本発明の適用について、一般的な形状の半導体装置のダイボンディング材料、絶縁基板の接合材などを例に挙げて説明したが、そのほか、様々な構造の接合材料として適用できる。適用例としては、オルタネータ用ダイオード、パワーモジュール、LED、封止用リッド、熱電変換モジュール、Al合金用のろう材やブレージングシートとして適用することも出来る。
【符号の説明】
【００５６】
1・・・半導体素子、2・・・リードフレーム、3、3a、3b・・・はんだ、4・・・ワイヤ、5・・・リード（外部端子）、6・・・封止用レジン、7・・・ボイド、8・・・Cu-Zn金属間化合物層、9・・・Al-Ni金属間化合物層、
10・・・ZANC材、101・・・Zn系金属層、102、102a、102b・・・Al系金属層、103、103a、103b・・・Ni系金属層、104、104a、104b・・・Cu系金属層、
20・・・AZNC材、201・・・Al系金属層、202、202a、202b・・・Zn系金属層、203、203a、203b・・・Ni系金属層、204、204a、204b・・・Cu系金属層、
30・・・ZACNC材、301・・・Zn系金属層、302、302a、302b・・・Al系金属層、303、303a、303b・・・Cu系金属層、304、304a、304b・・・Ni系金属層、305、305a、305b・・・Cu系金属層、
40・・・AZCNC材、401・・・Al系金属層、402、402a、402b・・・Zn系金属層、403、403a、403b・・・Cu系金属層、404、404a、404b・・・Ni系金属層、505、505a、505b・・・Cu系金属層、
50・・・ZNAC材、501・・・Zn系金属層、502、502a、502b・・・Ni系金属層、503、503a、503b・・・Al系金属層、504、504a、504b・・・Cu系金属層、
60・・・半導体パッケージ、
601・・・ローラー、602・・・めっき浴、603・・・スパッタリング装置、604・・・蒸着装置、610・・・Al／Zn／Al積層材、620・・・Cu／Ni／Al／Zn／Al／Ni／Cu積層材、630・・・Ni／Al／Zn／Al／Ni積層材、
70・・・被接合材一体型はんだ材、701・・・被接合材(リードフレーム、ダイパッド)、702・・・Zn系金属層、703・・・Al系金属層、704・・・Ni系金属層、705・・・Cu系金属層、710・・・リード部、720・・・支持部、730・・・アウターフレーム、
80・・・ワイヤないし球状積層はんだ材、801・・・Zn系金属層、802・・・Al系金属層、803・・・Ni系金属層、804・・・Cu系金属層、
90・・・パワーモジュール、91・・・絶縁基板、911・・・セラミック絶縁層、912・・・金属配線、92・・・放熱板、
1001・・・液相線、1002・・・450℃の線、1003・・・液相線が450℃の線より下となる境界線、1004・・・製造困難境界線、1005・・・本発明の接合材料におけるZnとAlの配合体積比率が望ましい範囲。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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