(57)【要約】【課題】  ＢｉやＺｎを主成分とする高温鉛フリーはんだにおいて、Ｓｎ系鉛フリーはんだと同等の電気的接続性を得る。【解決手段】  ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材１１と、導電性粒子１２とを含んでなる接合材、並びに半導体ダイの電極と、リードフレームもしくは基板電極との間に、当該接合材を用いた接合層１を備えてなる半導体装置を提供する。【選択図】  図１
2017060984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材と、
導電性粒子と
を含んでなる接合材。
【請求項２】
前記導電性粒子が、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子、及び、金属酸化物もしくは金属窒化物にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる粒子から選択される一以上である、請求項１に記載の接合材。
【請求項３】
前記導電性粒子の平均粒子径が２０〜１００μｍであって、
前記はんだ材１００質量部に対し、１〜２５質量部の前記導電性粒子を含む、請求項１または２に記載の接合材。
【請求項４】
前記導電性粒子が、Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子、あるいはそれらの両方を含む、請求項１に記載の接合材。
【請求項５】
前記はんだ材１００質量部に対し、２５〜１５０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子を含む、請求項４に記載の接合材。
【請求項６】
前記はんだ材１００質量部に対し、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子と、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕサブマイクロ粒子とを含む、請求項４に記載の接合材。
【請求項７】
前記Ｃｕマイクロ粒子が、表面にＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる金属被覆Ｃｕマイクロ粒子である、請求項５または６に記載の接合材。
【請求項８】
前記はんだ材が、平均粒子径が２５〜４０μｍの粉末はんだである、請求項１〜７のいずれかに記載の接合材。
【請求項９】
フラックスをさらに含み、ペースト状である、請求項８に記載の接合材。
【請求項１０】
半導体ダイの電極と、リードフレームもしくは基板電極との間に、請求項１〜９のいずれかに記載の接合材を用いた接合層を備えてなる半導体装置。
【請求項１１】
前記接合層において、前記導電性粒子が、前記半導体ダイの電極と前記リードフレームもしくは基板電極とに接して導電経路を形成している、請求項１０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、接合材及びこれを用いた半導体装置に関する。本発明は、特には、鉛フリーはんだ実装技術分野において利用される、接合材及びこれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来用いられているＳｎ−Ｐｂ共晶または、Ｐｂ９０質量％以上のＰｂ基はんだ合金は、毒性を有する鉛を含んでいるため、その使用が制限されつつある。近年ではＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替として、鉛を含まないＳｎ−Ａｇ共晶または、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだが広く普及し、電子部品とプリント回路板の接続に用いられている。しかし、Ｓｎを主成分とした鉛フリーはんだを用いると、はんだ付け部を、例えば２６０℃といった高温下に暴露することになり、電子部品内部の接続では、電極の溶解や、断線など、いわゆる耐熱性不良の問題が発生する場合がある。
【０００３】
また、パワーデバイス分野においては、近年、高温使用の要求が高まっており、従来自己発熱レベルの１５０℃程度の動作温度仕様でよかったものから、１７５℃、２００℃とそのパワーデバイス製品に要求される動作温度仕様が上がってきている。そのため、パワーデバイスの接続部についても耐熱性向上が求められている。ＪＥＩＴＡ（電子情報技術産業協会）の環境調和型先端実装技術成果報告２０１１（２０１１年７月）では、これまでの技術としてＰｂ基（鉛を主成分とした例えば２９０℃以上の融点をもつ材料）組成による耐熱性の確保があげられている。また電子部品内部接続に使用されるダイボンド接合部の耐熱要求温度は２６０℃以上が必要という報告もある。導電性接着剤およびＰｂフリーはんだで広く普及しているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだでは、固相線温度が２２０℃付近にあり、上記の耐熱要求温度２６０℃では溶融してしまう。そのため、先に述べた電極の溶解や断線など耐熱性不良が発生する場合がある。
