(57)【要約】【課題】高耐熱性を有するだけでなく、降伏応力に対しても高信頼化を図ることのできる鉛フリーはんだ合金およびそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】鉛フリーはんだ合金として、Ｓｂを５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下、Ｎｉを０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下、ＰをＮｉとの比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））が４.０ｗｔ％以上３３．０ｗｔ％以下で予め合金化させたＮｉＰとして含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｂを５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下、Ｎｉを０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下、ＰをＮｉとの比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））が４.０ｗｔ％以上３３ｗｔ％以下で予め合金化させたＮｉＰとして含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
表面側および裏面側に金属層が設けられた半導体素子と、
前記半導体素子の裏面側の金属層と接合される回路パターンが形成された回路基板と、
前記半導体素子の表面側の金属層と接合されたリードフレームと
を備え、
前記半導体素子の裏面側の金属層と前記回路パターンとの接合および前記半導体素子の表面側の金属層と前記リードフレームとの接合の少なくとも一方の接合に請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金を用いたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記回路基板の回路パターンおよび前記リードフレームは、少なくとも一方がＣｕを含み、前記Ｃｕを含む場合の接合に前記鉛フリーはんだ合金を用いたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記Ｃｕを含む場合に接合する前記半導体素子の表面側および裏面側の金属層は、多層であって、いずれか一層がＡｌ、Ａｕ，Ａｇ、またはＣｕで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記鉛フリーはんだ合金は、接合時の加熱の温度が２５０℃以上２８０℃以下で、前記加熱の時間が３ｍｉｎ以上２０ｍｉｎ以下であることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記鉛フリーはんだ合金を用いて接合した部分には、前記ＮｉＰの分解により生じたＰに基づいて発生したボイドが残存することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ボイドは、直径が０．５μｍ以上５μｍ以下の球状であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等のはんだ接合に用いられる、環境負荷物質である鉛を含まない鉛フリーはんだ合金およびそれを用いた半導体装置に関し、特に高温動作する半導体装置に適したＳｎ系の鉛フリーはんだ合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置に対する信頼性の要求はますます高まり、特に熱膨張係数差の大きい半導体素子と回路基板との接合部に対する耐ヒートサイクル特性、耐パワーサイクル特性向上が求められている。従来、半導体素子はシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）を基板としたものが多く使われ、その動作温度は１００℃〜１２５℃である。これらを電子回路の電極に接合するはんだ材料としては、半導体素子と回路基板との熱膨張の差に起因する繰り返し熱応力に対する耐クラック性、組み立てる際の多段階はんだ接合に対応するための高融点、さらにデバイスの汚染耐性の点などから、Ｓｉデバイスでは９５Ｐｂ−５Ｓｎ（質量％）、ガリウム砒素デバイスでは８０Ａｕ−２０Ｓｎ（質量％）などが使われてきた。しかしながら、環境負荷低減の観点から有害な鉛（Ｐｂ）を大量に含有する９５Ｐｂ−５Ｓｎは問題があり、また貴金属高騰や埋蔵量の点から８０Ａｕ−２０Ｓｎは代替材が強く望まれていた。
【０００３】
一方、省エネルギーの観点から、次世代デバイスとしてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）を基板としたパワーデバイスの開発が盛んになされている。これらは、ロス低減の観点からその動作温度が１７５℃以上とされており、将来的には３００℃になるとも言われている。
【０００４】
