(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金と、Ａｌ系母材とを有する積層体であって、
前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、添加元素として、
１質量％以上９質量％以下のＡｌと、
０．５質量％以上２質量％以下のＧｅと、
０．００５質量％以上１．０質量％未満のＮｉまたはＣｏと、を含み、前記添加元素を除く残部が不可避不純物およびＺｎで構成される、ことを特徴とする、
積層体。
【請求項２】
Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金と、Ａｌ系母材とを有する積層体であって、
前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、添加元素として、
１質量％以上９質量％以下のＡｌと、
０．５質量％以上２質量％以下のＧｅと、
それぞれの組成の合計が０．００５質量％以上１．０質量％未満となるＮｉおよびＣｏと、を含む、ことを特徴とする、
積層体。
【請求項３】
前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金が２層以上である、ことを特徴とする、
請求項１または２に記載の積層体。
【請求項４】
前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金の間に、前記Ａｌ系母材が挟まれた構成である、ことを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層体。
【請求項５】
前記Ａｌ系母材は、２層以上のＡｌ層が重なった構成である、ことを特徴とする、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層体。
【請求項６】
Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金にＡｌ系母材を重ねるステップと、
重ねられた前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金および前記Ａｌ系母材を圧着するステップと、
を有し、
前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、添加元素として、
１質量％以上９質量％以下のＡｌと、
０．５質量％以上２質量％以下のＧｅと、
０．００５質量％以上１．０質量％未満のＮｉまたはＣｏと、
を含み、前記添加元素を除く残部が不可避不純物およびＺｎで構成される、ことを特徴とする、
積層体の製造方法。
【請求項７】
Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金にＡｌ系母材を重ねるステップと、
重ねられた前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金および前記Ａｌ系母材を圧着するステップと、
を有し、
前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、添加元素として、
１質量％以上９質量％以下のＡｌと、
０．５質量％以上２質量％以下のＧｅと、
それぞれの組成の合計が０．００５質量％以上１．０質量％未満となるＮｉおよびＣｏと、を含む、ことを特徴とする、
積層体の製造方法。
【請求項８】
前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、２層以上のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金層を有する、ことを特徴とする、
請求項６または７に記載の積層体の製造方法。
【請求項９】
前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金と前記Ａｌ系母材とを重ねるステップは、
２層の前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金層のうち、一方の前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金層の上に前記Ａｌ系母材を重ねるステップと、
前記Ａｌ系母材の上に前記２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金層のうち、他方の前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金層を重ねるステップと、を有する、ことを特徴とする、
請求項８に記載の積層体の製造方法。
【請求項１０】
前記Ａｌ系母材は、２層以上のＡｌ層が重なった構成である、ことを特徴とする、
請求項６〜９のいずれか１項に記載の積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不可避不純物の重量％以上のＰｂ（鉛）を含まないはんだ合金を含む積層体、および積層体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置は、１つの半導体チップに種々の機能を持たせたり、処理速度を上げたりするなど高機能化が進んでいる。そのため、半導体チップ１個当たりに要求される機能が増大する傾向にある。一方、取り扱いの容易化または省電力化などのために半導体チップの小型化も進められている。そのため、半導体チップは、上述した高性能化の要求による大型化傾向と小型化傾向もあり、２極化が進んでいる。半導体チップの大型化に伴って、１個の半導体チップに流れる電流はますます大きくなってきており、数１０［Ａ／個］の大電流を流すパワーデバイスも開発されている。１個の半導体チップに流れる電流が増大すれば、当然、半導体チップの発熱量が多くなり放熱性の問題がより重要になってくる。
【０００３】
放熱性が悪いと半導体チップおよびその周辺の温度が上がり過ぎ、半導体チップの破損、周囲のモールド樹脂もしくは電極部等の破壊、または熱効率の悪化につながる。一般的に、この熱の大部分は半導体チップを接合しているはんだを通して基板へと放熱される。そのため、はんだ材料の放熱性能が半導体チップに流せる最大電流を決める重要な要因になっており、当然、放熱性の良いはんだ材料が求められている。
【０００４】
はんだに要求される特性として、放熱性の他に、応力緩和性が重要である。半導体装置を稼働させることで、半導体チップには断続的に電流が流れる。半導体チップに断続的に電流が流れることで、素子本体および素子の周囲の温度が上がったり下がったりする。この加熱および冷却の繰り返しによって、半導体チップ、はんだ、および、はんだを介して半導体チップを接合している基板などが膨張と収縮とを繰り返す。ところが、半導体チップの熱膨張係数と、一般的に基板として使用されるＣｕの熱膨張係数とは、約５倍も異なる。そのため、熱膨張係数が大きく異なる半導体チップおよび基板に対して、熱膨張と収縮とによって発生する応力を、はんだで吸収する必要がある。半導体チップに流れる電流が増大している近年の状況において、さらに熱応力の緩和性の大きいはんだが要求されるようになっている。