【０００４】
高温はんだ材としては、ＢｉやＺｎを主成分とする鉛フリーはんだが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2005-72173号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高温はんだ材の１つであるＢｉ系はんだは熱伝導率λ、電気伝導率σいずれも低く（λ＝８Ｗ／ｍ・Ｋ、σ＝０．８５×１０６Ω−１ｍ−１）、融点約２２０℃の中温系鉛フリーはんだの主成分であるＳｎに比べて１／８以下の値を示す。このようなはんだ材を用いてダイボンド接合層を形成した場合に、被接合体の表面組成等によって、界面抵抗が上昇し、電気的接続性の確保が困難になる場合があった。かかる状況に鑑み、本発明においては、ＢｉやＺｎを主成分とする高温鉛フリーはんだにおいて、電気的接続性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明者らは、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする高温はんだ材に、導電性粒子を添加することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明は、一実施形態によれば、接合材であって、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材と、導電性粒子とを含んでなる。
【０００９】
前記接合材において、前記導電性粒子が、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子、及び、金属酸化物もしくは金属窒化物にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる粒子から選択される一以上であることが好ましい。
前記導電性粒子の平均粒子径が２０〜１００μｍであって、前記接合材において、前記はんだ材１００質量部に対し、１〜２５質量部の前記導電性粒子を含むことが好ましい。
【００１０】
あるいは、別の実施形態によれば、前記接合材において、前記導電性粒子が、Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子、あるいはそれらの両方を含むことが好ましい。
この場合、前記はんだ材１００質量部に対し、２５〜１５０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子を含むことが好ましい。あるいは、前記はんだ材１００質量部に対し、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子と、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕサブマイクロ粒子とを含むことが好ましい。
前記Ｃｕマイクロ粒子が、表面にＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる金属被覆Ｃｕマイクロ粒子であることが好ましい。
【００１１】
前記いずれかの接合材において、前記はんだ材が、平均粒子径が２５〜４０μｍの粉末はんだであることが好ましい。また、当該接合材において、フラックスをさらに含み、ペースト状であることが好ましい。
【００１２】
本発明は、別の実施形態によれば、半導体装置であって、半導体ダイの電極と、リードフレームもしくは基板電極との間に、前述のいずれかの接合材を用いた接合層を備えてなる。前記接合層において、前記導電性粒子が、前記半導体ダイの電極と前記リードフレームもしくは基板電極とに接して導電経路を形成していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る接合材によれば、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする固相線温度が２６０℃以上のはんだ材中で、導電性粒子が導電経路となって、接合体における電気的接続性を確保することができ、高信頼性の継手の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る接合材を用いて形成した接合層と、被接合材とを模式的に示す概念図である。