上記要求に対して、融点が高く、しかも耐熱性（耐パワーサイクル特性、耐ヒートサイクル特性）に優れた高温はんだ合金を用いた半導体装置が必要である。そこで、これまでＳｎ―Ｓｂ系はんだ合金を用いた半導体装置が知られている。例えば特許文献１では、Ｓｂを５〜８ｗｔ％、Ｎｉを０．０〜０．８ｗｔ％、Ｐを０．０〜０．１ｗｔ％、残りをＳｎとするはんだであり、代表的なものがＳｎ−５Ｓｂ−０.６Ｎｉ−０.０５Ｐとするはんだ合金を用いた半導体装置が開示されている。他にも、例えば特許文献２では、Ｓｂ＝５±０．５ｗｔ％、Ｎｉ＝０．６±０．２ｗｔ％、Ｐ＝０．０５±０．０１５ｗｔ％、残りがＳｎで構成されているはんだ合金を用いた半導体装置が開示されている。
【０００５】
また、はんだ合金の高耐熱化が図れただけでは、必ずしも半導体装置の高信頼化にはつながらない場合もある。つまり、接合構造体にヒートサイクルなどの熱応力を加えると、降伏応力の低い箇所でクラックが生じる。Ｓｎ系の鉛フリーはんだ合金として、汎用的なＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金を用いると、裏面側は最も降伏応力が低い箇所ははんだ接合部になるため、はんだ接合部にクラックが生じる。ところが、表面側は最も降伏応力の低い箇所が、特に低温側で主にエミッタ側の層となる。はんだが最弱層の場合、熱応力によって、クラックが進展するが、その進展速度ははんだ組成の調整によって、速度を遅らせることが可能である。しかし、エミッタ側の層が最弱層の場合、一度クラックが進展すると、全面剥離を生じるなどの致命的な不良に至ることが分かっている。
【０００６】
そこで、特許文献３では、はんだ材としてＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉの３元系のはんだ材料（融点２３０℃）を用いており、−４０〜１５０℃の温度域において、はんだの降伏応力をＡｌ合金からなる第１金属層の降伏応力よりも小さくすることで、Ａｌ合金からなる第１金属層が変形して致命的な不良に至ることを抑制したパワーデバイスが開示されている。
【０００７】
なお、ここでいう降伏応力とは、降伏現象、つまり、材料に負荷される応力が弾性限界を超えて、ある値に達すると応力の増加がほとんどないまま急激に塑性歪みが発生するという現象を引き起こすのに必要な応力を指す。一般的に、降伏に伴い応力が極大を示す場合には、極大点の応力が降伏応力とされるが、極大が明瞭に現われないような場合、０．２％の永久歪みを生じる応力（０．２％耐力）が実用的に降伏応力として扱われる。はんだ合金は応力の極大が明瞭に現われない金属の一つであり、０．２％耐力を鉛フリーはんだ合金の降伏応力として以下説明する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０８−０６９９２６号公報（段落０００６、図８）
【特許文献２】特開２０００−２６９４１５号公報（段落００１９、図１）
【特許文献３】特開２００５−０１９４４７号公報（段落００２８〜００２７、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１、２に示されるＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金は、はんだの高耐熱化には有望ではあるが、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金の組成やそれを用いた半導体装置の接合プロセスの適正化がなされていない場合には、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金はＳｂの添加により硬くなり過ぎてしまい、エミッタ側の金属層にＡｌ合金等を用いるとこの金属層が最弱層となるため、Ａｌ合金からなる金属層が変形し、クラック等が生じて致命的な不良に至るという問題があった。また、特許文献３では、はんだ材としてＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだ合金を用いているが、ＳｎとＣｕの共晶温度は２２７℃であり、Ｓｎ−Ｓｂの包晶温度２４０℃と比べると融点が低く、耐熱性が低いという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高温動作する半導体装置において高耐熱性を有するだけでなく、降伏応力に対しても高信頼化を図ることのできる鉛フリーはんだ合金およびそれを用いた半導体装置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】
【００１１】
本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｂを５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下、Ｎｉを０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下、ＰをＮｉとの比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））が４.