【０００５】
以上のことから、パワーデバイスなどの高信頼性が要求される半導体チップと基板との接合を満たすように、優れた放熱性および応力緩和性がはんだに求められている。
【０００６】
放熱性に優れる材料として、Ｚｎ系を主成分とするはんだ合金が挙げられる。例えば、ＺｎにＡｌを１〜９重量％を添加し、その他にＧｅ（ゲルマニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｎ、またはＩｎ（インジウム）を添加したＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の一例が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、放熱性および応力緩和性を解決する方法として、金属箔を重ね合わせて圧着したクラッド材で接合する技術がある。例えば、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金とＣｕ系母材とによって構成されるクラッド材の一例が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示されたクラッド材は、Ｃｕ系母材の表面にＺｎ−Ａｌ系はんだ合金がクラッドされた構成である。特許文献２には、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだが、０．９質量％以上９．０質量％以下のＡｌを含有し、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、およびＰのうちの１種以上を含有していてもよいことが記載されている。
【０００８】
別のクラッド材として、内層と内層を挟む２つの表面層とを備える積層はんだ材の一例が知られている（例えば、特許文献３参照）。この積層はんだ材において、内層は、Ｚｎ単独、または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成される。また、表面層は、Ｓｎ単独、または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成される。
【０００９】
さらに、別のクラッド材として、Ａｌ系合金層と、Ａｌ系合金層の最表面に設けられたＺｎ系合金層とからなる接続材料が知られている（例えば、特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３８５０１３５号公報
【特許文献２】特許第６０２０３９１号公報
【特許文献３】特開２００９−１４２８９０号公報
【特許文献４】特開２００８−１２６２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に開示されたＺｎ−Ａｌ系はんだ合金の組成は、熱伝導性に優れるＺｎを主成分としているため、放熱性は非常に優れると考えられる。具体的には、１００℃におけるＺｎの熱伝導率は１１２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。Ｐｂについては、１００℃における熱伝導率は３４［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］である。しかし、特許文献１に開示されたＺｎ−Ａｌ系はんだ合金はＡｌが酸化しやすいため、Ａｌの含有率が高いと、Ａｌが溶解したときにＡｌ酸化被膜が表面に形成されやすくなり、接合時に十分なぬれ性が得られないおそれがある。そのため、特許文献１に開示されたはんだ合金をクラッド材に用いる場合、溶融はんだがぬれ広がらず半導体チップが傾き、はんだ接合層に厚い部分と薄い部分が発生し、クラッド材の厚み不均一となるおそれがある。この場合、熱伝導率が低下し、放熱性が悪化する。
【００１２】
また、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は硬い材料であり、引張強度は低くても８０〜１００ＭＰａ以上ある。そのため、特許文献１のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を大きなＳｉチップとの接合用のクラッド材にそのまま使用すると、Ｓｉチップ、はんだ合金および基板の線膨張率の違いによって発生する熱応力を緩和できない。その結果、チップ割れまたは基板にクラックが入ってしまうなどの不具合が発生する可能性が高くなる。
【００１３】
特許文献２に開示されたクラッド材の場合、母材であるＣｕとＺｎ−Ａｌ系はんだ合金中のＺｎの反応性が高いため、接合後、温度変化によって母材とはんだ合金との間で金属間化合物が粗大化するおそれがある。この場合、クラッド部分にクラックが入りやすくなり、不具合が発生する可能性がある。その結果、信頼性が低下してしまう。
【００１４】
特許文献３に開示された積層はんだ材は、固相線温度が１９９℃であるＺｎ−Ｓｎ系はんだ合金を用いるものであり、温度３００℃〜４００℃での接合に用いられる高温はんだ合金に適さない。
【００１５】
特許文献４に開示された接続材料は、母材にＡｌ系合金層を用いているため、熱応力が緩和されるが、接合後、温度変化によって母材とはんだ合金との間の接合性が低下し、信頼性が低下してしまうおそれがある。
【００１６】
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、信頼性が向上したＰｂフリーの積層体、および積層体の製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る積層体は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金と、Ａｌ系母材とを有する積層体であって、前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、添加元素として、１質量％以上９質量％以下のＡｌと、０．５質量％以上２質量％以下のＧｅと、０．００５質量％以上１．０質量％未満のＮｉまたはＣｏと、を含み、前記添加元素を除く残部が不可避不純物およびＺｎで構成される、ことを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係る積層体の製造方法は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金にＡｌ系母材を重ねるステップと、重ねられた前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金および前記Ａｌ系母材を圧着するステップと、を有し、前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、添加元素として、１質量％以上９質量％以下のＡｌと、０．５質量％以上２質量％以下のＧｅと、０．００５質量％以上１．０質量％未満のＮｉまたはＣｏと、を含み、前記添加元素を除く残部が不可避不純物およびＺｎで構成される、ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、積層体に含まれるはんだ合金が、Ｚｎを主成分とし、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、Ｇｅとを含有している。そのため、ＡｌおよびＧｅによって融点を低下させるとともに、ＡｌおよびＧｅによる固溶強化およびＧｅによるぬれ性の向上によってはんだ合金の接合強度が上昇する。そのため、はんだ合金とＡｌ母材との接合性が向上し、接合体の接合界面の割れが抑制され、信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１に係る積層体の一構成例を示す模式図である。