【図２】図２は、金属材料の熱伝導率と電気伝導率との相関関係を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態に係る接合材を用いて形成した接合層と、被接合材とを模式的に示す概念図である。
【図４】図４は、本発明に係る接合材が適用される半導体モジュールの一例を示す概念図である。
【図５】図５は、実施例１に係る接合材を用いた接合体の、接合面に垂直な断面の観察結果を示す顕微鏡写真である。
【図６】図６は、比較例に係る接合材を用いた接合体の、接合面に垂直な断面の観察結果を示す顕微鏡写真である。
【図７】図７は、実施例２に係る接合材を用いた接合体の、接合面に垂直な断面の観察結果を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
【００１６】
［第１実施形態：Ｂｉ−Ｓｎ二元系高温はんだ合金］
本発明は、第１実施形態によれば、接合材であって、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材と、導電性粒子とを含んでなり、前記導電性粒子が、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子、及び、金属酸化物もしくは金属窒化物にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる粒子から選択される一以上であって、平均粒子径が２０〜１００μｍ、好ましくは２０〜５０μｍの粒子である。
【００１７】
ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材は、ＺｎもしくはＢｉを主成分とし、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ、Ａｌといった添加元素が含まれていてもよく、残部が不可避不純物からなる。不可避不純物とは、主として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ａｓ、Ｃｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｐ、Ｐｂなどをいう。また、本発明によるはんだ材は、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだである。
【００１８】
このようなはんだ材のうち、Ｂｉを主成分とするはんだ材としては、純Ｂｉ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ｇｅ、Ｂｉ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｃｕ、Ｂｉ−Ｚｎ、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｇ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｐ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｎｉ−Ｐが挙げられるが、これらには限定されない。また、Ｚｎを主成分とするはんだ材としては、純Ｚｎ、Ｚｎ−Ｂｉ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅが挙げられるが、これらには限定されない。
【００１９】
導電性粒子は、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子、及び、金属酸化物もしくは金属窒化物にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる粒子から選択される一以上である。したがって、これらの１種類のみからなる導電性粒子であってもよく、２種類以上を混合して用いた導電性粒子であってもよい。
【００２０】
Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子は、それぞれ、Ａｕ、Ａｇ、もしくはＣｕを主成分とし、電気伝導率が、概ね５０×１０６Ω−１・ｍ−１以上であれば、他の元素を含む合金であってもよい。金属酸化物もしくは金属窒化物としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮを挙げることができる。Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属の被覆膜の厚みは、例えば、０．２〜１μｍであることが好ましく、０．２〜０．５μｍであることがより好ましい。被覆膜の厚みを０．２μｍ以上とするのは、３００℃以上の接合温度で、被覆膜が接合層に拡散し、導電性粒子として機能しなくなるためである。一方、上限を１μｍとするのは、製造コストあるいはプロセス時間の関係に基づく。なお、シリカ等の絶縁物表面をＳｎで被覆する場合、Ｂｉとの共晶反応により、低融点相（融点：１３８℃）が生じて再溶融することが懸念されるため、Ｓｎは導電性粉末の被覆成分として適さない。また、シリカ等の絶縁物表面をＳｂで被覆する場合、ＳｂはＢｉと全率固溶の関係にあるため、接合層（はんだ材）中に拡散するため、Ｓｂは導電性粉末の被覆成分として適さない。
【００２１】
本実施形態において、導電性粒子の形状は、球状であることが好ましいが、特定の形状には限定されない。このような導電性粒子は、平均粒子径が例えば、２０〜１００μｍ、好ましくは２０〜５０μｍの粒子を用い、さらに好ましくは、２５〜４０μｍの粒子を用いる。本明細書において、平均粒子径とは、レーザ回折／散乱式粒度分布測定により測定された値をいうものとする。下限値を２０μｍとしたのは、被接合体として一般的に用いられる絶縁基板の表裏面のＣｕパターンの表面粗さ（一般的に、１０μｍ〜２０μｍ）を吸収するためである。導電性粒子の上限値を１００μｍとしたのは、一般的な製品仕様に基づく。導電性粒子が、球状ではない場合には、長径が上記範囲内であることが好ましい。
【００２２】
導電性粒子の添加量は、はんだ材の質量を１００質量部とした場合に、１〜２５質量部とすることが好ましく、１〜１０質量部とすることがさらに好ましい。１質量部よりも少ないと、添加による導電性向上効果が充分でない場合があり、２５質量部よりも多いと、導電性粒子がはんだ材、特にＢｉやＺｎといった主成分の流動性を阻害し、濡れ性を低下させる場合がある。
【００２３】
接合材の形態としては、フラックスと併用する粉末材、あるいは、板材、線材のいずれであってよい。フラックスと併用する粉末材とする場合、はんだ材は、平均粒径が、１５〜５０μｍ、好ましくは、２５〜４０μｍのものを用いることができる。平均粒径が１５〜５０μｍの範囲において、隣接するはんだ材が凝集することなく、安定して製造できるためである。フラックスは、接合の条件等に応じて、当業者が適宜選択することができ、特に限定されるものではないが、ＺｎもしくはＢｉの酸化を抑制することが可能な組成を有するフラックスを用いることが好ましい。一例として、ハロゲン活性化ロジンフラックス等を挙げることができる。
【００２４】
線材、板材の接合材は、所定の組成としたはんだ合金と、導電性粒子とを、所定の径を持つ線材、例えば、直径が２００〜１０００μｍの線材に押出成形し、あるいは、所定の組成としたはんだ合金と、導電性粒子とを所定の板材、例えば厚みが５０〜２００μｍの板材に圧延することにより製造することができる。
【００２５】
本発明に係る接合材を使用方法の観点から説明する。本発明に係る接合材は、電子機器の接合に用いられ、典型的な被接合材の組み合わせとしては、ＣｕとＣｕ、ＣｕとＮｉ、ＣｕとＡｇ、ＣｕとＦｅ／Ｎｉ等が挙げられるが、これらには限定されない。特には、半導体装置におけるリードフレームもしくは基板電極と、半導体ダイの電極との接合に好適に用いられる。
【００２６】
図１は、本実施形態の接合材を用いた接合層を備えてなる半導体装置の一部を、模式的に示す概念図である。本実施形態に係る接合材を溶融させて形成した接合層１は、半導体ダイの裏面電極１０６ａと、絶縁基板１０４を構成する一方の銅電極１０３とを接合している。絶縁基板１０４は、絶縁層１０１の両面に銅電極１０２、１０３を配置して構成している。半導体ダイの裏面電極１０６ａは、一般的に、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕなどから構成される。接合層１中では、導電性粒子１２がはんだ材１１中に、その形状を保持したまま存在している。なお、本実施形態においては、１つの導電性粒子１２が、半導体ダイの裏面電極１０６ａと、銅電極１０３との両者に接触して形成する導電経路Ｐを、接合層１に一カ所以上有することが好ましい。導電経路Ｐは、半導体ダイの裏面電極１０６ａと銅電極１０３との両者に完全に接触している場合に限られず、これらの間に僅かにはんだ材１１が介在する場合にも、導電性向上効果を奏する。また、接合材を溶融した際にも、導電性粒子１２は溶融せず、その形状を保持するため、導電性粒子１２が支持部材となって、裏面電極１０６ａの傾きを抑え、銅電極１０３に対して、裏面電極１０６ａを平行に保持することができる。