０ｗｔ％以上３３ｗｔ％以下で予め合金化させたＮｉＰとして含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置は、表面側および裏面側に金属層が設けられた半導体素子と、半導体素子の裏面側の金属層と接合される回路パターンが形成された回路基板と、半導体素子の表面側の金属層と接合されたリードフレームとを備え、半導体素子の裏面側の金属層と回路パターンとの接合および半導体素子の表面側の金属層とリードフレームとの接合の少なくとも一方の接合にＮｉＰ合金を含有するＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金を用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高温動作する半導体装置において、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金にＰを予めＮｉＰ合金として含有させ、この鉛フリーはんだ合金を用いて接合することにより、はんだ接合部の高耐熱化を図ることができるとともに、導体素子の表面の金属層より降伏応力を小さくすることで、はんだ接合部および金属層におけるクラックの発生を抑制でき、高信頼化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態による鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態による鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置の接合前の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態による鉛フリーはんだ合金の接合断面の状態を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した画像図である。
【図４】本発明の実施の形態による鉛フリーはんだ合金の接合メカニズムを説明するための模式図である。
【図５】比較例における鉛フリーはんだ合金で接合界面にＮｉＰ合金が残留したままの状態を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した画像図である。
【図６】本発明の実施の形態による鉛フリーはんだ合金の成分添加量とそれを用いた半導体装置の試験結果を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態
図１は、本発明の実施の形態による鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置１００の断面図である。図２は、半導体装置１００の接合前の状態を示す断面図である。
図１に示すように、半導体装置１００は、半導体チップ５０と、半導体チップ５０の表面側に本発明のＳｎ系鉛フリーはんだ合金１０を用いて接合した、主にＣｕからなるリードフレーム１２と、半導体チップ５０の裏面側にＳｎ系鉛フリーはんだ合金１１を用いて接合した、主にＣｕおよびセラミックからなる回路基板としてのＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板１３とから構成される。
【００１６】
半導体チップ５０は、半導体素子４の表面（図１中の上側）のエミッタ側および裏面（図１中の下側）のコレクタ側に多層の電極層が形成されている。半導体素子４は、表面側および裏面側の電極層を介して、それぞれリードフレーム１２とＤＢＣ基板１３に形成されている回路バターンにＳｎ系鉛フリーはんだ合金１０、１１を用いて接合されている。半導体素子４の裏面側のコレクタ電極は、素子側から見て、例えば主にＴｉからなるコレクタ側第１金属層５、主にＮｉからなるコレクタ側第２金属層６、そしてＳｎ系鉛フリーはんだ合金１１との界面に、接合前は主にＡｕからなるコレクタ側第３金属層７（図２参照）がはんだ接合時に、はんだ内部に拡散して形成された硬い金属間化合物９（図１参照）からなる。一方、半導体素子４の表面側のエミッタ電極は、素子側から見て、例えば主にＡｌからなるエミッタ側第１金属層１、主にＮｉからなるエミッタ側第２金属層２、そしてＳｎ系鉛フリーはんだ合金１０との界面に、接合前は主にＡｕからなるエミッタ側第３金属層３（図２参照）がはんだ接合時に、はんだ内部に拡散して形成された硬い金属間化合物８（図１参照）からなる。
【００１７】
本発明の実施の形態に係る鉛フリーはんだ合金であるＳｎ系鉛フリーはんだ合金１０は、Ｓｂを５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下、Ｎｉを０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下、ＰをＮｉとの比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））が４.０ｗｔ％以上３３．０ｗｔ％以下で予め合金化させたＮｉＰを添加し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなることを特徴とするＳｎ−Ｓｂ−ＮｉＰ系はんだ合金である。従来まで、ＮｉとＰを事前に合金化させずに添加していたが、本発明では、ＮｉとＰをＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金に添加する前に合金化させて、その後添加して均一分散させることで、これまでにないＡｌ金属層等の変形を抑制する新たな効果を見出した。
【００１８】
本発明において、Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金１０におけるＳｂ、Ｎｉ、Ｐの添加量を規定した理由を以下に説明する。