【図２】実施の形態１に係る積層体の製造方法の一例を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る積層体の別の構成例の製造方法を示す図である。
【図４】実施の形態１において、比較例の半導体装置の一例を示す断面模式図である。
【図５】実施の形態１の積層体を用いた半導体装置の一例を示す断面模式図である。
【図６】実施の形態１に係る積層体に用いたはんだ合金箔の組成および比較例のはんだ合金箔の組成を示す表である。
【図７】実施の形態１に係る積層体および比較例のはんだ合金について、半導体チップの傾きおよびクラックの有無を評価した結果を示す表である。
【図８】実施の形態１に係る積層体に用いられるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金および比較例のはんだ合金について、融点および加工性を評価した結果を示す表である。
【図９】実施の形態１に係る積層体に用いられるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金と比較例のはんだ合金とについて、信頼性を評価した結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施の形態１．
本実施の形態１の積層体を説明する。本実施の形態１の積層体は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金とＡｌ系母材とで構成される。積層体は、半導体チップと基板とを接合する接合材としての役目を果たす。積層体は、例えば、クラッド材である。
【００２２】
図１は、実施の形態１に係る積層体の一構成例を示す模式図である。図１に示すように、積層体１は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２と、Ａｌ系母材３とを有する。図１に示す積層体１は、２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２の間にＡｌ系母材３が挟まれた構成である。
【００２３】
Ｚｎ系はんだ合金には、ぬれ性が悪いという欠点がある。「ぬれ性」は、接合体への液体の馴染みの良し悪しを意味する。具体的には、「ぬれ性が良い」とは接合体にはんだが付きやすいことを意味し、「ぬれ性が悪い」とは接合体にはんだがつきにくいことを意味する。Ｚｎ系はんだ合金のぬれ性は、金属の表面にある酸化膜（Ｚｎ系の場合はＺｎＯ）の状態または液体の広がりやすさの表面張力などに左右される。
【００２４】
ぬれ性の良し悪しは、接合相手の材料によって変化するので、接合相手を限定することで解決できる。本実施の形態１の積層体１は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２にとってぬれ性のよい母材を組み合わせるともに、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２にぬれ性を向上させる元素を添加したものである。以下に、本実施の形態１の積層体１の構成を詳しく説明する。
【００２５】
（Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金）
本実施の形態１の積層体１に用いられるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、添加元素として、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、Ｇｅとを含み、添加元素を除く残部が不可避不純物およびＺｎで構成される。具体例として、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、Ａｌを１．０質量％以上９．０質量％以下含有し、Ｇｅを０．５質量％以上２．０質量％以下含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物で構成される。また、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、添加元素として、ＡｌおよびＧｅの他に、Ｎｉ（ニッケル）またはＣｏ（コバルト）を含有していてもよい。Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２が、ＮｉまたはＣｏを含有する場合、ＮｉまたはＣｏを０．００５質量％以上１．０質量％未満含有する。さらに、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、ＡｌおよびＧｅの他に、ＮｉおよびＣｏの両方を含有してもよく、この場合、ＮｉおよびＣｏの組成の合計は０．００５重量％以上１．０重量％未満である。
【００２６】
原料として、９９．９９質量％以上のＺｎ、Ａｌ、Ｇｅ、ＮｉおよびＣｏを準備する。これらの原料を原料毎に所定量秤量し、グラファイト製のるつぼに入れ電気炉にて溶解させる。原料が十分溶融したら撹拌棒にて溶けた原料を撹拌する。攪拌後鋳型に流し、十分冷却させてから、所定の形状にする。
【００２７】
用意した材料を、圧延機を用いて所定の厚さまで圧延して、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金箔を製造する。圧延機は冷間圧延、温間圧延、または熱間圧延のうち、いずれの方法で圧延してもよい。Ａｌの圧延と同様に、温間圧延および熱間圧延をする場合、表面酸化に注意して行う。
【００２８】
（Ａｌ系母材）
本実施の形態１の積層体１に用いられるＡｌ系母材３は、特に限定されない。一般的に市場で入手できるものでよい。Ａｌ系母材３の組成はＡｌを主成分としており、熱伝導性を大きく下げたり、加工性を著しく損なったりすることが無い範囲で、目的に合わせて他の各種元素を含有していてもよい。
【００２９】
Ａｌ系母材３を圧延機にて所定の厚さまで圧延してＡｌ箔を製造する。圧延機は冷間圧延、温間圧延、または熱間圧延のうち、いずれの方法で圧延してもよい。温間圧延および熱間圧延を行う場合は、表面酸化に十分注意して行う。
【００３０】
なお、本実施の形態１の積層体１におけるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金およびＡｌ系母材の原料は、特に限定されず、一般的に市場で入手できる原料でよい。入手した原料を基に箔状のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金と箔状のＡｌ系母材とを準備し、これらの箔の表面の粗さを調整し、その後、これらの箔を重ねる。以下に、Ａｌ系母材にＺｎ−Ａｌ系はんだ合金を積層するクラッド方法について説明する。