【００２７】
図２（ａ）は、本実施形態に係る接合材を構成しうる金属元素の、純金属としての熱伝導率と電気伝導率との関係、及び本発明の接合材の熱伝導率と電気伝導率との関係を示すグラフである。図２（ａ）の拡大図である図２（ｂ）を参照すると、電気伝導率が小さいＢｉ系はんだ材に、上記のようなＣｕやＡｇ粒子を添加することで、Ｂｉ系はんだ材単体のときと比較して、電気伝導率を、約１．３〜２．２倍とすることができることが示されている（実施例にて詳述する）。また、熱伝導率についても、同様に向上させることができるため、特に高温となりやすい半導体ダイから、熱を放散するためにも、本実施形態に係る接合材が有利である。
【００２８】
［第２実施形態］
本発明は、第２実施形態によれば、接合材であって、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材と、導電性粒子とを含んでなり、前記導電性粒子が、平均粒子径が０．８〜１０μｍのＣｕマイクロ粒子または平均粒子径が０．２〜０．３μｍのＣｕサブマイクロ粒子、あるいはそれらの両方を含む。
【００２９】
本実施形態においても、はんだ材としては、第１実施形態と同様のものを用いることができるため、ここでは説明を省略する。また、導電性粒子である、Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子の形状は、第１実施形態と同様に、球状等であってよい。
【００３０】
本実施形態においては、導電性粒子として、Ｃｕマイクロ粒子のみを含む形態、Ｃｕサブマイクロ粒子のみを含む形態、並びにＣｕマイクロ粒子とＣｕサブマイクロ粒子との両者を含む形態がありうる。Ｃｕマイクロ粒子のみを含む場合、あるいはＣｕサブマイクロ粒子のみを含む場合には、前記はんだ材１００質量部に対し、２５〜１５０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子を含むことが好ましい。２５質量部よりも少ないと添加による導電性向上効果が充分でない場合があり、１５０質量部よりも多いと、導電性粒子がはんだ材、特にＢｉやＺｎといった主成分の流動性を阻害し、濡れ性を低下させる場合があるためである。Ｃｕマイクロ粒子とＣｕサブマイクロ粒子との両者を含む場合には、前記はんだ材１００質量部に対し、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子と、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕサブマイクロ粒子とを含むことが好ましい。上記と同じく、導電性向上効果及び濡れ性の観点からである。
【００３１】
ある実施形態においては、Ｃｕマイクロ粒子は、Ｃｕ単体からなるものであってもよく、Ｃｕ粒子の表面にＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる金属被覆Ｃｕマイクロ粒子であってもよい。Ｃｕマイクロ粒子は酸化されやすく、表面酸化膜の形成を抑制するため、Ｃｕ粒子の表面にＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆することが好ましい。例えば、Ａｌを被覆してなるＡｌ被覆Ｃｕマイクロ粒子は、Ａｌが優先的に酸化されて、Ｃｕの酸化を防止しつつ、全体として導電性を向上させる点で好ましい。金属被覆膜は、金属被覆Ｃｕマイクロ全体の質量の、１〜３０質量％であって、厚みが０．２〜０．５μｍであることが好ましい。厚みを当該範囲とする理由は、第１実施形態における被覆膜において説明したのと同様の理由からである。
【００３２】
第２実施形態においても、接合材の形態としては、フラックスと併用する粉末材、あるいは、板材、線材のいずれであってもよく、詳細は第１実施形態において説明したのと同様である。
【００３３】
本実施形態に係る接合材の使用方法、典型的な被接合材の組み合わせも、第１実施形態と同様であってよい。
【００３４】
図３は、本実施形態の接合材を用いた接合層を備えてなる半導体装置の一部を、模式的に示す概念図である。本実施形態に係る接合材を溶融させて形成した接合層２は、半導体ダイの裏面電極１０６ａと、絶縁基板１０４を構成する一方の銅電極１０３とを接合している。絶縁基板１０４は、絶縁層１０１の両面に銅電極１０２、１０３を配置して構成している。半導体ダイの裏面電極１０６ａを構成しうる金属材料は、第１実施形態にて説明したとおりである。接合層２では、はんだ材２１中に、Ｃｕマイクロ粒子２２及びＣｕサブマイクロ粒子２３がその形状を保持したまま存在している。なお、本図は概念図であって、粒子の相対的な寸法は、正確に表されてはいない。本実施形態においては、Ｃｕマイクロ粒子２２及びＣｕサブマイクロ粒子２３が複数個連なって導電経路Ｐを形成し、接合層２全体の少なくとも一カ所以上にて、この連なった導電性粒子の群が、一端で半導体ダイの裏面電極１０６ａに、他端で銅電極１０３に接触することが好ましい。導電経路Ｐは、半導体ダイの裏面電極１０６ａと銅電極１０３との両者に完全に接触している場合に限られず、これらの間に僅かにはんだ材２１が介在する場合にも、導電性向上効果を奏する。