Ｓｂの添加量が５ｗｔ％よりも少ない場合、はんだ合金自体の融点が低くなるため、耐熱性が低下する。Ｓｂの添加量が１０ｗｔ％よりも多い場合、融点が高くなるため耐熱性は向上するが、Ｓｂ化合物がはんだ合金内に大量に析出するため、硬くなり過ぎてしまい、Ａｌの金属層１が最弱層となることで、Ａｌの金属層１が優先的に変形し、クラック等が生じる致命的な不良に至る。量産時の組成ばらつきを考慮すると、Ｓｂの添加量は好ましくは６ｗｔ％以上８ｗｔ％以下である。
【００１９】
Ｎｉの添加量については、正確にはＮｉＰ合金での添加であり、ＮｉとＰの添加量とも関係するが、ここではＰの添加量を除いてＮｉの添加量で説明する。Ｎｉの添加量が０．１ｗｔ％よりも少ない場合、はんだ合金自体の強度が低下してしまい、ヒートサイクル性が低下し過ぎてしまう。また、Ｎｉは、一部接合界面に濃化して、チップ電極のＮｉの金属層２、６の拡散およびリードフレーム１２のＣｕの拡散を抑制する効果があるため、Ｎｉ添加量が少ないと、組成が均一化されず予期せぬ組成ずれを起こす。更に、チップ電極層のＮｉの金属層６が完全に消失すると、Ｔｉの金属層５とＮｉが拡散したことによる金属間化合物との密着力が低いため、ヒートサイクルで早期に不良に至る。Ｎｉの添加量が１．０ｗｔ％よりも多い場合、はんだ自体が硬くなり過ぎてしまい、Ａｌの電極層１が変形して早期に不良に至る。量産時のばらつきを考慮すると、Ｎｉの添加量は好ましくは０．２ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下である。
【００２０】
Ｐの添加量については、ＰはＮｉとの比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））が４.０ｗｔ％よりも少ない場合、Ｐの揮発によってリードフレーム１２のＣｕとの接合界面に生成される金属間化合物上に発生する微小ボイドが少ないため、はんだ接合部が低降伏応力化されずに、Ａｌの電極層１が変形しクラック等が生じて早期に不良に至る。Ｎｉとの比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））が３３.０ｗｔ％よりも多い場合、微小ボイドが逆に増えすぎてしまい、低降伏応力化し過ぎて、はんだクラックが生じ易く、信頼性が低下する。
【００２１】
次に、本発明の実施の形態に係る鉛フリーはんだ合金におけるＮｉＰ添加による微小ボイド発生のメカニズムについて、図３および図４を用いて説明する。図３は、ＮｉＰ合金を添加したＳｎ―Ｓｂ系はんだ合金の接合断面の状態を電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により撮影した画像（倍率：２０００倍）の代表例である。図４は、ＮｉＰ合金を添加したＳｎ―Ｓｂ系はんだ合金における微小ボイドの発生を説明するための模式図である。
【００２２】
図３において、ＮｉＰ合金を添加したＳｎ―Ｓｂ系はんだ合金の組成は、Ｓｎ−８Ｓｂ―０．５Ｎｉ―（０．０８８）Ｐ（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）＝１５．０ｗｔ％、全てｗｔ％）である。このはんだをリードフレーム１２のＣｕに２６０℃×１０ｍｉｎで、フラックスを使わずに、ギ酸による還元雰囲気中で、はんだ接合したときのリードフレーム１２のＣｕとはんだの接合界面を観察した。その結果、Ｃｕとの接合界面に２種類の金属間化合物１４、１６、微小ボイド１５、Ｐ化合物１７が見られた。意外なことにＣｕとの界面には添加しているＮｉＰ化合物が見られなかった。詳細分析した結果、リードフレームのＣｕ上に形成された金属間化合物１４は、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５相であった。ＣｕとＮｉは、原子濃度でＮｉ／Ｃｕ＝７〜２２ａｔ％であった。次に金属間化合物１４上に形成された針状の金属間化合物１６は、（Ｃｕ、Ｎｉ）３Ｓｎ４相であった。ＣｕとＮｉは、原子濃度でＮｉ／Ｃｕ＝２３〜４２ａｔ％であった。このことから、針状の金属間化合物１６は下層の金属間化合物１４よりもＮｉリッチな金属間化合物であった。針状の金属間化合物に挟まれた微小ボイド１５は球状であり、測定した結果、直径０．５μｍ以上５μｍ以下の微小ボイドであることが確認された。また、一部、針状金属間化合物、微小ボイドとは別にＰリッチ合金相１７が見られた。分析した結果、ＣｕＰ２相であることが確認された。
【００２３】
以上の分析結果より考えられる微小ボイド発生メカニズムを、図４を用いて説明する。
まず、ＮｉＰ化合物１８がリードフレーム１２のＣｕとＳｎ系鉛フリーはんだ合金１０の主成分のＳｎによって形成されたＣｕ−Ｓｎ金属間化合物内に拡散する（図４のＡ）。次に、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物は（Ｃｕ、Ｎｉ）―Ｓｎ金属間化合物１４となり、更にＮｉリッチになると、針状の（Ｃｕ、Ｎｉ）―Ｓｎ金属間化合物１６を形成する（図４のＢ）。続いて、Ｎｉの拡散によって、取り残されたＰはＣｕ−Ｐ合金相１７あるいはＰ単独相１５ａとなって、はんだ内部に残存する（図４のＣ）。次いで、Ｐ単独相１５ａは加熱によって揮発、針状の金属間化合物１６にトラップされて微小ボイド１５ｂが残存する（図４のＤ）。微小ボイド発生のメカニズムについては、あくまで推定であるが、ボイドの形状が金属同士の拡散速度の違いによって生じるカーケンダルボイドのような不定形形状ではなく、球状であることからも上記メカニズムを裏付けている。また、この微小ボイドはチップ電極層のＮｉ界面には形成されていない。またＮｉ、Ｐを単独で添加した場合においても、このような微小ボイドは発生していない。これは、単独でＰを添加すると、Ｐは脱酸剤として作用し、濡れ性向上に寄与するためと考えられる。したがって、ＮｉＰ化合物１８は、Ｃｕの存在下で分解し、ＮｉＰ化合物１８の分解により生じるＰに基づいて微小ボイドが発生することがわかった。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態に係る鉛フリーはんだ合金について、実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。