【００３１】
（クラッド方法）
本実施の形態１の積層体１の製造方法を説明する。ここでは、積層体１の一例として積層体１０の製造方法を説明する。図２は、実施の形態１に係る積層体の製造方法の一例を示す図である。
【００３２】
上述したように、Ａｌ系母材３を圧延機にて所定の厚さまで圧延したＡｌ箔１３を準備する（図２（ａ））。図２（ｂ）に示すように、Ａｌ箔１３の両面のうち、一方の面にＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２を重ねる。また、Ａｌ箔１３の両面のうち、他方の面にＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２を重ねる。このようにして、図２（ｃ）に示すように、２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２の間にＡｌ箔１３が挟まれた構成である積層体１０を製造する。
【００３３】
なお、図２（ｃ）において、２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２でＡｌ箔１３を挟んだ積層体を、圧延機に通して圧延してもよい。また、Ａｌ箔１３に重ねるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２の枚数は、Ａｌ箔１３の片面側の１枚であってもよい。また、Ａｌ箔１３の面にＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２を被覆するクラッド方法は特に限定されない。
【００３４】
図２（ｂ）に示す工程において、２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２の各はんだ合金箔の表面状態には十分注意を要する。表面に不純物や異物が付着していたり、酸化膜が厚く存在していたりすると、Ａｌ箔とはんだ合金箔との密着性が悪くなり、良好な接合性を得ることが困難になってしまうからである。金属表面を不純物等のない状態にするため、各箔の表面を削ったり、酸洗浄したりしてもよい。各はんだ合金箔の表面加工は両面でも、片面でもよい。
【００３５】
また、図２（ｂ）に示す工程において、重ねる前、各箔は、重ね合わされる表面の粗さが０．０５μｍ以上であってよい。箔の表面を粗らすことで、適度な凹凸が生じ、アンカー効果が発生し、互いの金属表面に凹凸が深く噛み合い、高い接合強度を得ることができる。サンドペーパーまたは金属製ブラシなどの器具を用いて、金属表面の粗さを生じさせることができる。これらの器具を用いて表面の粗さを調整してもよい。
【００３６】
Ａｌ箔１３およびＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２は、最終製品の厚みを考慮し、クラッドする際の厚さが予め決められている。ＡｌとＺｎ−Ａｌ系はんだ合金とを比較すると、同じ応力で圧延しても圧下率が異なる。そのため、各箔の圧下率を事前に考慮し、各箔の厚さを決めて準備する。
【００３７】
次に、Ａｌ箔１３とＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２とを合わせてロール圧延機で圧延する場合について説明する。まず、各箔を重ね、重ね合わせた箔に対して、圧延油をたらしながら圧延を行う。その際、接合面に圧延油が入らないように、ロールに当たる面だけに圧延油をかける。そして、クラックおよびバリが発生していないことを確認しながら圧下率を下げ、目的の厚さより１０％程度厚めの状態まで圧延していく。その後、最終圧延として圧下率が０に近いような状態で厚さを測りながら少しずつ圧延していく。
【００３８】
なお、図２を参照して、２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２の間にＡｌ箔１３が挟まれた積層体１０の製造方法を説明したが、積層体１０は、２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２とＡｌ箔１３とが積層された構成であってもよい。
【００３９】
本実施の形態１の積層体１の別の構成例を説明する。図３は、実施の形態１に係る積層体の別の構成例の製造方法を示す図である。Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金層として、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金箔２２ａおよび２２ｂを準備する。Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金箔２２ａおよび２２ｂの各箔の厚みは、例えば、５０μｍである。そして、図３（ａ）に示すように、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金箔２２ａおよび２２ｂを重ね合わせる。続いて、図３（ｂ）に示すように、積層されたＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔２２ａおよび２２ｂの上にＡｌ系母材としてＡｌ系箔１３が重ねられ、積層体２０が形成される。Ａｌ系箔１３の膜厚が５０μｍである場合、積層体２０の厚みは１５０μｍである。その後、積層体２０は、圧延機によって圧延され、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金箔２２ａおよび２２ｂとＡｌ系箔１３とが圧着される。
【００４０】
このようにして、箔の厚みが薄い２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金層を積層したものにＡｌ系母材を圧着させることで、クラッド後にＡｌ系母材とＺｎ−Ａｌ系はんだ合金との密着性が良くなり、Ａｌ系母材からＺｎ−Ａｌ系はんだ合金が剥がれにくくなる。なお、積層するＺｎ−Ａｌ系はんだ合金層は２層に限らず、３層以上であってもよい。さらに、Ａｌ系母材は１層に限らず、２層以上のＡｌ層で構成されてもよい。Ａｌ系母材を２層以上にする場合、１層のＡｌ層の箔の厚みを薄くすることで、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金との密着性が向上する。
【００４１】
また、図２（ｃ）に示す積層体１０において、Ａｌ箔１３を挟む２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２の各Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２が図３（ａ）に示すＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔２２ａおよび２２ｂで構成されてもよい。つまり、積層体は、Ａｌ箔１３の下面側にＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔２２ａおよび２２ｂが積層され、Ａｌ箔１３の上面側にＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔２２ａおよび２２ｂが積層された５層構造であってもよい。この場合、クラッド後にＡｌ系母材とＺｎ−Ａｌ系はんだ合金との密着性がさらに向上する。