【００３５】
第２実施形態に係る接合材によれば、Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子、あるいはそれらの両方を、Ｂｉ系あるいはＺｎ系はんだ材に添加することで、Ｂｉ系あるいはＺｎ系はんだ材単体のときと比較して、電気伝導率を、約１．３〜３倍とすることができる。また、熱伝導率についても、同様に向上させることができる。
【００３６】
［第３実施形態］
本発明は、第３実施形態によれば、半導体装置であって、半導体ダイの電極と、リードフレームもしくは基板電極との間に、前述のいずれかに記載の接合材を用いた接合層を備えてなる。
【００３７】
図４は、本発明にかかる半導体装置の一例である、パワー半導体モジュール１００の断面構造を示す図である。半導体モジュール１００においては、絶縁層１０１の一方の面である下面に略直方体状の第１銅電極１０２、他方の面である上面に略直方体状の第２銅電極１０３が配置されて絶縁基板１０４を構成する。絶縁基板１０４の第２銅電極１０３側の面である上面には、上記第１または第２実施形態に係る接合材を用いた接合層１を介して、半導体ダイ１０６（ＳｉＣチップ）が複数個搭載され取り付けられている。なお、図４中は、接合層１を図示しているが、接合層１に替えて上述の接合層２を用いてもよい。さらに半導体ダイ１０６の上面には、導電接合層１０７によりインプラントピン１０８を備えたインプラント方式プリント基板１０９が取り付けられている。インプラント方式プリント基板１０９の上面と、第２銅電極１０３の上面には、それぞれ、外部接続端子１１０が取り付けられ、半導体モジュール１００の外部との電気的接続が可能に構成されている。そして、これらの部材は、エポキシ樹脂や無機粒子のマイクロフィラーを含んでなる封止層１２０で封止され、封止層１２０には、金具取り付け孔１１２が設けられて、半導体モジュール１００を構成している。また、なお、本明細書において、上面、下面とは、説明の目的で、図中の上下を指す相対的な用語であって、半導体モジュールの使用態様等との関係で上下を限定するものではない。
【００３８】
このような半導体モジュール１００の製造方法において、絶縁基板１１に半導体ダイ１０６を実装する工程で、第１または第２実施形態に係る接合材を用いることができる。絶縁基板１０４に半導体ダイ１０６を実装した後、従来技術に従って、インプラントピン１０８、インプラント方式プリント基板１０９、外部接続端子１１０をとりつける。その後、所定の封止材組成物を調製し、所定の条件で、封止し、硬化させることにより、本発明の実施形態による半導体モジュール１００を製造することができる。
【００３９】
そのほかの態様として、図示はしないが、別の構成を備える半導体モジュールが挙げられる。具体的には、銅ベース上に、上下２つの電極で挟まれた絶縁基板を備え、絶縁基板の上側の電極上に、第１または第２実施形態に係る接合材を用いて、半導体ダイを複数個接合し、これらの半導体ダイを、アルミワイヤーで接続し（ワイヤボンディング）、上側の電極から銅配線（銅バー）を引き出し、半導体ダイ、２つの電極、絶縁基板を、封止材により封止してなる半導体モジュールが挙げられる。このような構成は、特には、Ｓｉチップを搭載する半導体モジュールにおいて好ましく採用される。あるいは、絶縁基板を使用することなく、リードフレーム上に半導体ダイを実装する構成を備える半導体モジュールであってもよい。この場合も、リードフレーム上に、第１または第２実施形態に係る接合材を用いて、半導体ダイを接合することができる。
【００４０】
以下に、本発明を、実施例を参照してより詳細に説明する。しかし、以下の実施例は本発明の代表的な一態様を示すものであり、本発明を限定するものではない。
【００４１】
［実施例１、比較例１］