鉛フリーはんだ合金組成がＳｎ−ｘＳｂ−ｙＮｉ−ｚＰ（ｗｔ％）となるように、図６に示すＳｎ、Ｓｂ、ＮｉＰの質量濃度で合計で３ｋｇを秤量した。Ｓｎ、Ｓｂ、ＮｉＰの各粉末は株式会社高純度化学研究所等から購入することができる。ＮｉＰ合金粉末は、例えば特開２００１−２７９３０６に示されるように、ニッケル塩の水溶液とりんを含む還元剤の水溶液をｐＨ調整剤の存在下で反応させて、Ｎｉ−Ｐ合金の粒子を析出させる際に、カルボン酸またはカルボン酸塩の溶存下で該析出反応を進行させることにより、球状Ｎｉ−Ｐ粉末を作製することもできる。
【００２５】
秤量後、高周波溶解炉で最高温度が７００℃になるまでＳｎを加熱した。７００℃に加熱後、Ｓｂ及びＮｉＰを投入して攪拌し、溶けきったことが確認された後、はんだ合金を速やかに鋳型に鋳造することで、本発明の実施の形態に係る鉛フリーはんだ合金、つまりＮｉＰ合金を添加したＳｎ―Ｓｂ系はんだ合金の鋳造はんだを得た。この段階では、ＮｉＰは分解せずにＮｉＰとしてＳｎ―Ｓｂ系はんだ合金中に存在する。得られた鋳造はんだは、圧延機で圧延して、厚み１００μｍ±１０μｍのシートはんだを作製し、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍに切断した。
【００２６】
得られた鋳造はんだの熱特性については、鋳造はんだのほぼ中央部から数十ｍｇ程度を取り出したものを測定サンプルとして、示差走査熱量分析装置（ＤＳＣ：Differential scanning calorimetry）を用いて融点（ピーク温度）を測定した。本発明に係わる半導体装置では、汎用的なＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金を用いた場合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金の融点が２２０℃であるのに対して、上限温度１５０℃まで使用した実績がある。そこで、上記融点２２０℃と実績値１５０℃との差分の７０℃を基準とし、本発明の実施の形態に係る鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置１００においては、上限温度１７５℃の場合、はんだに求められる融点を１７５℃よりも７０℃高い２４５℃を基準とした。融点が２４５℃以下の場合、図６の融点の欄は“×”とし、融点が２４５℃よりも高い場合は“〇”とした。
【００２７】
半導体素子４としては、厚さ３００μｍのＳｉＣ製を用意した。表面には第１金属層１（Ａｌ）／第２金属層２（Ｎｉ）／第３金属層３（Ａｕ）＝１０００ｎｍ／７００ｎｍ／１００ｎｍの厚さのエミッタ側電極層が形成されている。裏面には第１金属層５（Ｔｉ）／第２金属層６（Ｎｉ）／第３金属層７（Ａｕ）＝１００ｎｍ／７００ｎｍ／１００ｎｍの厚さのコレクタ側電極層が形成されている。今回、チップサイズは縦１０ｍｍ×横１０ｍｍのものを用いた。リードフレーム１２には、めっき等表面処理を施していない厚さ０．５ｍｍ、縦１５ｍｍ×横６０ｍｍのタフピッチＣｕ（純度９９．９％）を用いた。
【００２８】
ＤＢＣ基板１３としては、縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ、厚さ：Ｃｕ／Ｓｉ３Ｎ４／Ｃｕ＝０．２／０．６／０．２ｍｍ、めっき処理なしのものを用いた。半導体チップ５０裏面の接合材であるＳｎ系鉛フリーはんだ合金１１としては、Ｓｎ−１０Ｓｂ−１Ｃｕ系はんだ合金（ｗｔ％、融点２５０℃）の縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ、厚さ１００μｍのシートはんだを用いた。
【００２９】
上記部材を用いて、図２に示すように、リードフレーム１２／Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金１０（ＮｉＰ合金を添加したＳｎ―Ｓｂ系はんだ合金（シート状））／半導体素子４（ＳｉＣ製）／Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金１１（Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ系はんだ合金（シート状））／ＤＢＣ基板１３と重ね合わせて、代表的な有機酸であるギ酸を用いたギ酸還元雰囲気の高温炉に入れた。接合条件は、ＤＢＣ基板１３の上部Ｃｕのはんだ接合範囲外に、予めカプトンテープで貼り付けたＫ熱電対を用いてピーク温度を測定し、ピーク温度が２６０℃になったら、温度を保持し、保持時間を１０ｍｉｎとした。接合後、本発明の実施の形態による鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置１００（図１参照）を得た。