【００４２】
次に、本実施の形態１の積層体の効果を説明する。背景技術で述べたように、パワーデバイスなどの高信頼性が要求される半導体チップと基板との接合を満たすように、優れた放熱性および応力緩和性がクラッド材に求められている。つまり、半導体チップと基板とを接合するはんだ材料を含むクラッド材に、「高放熱化」および「高耐熱化」が求められている。本実施の形態１の積層体は、Ｐｂフリーであって、これらの要求を満たすクラッド材として、パワーデバイス分野におけるパワーモジュールなどの製造において、半導体チップと表面層がＣｕまたはＮｉで被覆された絶縁基板との接合に使用されるものである。
【００４３】
（高放熱化の対策）
大電流が半導体チップに流れることで発生した熱は、クラッド材→基板→ヒートシンクの経路で放熱される。このとき、放熱性が悪いと、半導体チップ本体およびその周辺の温度が上がりすぎ、半導体チップまたはクラッド材を破壊してしまう。放熱性を悪化させる原因は不均一な接合層の厚さに関係がある。
【００４４】
図４は、実施の形態１において、比較例の半導体装置の一例を示す断面模式図である。基板７の表面側に積層体１６を介して半導体チップ５が設けられている。基板７の裏面側には、放熱用のヒートシンク８が設けられている。図４に示す比較例においては、積層体１６の厚みが不均一になっているため、半導体チップ５が傾いている。そのため、熱伝導にムラができ、放熱性が悪くなる。
【００４５】
図５は、実施の形態１の積層体を用いた半導体装置の一例を示す断面模式図である。基板７の表面側に積層体１を介して半導体チップ５が設けられている。基板７の裏面側には、放熱用のヒートシンク８が設けられている。図５に示す積層体１は、Ａｌの金属箔の両面のそれぞれにＺｎＡｌＧｅ合金が設けられ、２枚の合金でＡｌの金属箔を挟んで圧延したものである。ＺｎＡｌＧｅ合金は、図１を参照して説明したＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２に相当する。ＺｎＡｌＧｅ合金は、例えば、Ｚｎを主成分とし、４重量％以上７重量％以下のＡｌと、０．５重量％以上２重量％以下のＧｅとを含むはんだ合金である。上述したように、ＺｎＡｌＧｅ合金は、ＮｉまたはＣｏが添加された合金であってもよい。
【００４６】
このような積層体１では、積層体１の中心に位置するＡｌの金属箔は、加熱温度が積層体１の溶融温度（３８０℃）より低い温度であれば、溶解せずに残る。Ａｌの金属箔がスペーサの役目を果たすため、接合厚みを均一にできる。そのため、図５に示すように、積層体１の厚さが均一になっている。その結果、熱伝導が均一に行われ、放熱性が向上する。
【００４７】
なお、図２を参照して、２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金箔１２の間に挟まれるＡｌ系母材としてＡｌ箔１３が１層の場合を説明したが、Ａｌ系母材が２層のＡｌ箔１３などのＡｌ板が積層された構成であってもよい。
【００４８】
（高耐熱化の対策）
半導体チップに流れる電流は、一般的に半導体チップが搭載される電気部品のスイッチのオンおよびオフを繰り返すことにより断続的に流れる。そのため、半導体チップおよび基板は、温度が上がったり下がったりと、加熱と冷却とを繰り返す。この現象によって、半導体チップおよび基板が膨張と収縮とを繰り返し、クラッド材に熱応力の負荷が加わる。クラッド材がこの熱応力を緩和できないと、クラッド材が最終的に破壊され、部品が壊れる原因となる。これに対して、本実施の形態１の積層体１では、Ａｌは柔らかい金属なので、熱応力を緩和する効果がある。
【００４９】
このように、本実施の形態１の積層体１は、パワーモジュールで使用されるクラッド材として要求される「高放熱化」および「高耐熱化」の両方の特性を備えた接合材である。
【００５０】
（信頼性の対策）
上述したように、本実施の形態１の積層体１が、「高放熱化」および「高耐熱化」の両方の特性を備えていることを説明したが、以下に、本実施の形態１の積層体１の信頼性について説明する。
【００５１】
本実施の形態１の積層体１は、Ｚｎ系はんだ合金として、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２を有する。Ｚｎ系はんだ合金には、融点が高すぎるという欠点がある。従来、使用されていたＰｂの融点が約３２８℃に対して、Ｚｎの融点が約４２０℃であり、Ｚｎの融点はＰｂの融点よりも約１００℃も高い。はんだは、金属を溶かし液体にして接合させる物であるため、融点が高すぎると接合させるための部品が壊れてしまうことがある。本実施の形態１の積層体１に用いられるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２が、この問題を解決することを説明する。
【００５２】
（Ａｌの添加）
Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、１重量％以上９重量％以下のＡｌを含有する。ＺｎにＡｌを添加することにより融点を低下させ、さらに、はんだ合金の接合強度を上昇させることができる。このように、Ｚｎ系はんだ合金２は、Ａｌが添加されたＺｎ−Ａｌ系はんだ合金である。
【００５３】
ＺｎにＡｌを添加することで、ＺｎＡｌ共晶反応によって固相線温度および液相線温度を３８０℃に低下させることができる。Ａｌが４重量％未満だと、合金状態図では融点が３９０℃より高くなり、融点低下の効果が低減してしまう。一方、Ａｌが７重量％を超えると、合金状態図では融点が４００℃より高くなり、実用的な温度ではなくなる。また、Ａｌの添加量が７重量％を超えると、はんだ合金が硬くなりすぎてしまい、その後のはんだ合金の加工が困難となってしまう。よって、Ａｌの重量％は、４重量％以上７重量％以下であることが望ましい。
【００５４】
また、ＺｎにＡｌを添加することは、固溶強化により機械的強度を増加させ、はんだ合金の亀裂の発生および亀裂の進展を抑える役割も果たす。
【００５５】
（Ｇｅの添加）
Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、Ｇｅを含有する。Ａｌが添加されたＺｎにＧｅを添加することにより融点をさらに低下させ、さらにＧｅによる固溶強化により、はんだ合金の接合強度を上昇させることができる。また、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金にＧｅを添加することにより、はんだ合金の濡れ性が向上する。Ｇｅの組成は、例えば、０．５重量％以上２重量％以下である。
【００５６】
また、Ａｌが添加されたＺｎに１重量％を超えるＧｅを添加することで、ＺｎＡｌＧｅの三元共晶反応によって固相線温度を約３５０℃に低下させることができる。固相線温度を下げることによって、はんだが液体になる時間が相対的に長くなり、接合体への密着時間が増え接合が行われやすくなる。
【００５７】