接合性評価サンプルを作製した。直径φ１０ｍｍのＣｕ板の接合面に、メタルマスク（開口部：φ５ｍｍ、板厚：１５０μｍ）を用いて、本発明の第１実施形態に係る接合材を一定量設置した。導電性粉末としては、平均粒子径が３０μｍのＣｕ粒子を用い、純Ｂｉからなる平均粒子径が３０μｍのはんだ材１００質量部に対し、Ｃｕ粒子が、５質量部となるように添加した。接合材は、ハロゲン活性化ロジンフラックスを１０質量％〜１５質量％の範囲で含むペーストとして用いた。これに、直径φ３ｍｍのＣｕ板を重ね、加熱溶融して接合し、実施例１のサンプルを得た。また、上記接合材にＣｕ粒子を添加しなかった以外は同様にして、比較例１のサンプルを得た。
【００４２】
実施例１のＣｕ−Ｃｕ接合部の断面像を図５に示す。図５（ａ）（ｂ）は、それぞれ、直径φ３ｍｍのＣｕ板２００の両端部における接合箇所を示す。図５（ａ）（ｂ）より、導電性粉末としてのＣｕ粒子１２がその形状を保持したまま、Ｂｉはんだ材１１中に存在していることがわかる。この接合材での接合において、直径φ１０ｍｍのＣｕ板３００と直径φ３ｍｍのＣｕ板２００との間に形成された接合層１の厚さは２４〜４４μｍの範囲にあり、導電性粉末１２の粒径に依存することがわかる。また、Ｃｕ板２００の傾きなどは見られなかった。
【００４３】
比較例１のＣｕ−Ｃｕ接合部の断面像を図６に示す。導電性粉末を添加していないはんだ接合では、接合層５０厚さが１８〜９０μｍの範囲となり、被接合体であるＣｕ板２００の傾きが生じた。
【００４４】
実施例１、比較例１の接合材のそれぞれについて、レーザーフラッシュ法で熱伝導率を測定し、文献値（金属データブック）に基づき、この値を電気伝導率に換算した。実施例１の接合材の電気伝導率は、１．７×１０６Ω−１ｍ−１、比較例１の接合材の電気伝導率は、０．８５×１０６Ω−１ｍ−１であった。すなわち、実施例１の接合材の電気伝導率は、比較例１の接合材の電気伝導率に対して、約２倍となった。
【００４５】
［実施例２］
直径φ１０ｍｍのＣｕ板の接合面に、メタルマスク用いて、本発明の第２実施形態に係る接合材を一定量設置した。はんだ材としては純Ｂｉからなる平均粒子径が３０μｍの粉末はんだを用いた。導電性粉末としては、平均粒子径が５μｍのＣｕマイクロ粒子、平均粒子径が０．２〜０．３μｍのＣｕサブマイクロ粒子を用いた。はんだ材、Ｃｕマイクロ粒子、Ｃｕサブマイクロ粒子の混合比は、１：０．３：０．３とした。接合材は、ハロゲン活性化ロジンフラックスを１０質量％〜１５質量％の範囲で含むペーストとして用いた。これに、直径φ３ｍｍのＣｕ板を重ね、加熱溶融して接合し、実施例２のサンプルを得た。
【００４６】
実施例２のＣｕ−Ｃｕ接合部の断面像を図７に示す。図７は、直径φ１０ｍｍのＣｕ板３００と直径φ３ｍｍのＣｕ板２００間に形成された接合層２を示している。接合層２中で、Ｃｕマイクロ粒子２２がその形状を保持したまま、Ｂｉはんだ材２１中に存在しており、Ｃｕマイクロ粒子２２どうしが接触することで導電経路Ｐを形成していることがわかる。なお、Ｃｕマイクロ粒子２２間には、写真では明確には判別できないが、Ｃｕサブマイクロ粒子が存在することが合理的に推測される。実施例２の接合材について、実施例１と同様の方法で熱伝導率、電気伝導率を得た。具体的には、実施例２の接合材の熱伝導率は、１２．５Ｗ／ｍ・Ｋ、比較例１の接合材の熱伝導率は、８Ｗ／ｍ・Ｋであり、換算した、実施例２の接合材の電気伝導率は、１．８５×１０６Ω−１ｍ−１、比較例１の接合材の電気伝導率は、０．８５×１０６Ω−１ｍ−１であった。熱伝導率の測定結果及び電気伝導率の換算値を図２（ｂ）のグラフ上に、黒い丸印で示す。グラフ中、電気伝導率の値は、概数で示した。その結果、実施例２の接合材の電気伝導率は、比較例１の接合材の電気伝導率に対して、約２．２倍であった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明による接合材は、表面実装部品の接合部に用いられる。特には、ＩＣなどパッケージ部品に好適に用いられる。また発熱の大きい部品、例えばＬＥＤ素子や、パワーダイオードなどパワー半導体デバイスの接合部、さらにはプリント配線板などに搭載される電子部品全般におけるＩＣ素子などの内部接続の接合部に好適に用いられる。応用される製品では、先に述べたＬＥＤ素子を用いた照明部品や、インバータの駆動回路、パワーモジュールといわれる電力変換機などが対象として挙げられる。
【符号の説明】
【００４８】
１、２      接合層
１２        導電性粒子
２２        Ｃｕマイクロ粒子
２３        Ｃｕサブマイクロ粒子
１０４      絶縁基板
１０６ａ    裏面電極
１００      半導体モジュール
Ｐ          導電経路
【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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