【００３０】
なお、エミッタ側第３金属層３、コレクタ側第３金属層７は主成分がＡｕであり、Ａｕは厚さ１００ｎｍと薄く、またはんだ内に容易に拡散するため、接合後ははんだ内に完全に拡散して消失してしまう。したがって、はんだは、エミッタ側第２金属２、コレクタ側第２金属層６との界面に金属間化合物相８、９（図１参照）を形成する。なお、今回使用したはんだはシート状であるが、形状はこれに限定するものではない。例えば、所定量添加されたはんだペースト、はんだリボン、あるいははんだボールでも良い。接合雰囲気は代表的な有機酸としてギ酸を挙げているが、これに限定するものではない。例えば、有機酸の具体例として、酢酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、吉草酸、イソ吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、ツベルクロステアリン酸、アラキジン酸、アラキドン酸、エイコサペンタエン酸、ベヘン酸、ドコサヘキサエン酸、リグノセリン酸、アゼライン酸、スベリン酸、セバシン酸、フタル酸、セロチン酸、モンタン酸、メリシン酸、サリチル酸、没食子酸、安息香酸、フタル酸、ケイ(桂)皮酸、メリト酸、シュウ酸、乳酸、酒石酸、マレイン酸、フマル酸、マロン酸、コハク酸、リンゴ酸、クエン酸、アコニット酸、グルタル酸、アジピン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、２，６−ナフタレンジカルボン酸等を含んでいてもよい。
【００３１】
次に、得られた半導体装置１００のサンプルを−４０℃／１７５℃、１サイクル３０ｍｉｎ／３０ｍｉｎのヒートサイクル試験に投入した。ここで、ヒートサイクル試験装置にはエスペック株式会社製の装置（型式：ＴＳＡ-７２ＥＨ）を用いた。２０００ｃｙｃ経過後にサンプルを取り出して、チップの対角で切断、断面研磨をおこない、端部のクラック発生状況、クラック発生モードを調査した。具体的には、対角にみて、はんだにクラックが生じており、そのクラック長さが１ｍｍよりも大きい場合、図６に示すはんだクラックの欄を“×”とした。一方、クラック発生モードがＡｌの変形であり、対角にみて、Ａｌにクラックが生じており、そのクラック長さが１ｍｍよりも進展していた場合、図６に示すＡｌのクラックの欄を“×”とした。
【００３２】
以下、結果を示す（図６参照）。
比較例１、実施例１、実施例２、実施例３、比較例２では、Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金１０におけるＮｉの添加量を０．５ｗｔ％、Ｐの添加比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））を１５％とし、Ｓｂを４．５〜１１ｗｔ％まで変えたときのはんだの融点の適否、ヒートサイクル試験結果（Ａｌのクラックの有無、はんだクラックの有無）を示している。比較例１は、Ｓｂの添加量が４．５ｗｔ％と低く、融点が２４５℃以下であったため×となった。実施例１（Ｓｂ添加量：５ｗｔ％）、実施例２（Ｓｂ添加量：８ｗｔ％）、実施例３（Ｓｂ添加量：１０ｗｔ％）は融点、ヒートサイクル試験のいずれも○であった。一方、比較例２（Ｓｂ添加量：１１ｗｔ％）では、はんだが硬くなり過ぎてしまったため、アルミが最弱層となって変形し、Ａｌにクラックが生じて×となった。
【００３３】
比較例３、実施例４、実施例５、比較例４では、Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金１０におけるＳｂの添加量を５ｗｔ％、Ｐの添加比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））を１５ｗｔ％とし、相対的なＮｉの添加量を０．０５〜１．２ｗｔ％まで変えたときのはんだの融点の適否、ヒートサイクル試験結果（Ａｌのクラックの有無、はんだクラックの有無）を示している。比較例３は、Ｎｉの添加量が０．０５ｗｔ％と低く、はんだの強度が低いため、はんだが最弱層となり、はんだにクラックが生じて×となった。Ｎｉの添加量が０．１ｗｔ％以上の実施例４（Ｎｉ添加量：０．１ｗｔ％）、実施例５（Ｎｉ添加量：１．０ｗｔ％）は融点の適否、ヒートサイクル試験結果のいずれも○であった。一方、比較例４（Ｎｉ添加量：１．２ｗｔ％）では、Ｎｉの添加量の増加により、はんだが硬くなることでＡｌの変形が発生する要因となるが、Ｎｉの添加量の増加に伴いＰの添加量も増加することで微小ボイドが大量に発生することにより、低降伏応力化してＡｌの変形が抑制されるという効果が働く。さらに、Ｓｂが５ｗｔ％と添加量が少ないため比較的強度が低いため、はんだが最弱層となり、はんだにクラックが生じて×となった。
【００３４】