また、Ｇｅの量が少ないと、ＺｎＡｌＧｅの三元共晶の吸熱反応が小さくなり、はんだが液体に変化しにくくなることにより、母材と接合しにくくなるのでＧｅの添加量は１重量％を超えることが望ましい。
【００５８】
一方、Ｇｅの添加量が２重量％を超えると、Ｇｅの固溶強化により合金が硬くなりすぎてしまい、Ｇｅ添加後の加工が困難となってしまう。
【００５９】
Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、固相線温度および液相線温度が３００℃〜４００℃の範囲に収まることを条件に、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、Ｇｅとを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる。そのため、ＺｎＡｌＧｅによる三元共晶により融点を低下させるとともに、ＡｌおよびＧｅによる固溶強化およびおＧｅによるぬれ性の向上によってＡｌ系母材との接合強度が上昇し、Ａｌ母材との接合性が向上する。その結果、接合体の接合界面の割れが抑制され、信頼性が向上する。
【００６０】
（変形例１）
（Ｎｉ（ニッケル）の添加）
本変形例１のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、０．５重量％以上２重量％以下のＧｅと、０．００５重量％以上１．０重量％未満のＮｉとを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるものである。さらに、Ｇｅの添加量を１重量％以上２重量％以下にしてもよい。これにより、はんだ合金の固相線温度を約３５０℃に低下させるだけでなく、はんだ合金が母材と接合されやすくなる。
【００６１】
本変形例１の効果を説明する。Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金に限らず、はんだ合金全般に関する懸念事項は、融点の他にもある。その他の懸念事項の１つは、熱が加わったときに接合界面の金属間化合物（ＩＭＣ（ＩｎｔｅｒＭｅｔａｌｌｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄ））が成長することである。金属間化合物とは、はんだを接合させる際、４００℃以上のリフローにより液体となったはんだ合金が接合相手に相互拡散し化合物を形成することによって、異なる金属同士を接合させる役割を果すものをいう。
【００６２】
例えば、Ｓｎと接合体であるＣｕ（銅）基板とを接合させると、ＳｎとＣｕとの界面にＣｕ６Ｓｎ５のような化合物が形成され、この化合物が異種金属を接合させる役割を果たす。しかし、金属間化合物は、硬い性質があるが、その反面、脆い性質もある。金属間化合物は、上記の役割を果たすが、何度も加熱されると、はんだまたは接合体の母材から金属元素を引き込んで成長し、粗大化してしまう。金属間化合物は、粗大化すると、脆い性質が顕著に現れ、熱変形によって割れる。その結果、接合界面が割れてしまうことになる。よって、粗大化した金属間化合物は、電気的不良などを起こす原因となる。
【００６３】
高温はんだは、高温の環境で使用されることが多く、上述したように、金属間化合物が成長し粗大化することが懸念される。これに対して、本変形例１のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、融点を下げるだけでなく、温度−５５℃と温度１５０℃とを繰り返すヒートサイクルのような温度変化に対して、金属間化合物の成長および粗大化を抑制できる。
【００６４】
（変形例２）
（Ｃｏ（コバルト）の添加）
本変形例２のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、０．５重量％以上２重量％以下のＧｅと、０．００５重量％以上１．０重量％未満のＣｏとを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるものである。さらに、Ｇｅの添加量を１重量％以上２重量％以下にしてもよい。これにより、はんだ合金の固相線温度を約３５０℃に低下させるだけでなく、はんだ合金が母材と接合されやすくなる。
【００６５】
本変形例２のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２についても、温度−５５℃と温度１５０℃とを繰り返すヒートサイクルのような温度変化に対して、金属間化合物の成長を抑制できる。
【００６６】
（変形例３）
（ＮｉおよびＣｏの添加）
本変形例３のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２は、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、０．５重量％以上２重量％以下のＧｅと、それぞれの組成の合計が０．００５重量％以上１．０重量％未満となるＮｉおよびＣｏとを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるものである。さらに、Ｇｅの添加量を１重量％以上２重量％以下にしてもよい。これにより、はんだ合金の固相線温度を約３５０℃に低下させるだけでなく、はんだ合金が母材と接合されやすくなる。
【００６７】
Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２を含む積層体１を、Ａｇメッキが施されている電子部品の接合材に使用する場合、変形例１〜３のようにＮｉまたはＣｏまたはその両方がはんだ合金に添加されている。そのため、積層体１の接合時にＮｉまたはＣｏが電子部品の電極と積層体１との接合部の界面付近に移動して、微細なＮｉＡｇＺｎ３、ＣｏＡｇＺｎ３または（ＮｉＣｏ）ＡｇＺｎ３が形成される。そのため、電子部品の電極と積層体１との接合部の界面付近おける、ＮｉＡｇＺｎ３層、ＣｏＡｇＺｎ３および（ＮｉＣｏ）ＡｇＺｎ３層の成長が抑制される。これにより、電子部品の電極と積層体１との接合部の界面付近の亀裂の発生を抑制し、亀裂の進展を抑制させることができる。
【００６８】
実際の電子部品においては、ＡｇまたはＣｕとはんだ合金のＺｎとによって金属間化合物が形成される。例えば、温度−５５℃と温度１５０℃とを繰り返すヒートサイクルによって金属間化合物の成長が起きる。このような温度変化の繰り返しに対して、本実施の形態１の積層体１によれば、金属間化合物の成長を抑制できる。
【００６９】
なお、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２において、ＮｉもしくはＣｏの添加量が０．００５重量％未満である場合、またはその両方を合わせた添加量が０．００５重量％未満である場合、はんだ接合部付近の亀裂抑制の効果が得られなくなる。また、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金２において、ＮｉもしくはＣｏ添加量が１．０重量％以上である場合、またはその両方を合わせた添加量が１．０重量％以上である場合、融点の上昇、合金が硬くなりすぎることによる加工性の低下、または金属間化合物の粗大化につながり、接合信頼性を阻害するおそれがある。
【００７０】
（実施例）