比較例５、実施例６、実施例７、比較例６では、Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金１０におけるＳｂの添加量を１０ｗｔ％、Ｐの添加比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））を１５％とし、相対的なＮｉの添加量を０．０５〜１．２ｗｔ％まで変えたときのはんだの融点の適否、ヒートサイクル試験結果（Ａｌのクラックの有無、はんだクラックの有無）を示している。比較例５は、Ｎｉが０．０５ｗｔ％と低く、はんだの強度が低いため、はんだが最弱層となり、はんだにクラックが生じて×となった。実施例６（Ｎｉ添加量：０．１ｗｔ％）、実施例７（Ｎｉ添加量：１．０ｗｔ％）は、融点の適否、ヒートサイクル試験結果のいずれも○であった。一方、比較例６（Ｎｉ添加量：１．２ｗｔ％）では、Ｎｉの添加量の増加により、はんだが硬くなるだけでなく、上記比較例４とは異なりＳｂが１０ｗｔ％と添加量が多く、比較的強度が高いため、Ｎｉの添加量の増加に伴いＰの添加量も増加することで微小ボイドが大量に発生することにより、低降伏応力化してＡｌの変形が抑制されるという効果も働くが、Ａｌが最弱層となり、Ａｌの変形によりクラックが生じて×となった。
【００３５】
比較例７、実施例８、実施例９、実施例１０、比較例８では、Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金１０におけるＳｂの添加量を５ｗｔ％、Ｎｉの添加量を０．１ｗｔ％とし、Ｐの添加比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））を３．０〜３５.０％まで変えたときのはんだの融点の適否、ヒートサイクル試験結果（Ａｌのクラックの有無、はんだクラックの有無）を示している。比較例７は、Ｐの添加比率が３．０％と低いため、微小ボイドの発生量が少なく、低降伏応力化の効果が小さいため、Ａｌが最弱層となり、Ａｌの変形によりＡｌにクラックが生じて×となった。実施例８（Ｐの添加率、Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）：４．０％）、実施例９（Ｐの添加率、Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）：１０．０％）、実施例１０（Ｐの添加率、Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）：３３．０％）は、融点の適否、ヒートサイクル試験結果のいずれも○であった。一方、比較例８（Ｐの添加率、Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）：３５．０％）では、Ｐの添加量が多すぎて微小ボイドが大量に発生し、低降伏応力化し過ぎてしまい、はんだが最弱層となり、はんだにクラックが生じて×となった。
【００３６】
比較例９、実施例１１、実施例１２、実施例１３、比較例１０では、Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金１０におけるＳｂの添加量を１０ｗｔ％、Ｎｉの添加量を１．０ｗｔ％とし、Ｐの添加比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））を３．０〜３５.０％まで変えたときのはんだの融点の適否、ヒートサイクル試験結果（Ａｌのクラックの有無、はんだクラックの有無）を示している。比較例９は、Ｐの添加比率が３．０％と低いため、微小ボイドの発生量が少なく、低降伏応力化の効果が小さいため、Ａｌが最弱層となり、Ａｌの変形によりクラックが生じて×となった。実施例１１（Ｐの添加率、Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）：４．０％）、実施例１２（Ｐの添加率、Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）：１０．０％）、実施例１３（Ｐの添加率、Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）：３３．０％）は、融点の適否、ヒートサイクル試験結果のいずれも○であった。一方、比較例１０（Ｐの添加率、Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）：３５．０％）では、Ｐの添加量が多すぎて微小ボイドが大量に発生し、低降伏応力化し過ぎてしまい、はんだが最弱層となり、はんだにクラックが生じて×となった。比較例９はＳｂの添加率が５ｗｔ％、比較例１０はＳｂの添加率が１０ｗｔ％であるが、どちらも微小ボイドが大量に発生したことによって、はんだクラックが生じている。これは、Ｓｂ添加量は主に融点向上に寄与しているが、強度向上効果は本発明の範囲では小さく、むしろ微小ボイドの発生が低降伏応力化に非常に大きく関わっている結果である。
【００３７】
次に、接合条件に関して、本発明のＳｎ系鉛フリーはんだ合金１０（ＮｉＰ合金を添加したＳｎ―Ｓｂ系はんだ合金）を用いて、接合時のピーク温度、ピーク保持時間を変更した結果、ピーク温度は２５０℃以上２８０℃以下、ピーク保持時間は３ｍｉｎ以上２０ｍｉｎ以下であれば、上記と同様の効果が得られている。ピーク温度が高く保持時間が長いと、ＮｉＰ合金の拡散が促進され微小ボイドが大量に発生することで、低降伏応力化され過ぎて、はんだが最弱層となり、はんだにクラックが発生するモードとなる。ピーク温度が低く保持時間が短いと、ＮｉＰ合金の拡散が少なく微小ボイドが発生しないため、低降伏応力化されず、Ａｌが最弱層となり、Ａｌの変形によりＡｌにクラックが発生するモードとなる。上記と同様のプロセスで作製されたＳｎ−８Ｓｂ―０．５Ｎｉ―（０．０８８）Ｐ（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ）＝１５．０ｗｔ％、全てｗｔ％：実施例２と同じ添加量）を用いたときの、２５０℃×２．５ｍｉｎ加熱したときの断面写真を図５に示す。図３と比較しても分かるように、ピーク保持時間が３ｍｉｎより短いと針状の金属間化合物が成長しておらず、またボイドも生じていない。はんだ内に分散する析出物を分析した結果、ＮｉＰ合金のままであることが確認された。この結果、適切な温度、時間に制御することも本発明の効果を引き出すのに重要なパラメータである。