本実施の形態１の積層体について詳細に説明する。
（Ａｌ箔）
原料として、９９．９９質量％以上のＡｌを準備する。準備した原料を所定量秤量し、グラファイト製のるつぼに入れ溶解させる。原料が十分溶融したら、撹拌棒にて溶けた原料を撹拌する。攪拌後、原料を鋳型に流し、十分冷却させてから、Ａｌを所定の形状にする。このようにして準備したＡｌ系母材を、圧延機を用いて冷間圧延を行い、所定の厚さに加工した。圧延の際、圧延油を使用し、Ａｌ系母材表面に塗布しながら圧延を行った。続いて、Ａｌ系母材を所定の厚さまで繰り返し圧延した後、自動洗浄機を用いて圧延油を除去し、その後、乾燥させてＡｌ箔を作製した。
【００７１】
クラッドの前に、ワイヤーブラシを用いてＡｌ箔の接合面を粗らした。その後、粗らした際に発生した削りカスおよび汚れを除去するために、自動洗浄機でＡｌ箔の表面を洗浄した。洗浄後、Ａｌ箔を乾燥させて表面粗さを調整したＡｌ箔を得た。
【００７２】
（Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金）
原料として、９９．９９質量％以上のＺｎ、Ａｌ、Ｇｅ、ＮｉおよびＣｏを準備した。これらの原料を原料毎に所定量秤量し、グラファイト製のるつぼに入れ、電気炉内にセットした。７００℃まで温度を上げて原料を溶解し、その温度で暫く保持した。原料が十分に溶融したことを確認した後、原料を鋳型に流した。原料を十分に冷却させた後、所定の形状に切断し、積層体用のはんだ合金母材を得た。このようにして準備したはんだ合金母材を、圧延機を用いて冷間圧延を行い、所定の厚さに加工した。圧延の際、圧延油を使用し、はんだ合金母材表面に塗布しながら圧延を行った。はんだ合金母材を所定の厚さまで繰り返し圧延した後、自動洗浄機を用いて圧延油を除去し、その後、乾燥させてはんだ合金箔を作製した。
【００７３】
クラッドの前に、ワイヤーブラシを用いてはんだ合金箔の接合面を粗らした。その後、粗らした際に発生した削りカスおよび汚れを除去するために、自動洗浄機ではんだ合金箔の表面を洗浄した。洗浄後、はんだ合金箔を乾燥させて表面粗さを調整したはんだ合金箔を得た。
【００７４】
（クラッド方法）
準備したＡｌ箔とはんだ合金箔を合わせ、圧延する方法でクラッドを行った。Ａｌ箔を２枚のはんだ合金箔で挟み、それぞれの箔がズレないように注意しながら圧延機のロールに挿入し圧延を行った。圧下率１０％〜３０％の割合で薄く圧延していき、約１５０μｍの厚さまで圧延した。このようにして、厚さ１５０±１．５μｍの積層体を得た。
【００７５】
上述の製造方法によって、複数の積層体の試料を作製した。図６は、実施の形態１に係る積層体に用いたはんだ合金箔の組成および比較例のはんだ合金箔の組成を示す表である。図６に示す表において、試料１〜２０のうち、＊が付された試料１９および２０は比較例である。
【００７６】
図６に示す試料１〜１８のそれぞれを用いた積層体、および試料１９および２０のそれぞれのはんだ合金について、２つの評価を行った。１つ目の評価は、半導体チップとＣｕ基板の接合体を作り、半導体チップの傾きを評価するものである。２つ目の評価は、ヒートサイクル試験を行って応力緩和性を評価するものである。以下に、各評価の結果を説明する。
【００７７】
（半導体チップの傾き）
評価対象の試料１〜１８について、図６に示した各組成のはんだ合金を用いた積層体と、２．５ｍｍ×２．５ｍｍのＳｉ系の半導体チップとをＣｕ基板に接合したものを使用した。評価対象の試料のうち、比較例の試料１９および２０について、図６に示した各組成のはんだ合金と、２．５ｍｍ×２．５ｍｍのＳｉ系の半導体チップとをＣｕ基板に接合したものを使用した。接合条件について、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金の液相線温度よりも５０℃高い温度をリフローの設定温度とした。水素雰囲気において、試料を設定温度まで加熱し、設定温度に到達した後、３分保持するリフロー処理を行った。その後、各試料の接合体を樹脂で覆い、樹脂で覆われた接合体に対して断面研磨を行った。そして、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（日本電子株式会社製ＪＣＭ−５７００）を用いて接合面における半導体チップの傾きを確認した。
【００７８】
半導体チップの傾きの評価結果を図７に示す。図７は、実施の形態１に係る積層体および比較例のはんだ合金について、半導体チップの傾きおよびクラックの有無を評価した結果を示す表である。図７において、半導体チップが傾いていた場合に「×」を示し、半導体チップが傾いた状態でない場合に「○」を示す。
【００７９】
図７において、試料１は、はんだ合金箔（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：０．０５重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。試料５は、はんだ合金箔（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：２．５重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。試料２〜４は、はんだ合金箔のＡｌの組成（５重量％）を変えずに、Ｇｅの組成を０．０５重量％より大きく２．５重量％未満の範囲で変えたものである。試料６は、はんだ合金箔（Ａｌ：３．５重量％、Ｇｅ：１重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。試料７は、はんだ合金箔（Ａｌ：７．５重量％、Ｇｅ：１重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。
【００８０】
試料８は、はんだ合金箔（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、Ｎｉ：０．００５重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。試料１２は、はんだ合金箔（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、Ｎｉ：１重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。試料９〜１１は、はんだ合金箔のＡｌの組成（５重量％）およびＧｅの組成（１重量％）を変えずに、Ｎｉの組成を０．００５重量％より大きく１重量％未満の範囲で変えたものである。
【００８１】
試料１３は、はんだ合金箔（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、Ｃｏ：０．００５重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。試料１６は、はんだ合金箔（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、Ｃｏ：１重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。試料１４および１５は、はんだ合金箔のＡｌの組成（５重量％）およびＧｅの組成（１重量％）を変えずに、Ｃｏの組成を０．００５重量％より大きく１重量％未満の範囲で変えたものである。試料１７は、はんだ合金箔（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、Ｎｉ：０．００５重量％、Ｃｏ：０．００５重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。試料１８は、はんだ合金箔（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、Ｎｉ：０．０５重量％、Ｃｏ：０．０５重量％、残部：Ｚｎ）とＡｌ箔とが重なった積層体である。