【００３８】
なお、電極層のＡｌは、主成分がＡｌであれば、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｉ−ＣｕのようなＡｌ合金でもよい。Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｕ層についても同様である。リードフレームについても、主成分がＣｕであれば、ＣｕＣｒ、ＣｕＷなどのＣｕ合金でもよい。また、表面がＣｕを主成分とするクラッド材でもよい。あるいはＣｕめっきを施したリードフレームでもよい。
【００３９】
以上のように、本発明の実施の形態による鉛フリーはんだ合金では、Ｓｂを５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下、Ｎｉを０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下、ＰをＮｉとの比率（Ｐ／（Ｎｉ＋Ｐ））が４.０ｗｔ％以上３３．０ｗｔ％以下で予め合金化させたＮｉＰとして含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなるように構成したので、鉛フリーはんだ合金の高耐熱化を図ることができるとともに、接合後のはんだの接合部においては、微小ボイドの存在により低降伏応力化でき、高温動作する半導体装置におけるはんだ接合部の高信頼化を図ることができる。
【００４０】
以上のように、本発明の実施の形態による半導体装置では、表面側および裏面側に金属層が設けられた半導体素子４と、裏面側の金属層と接合されるＤＢＣ基板１３と、表面側の金属層と接合されたリードフレーム１２とを備え、表面側のＡｌの金属層を含む金属層とＣｕからなるリードフレーム１２との接合にＮｉＰ合金を含有したＳｎ―Ｓｂ系はんだ合金を用いたので、はんだの接合部における微小ボイドの存在により低降伏応力化でき、半導体素子の表面の金属層より降伏応力をより小さくすることで、はんだ接合部および金属層におけるクラックの発生を抑制でき、高温動作での高信頼化を図ることができる。
【００４１】
本実施の形態では、Ａｌの電極層の変形を例として説明したが、これに限るものではない。電極層としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕを用いた場合にも変形を抑制でき、同様の効果を得ることができる。
【００４２】
上述した実施の形態における半導体装置１００を構成する半導体素子４としては、ＳｉＣ製のものを用いたが、珪素（Ｓｉ）でもよいし、他のワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。他のワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどが挙げられる。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。また、耐熱性も高いため、放熱部材の冷却フィンの小型化や、空冷化が可能であるので、半導体装置の一層の小型化が可能になる。半導体装置の小型化が進むと、半導体装置のはんだ接合に対しても、長期信頼性への要求がさらに高度になる。このような要求に対しても、本発明の鉛フリーはんだ合金およびそれを用いた半導体装置は、優れた効果を発揮する。
【００４３】
本発明の鉛フリーはんだ合金は、チップ表面とリードフレームを接合する場合に用いた例を示したが、これに限るものではない。例えば、チップ裏面と基板との接合材、基板とヒートシンクとの接合材として使用してもよい。また、本発明の鉛フリーはんだ合金は、半導体装置に用いる場合について示したが、これに限るものではない。例えば、モーター、コネクタ、センサ等の他の分野においても、使用してもよい。
【００４４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  Ａｌからなるエミッタ側第１金属層、２  Ｎｉからなるエミッタ側第２金属層、３  Ａｕからなるエミッタ側第３金属層、４  半導体素子、５  Ｔｉからなるコレクタ側第１金属層、６  Ｎｉからなるコレクタ側第２金属層、７  Ａｕからなるコレクタ側第３金属層、８  金属間化合物、９  金属間化合物、１０  Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金、１１  Ｓｎ系鉛フリーはんだ合金、１２  Ｃｕからなるリードフレーム、１３  ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板、１５  微小ボイド、１８  ＮｉＰ化合物、５０  半導体チップ、１００  半導体装置。
【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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