【００８２】
一方、比較例の試料１９は、５重量％のＡｌを含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物で構成されるＺｎ系はんだ合金である。比較例の試料２０は、Ｐｂ−５重量％Ｓｎはんだ合金である。図７に示すように、試料１〜１１、１３〜１５、１７および１８は半導体チップが傾いていないが、比較例の試料１９および試料２０は半導体チップが傾いていた。試料１２および１６は、製造不可であったため、評価できなかった。
【００８３】
（応力緩和性）
次に、積層体の応力緩和性について評価するために行ったヒートサイクル試験と、その評価結果とを説明する。評価対象の試料として、半導体チップの傾きの確認のために用いたものと同様の接合体を試作した。ヒートサイクル試験は、−５５℃の冷却と１５０℃の加熱とを１サイクルとし、このサイクルを５００回行うものである。ヒートサイクル試験後、各試料の接合体を樹脂で覆い、樹脂で覆われた接合体に対して断面研磨を行った。そして、ＳＥＭ（日本電子株式会社製ＪＣＭ−５７００）を用いて接合面の観察を行った。
【００８４】
各試料の接合面の評価結果を図７に示す。図７において、接合面にはがれが生じている、またははんだにクラックが入っているなどの不良がある場合に「×」を示し、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合に「○」を示す。図７に示すように、試料１〜１１、１３〜１５、１７および１８は、比較例の試料２０と同様に、はんだにクラック等の不良がなく、良好な状態であった。これに対して、比較例の試料１９では、接合面にはがれが生じている、またははんだにクラックが入っているなどの不良の発生が見られた。試料１２および１６は、製造不可であったため、評価できなかった。
【００８５】
図７は、本実施の形態１の積層体が比較例のはんだ合金と比較して優れた特性を有することを示している。比較例のはんだ合金は接合体の半導体チップが傾いてしまうが、本実施の形態１の積層体では半導体チップの傾きがなく接合されていた。また、ヒートサイクル試験についても、本実施の形態１の積層体は、温度−５５℃と温度＋１５０℃とを繰り返す非常に厳しい条件において応力緩和性により、ヒートサイクルが５００回までクラック等の不良の発生は見られなかった。
【００８６】
このように、本実施の形態１の積層体は、Ｚｎを主成分とし、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、Ｇｅとを含むＺｎ−Ａｌ系はんだ合金にＡｌ系母材を用いることで、応力緩和性などに優れた材料である。本実施の形態１の積層体は、産業上、非常に有用であり、かつ、実用性に富む技術であることがわかる。
【００８７】
（はんだ合金の融点および加工性）
次に、積層体に用いられるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金および比較例のはんだ合金について、融点を測定した。融点について、日立ハイテクサイエンス社製の高感度型示査操作熱量計（ＤＳＣ７０００Ｘ）を用いて、２［℃／分］の昇温速度で測定した。また、加工性の評価として、各試料について、厚さ３［ｍｍ］の棒はんだを冷間圧延した。
【００８８】
図６に示した試料１〜１６のうち、試料３、４、９〜１２、１５および１６については、各積層体に含まれるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２を用いて評価試料を作製した。比較例の試料１９および２０として、図６に示した試料１９および２０のそれぞれの比較例のはんだ合金を用いて評価試料を作製した。
【００８９】
図８は、実施の形態１に係る積層体に用いられるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金および比較例のはんだ合金について、融点および加工性を評価した結果を示す表である。図８に示す表において、偏析などの影響で規定の組成量にできなかった合金組成を「製造不可」と表記している。また、図８において、厚さ０．１５ｍｍまで圧延が問題無く可能だった場合を「○」とし、ひび割れが入るなどして圧延が困難だが０．１５ｍｍまで圧延可能だった場合を「△」とし、ひび割れが多数あり、途中でバラバラになってしまうことにより０．１５ｍｍまで圧延できなかった場合を「×」としている。
【００９０】
試料１２（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、Ｎｉ：１重量％、残部：Ｚｎ）および試料１６（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、Ｃｏ：１重量％、残部：Ｚｎ）は、偏析などによる影響で狙いの組成がつくれず「製造不可」であった。これに対して、試料３（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、残部：Ｚｎ）は、固相線温度および液相線温度が３００℃〜４００℃の範囲にあり、固相線温度が３５６℃と比較例１よりも低く、加工性も「○」判定であった。また、試料９および１０（Ａｌ：５重量％、Ｇｅ：１重量％、Ｎｉ：０．０１〜０．１重量％、残部：Ｚｎ）は、固相線温度および液相線温度が３００℃〜４００℃の範囲にあり、固相線温度が３５５℃と試料１９よりも低く、加工性も「○」判定であった。
【００９１】
（信頼性）
次に、積層体に用いられるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金および比較例のはんだ合金について、信頼性を評価するために行ったヒートサイクル試験と、その評価結果とを説明する。
【００９２】
図６に示した試料１〜１８のうち、試料３、４、９〜１２、１５および１６については、各積層体に含まれるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２を用いて評価試料を作成した。具体的には、試料３、４、９〜１２、１５および１６として、Ｃｕ基板の上にＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２およびＡｇダミーチップが搭載され、ＡｇダミーチップがＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２を介してＣｕ基板に接合された試料を作製した。比較例の試料１９および２０として、図６に示した試料１９および２０のそれぞれの比較例のはんだ合金を介して、ＡｇダミーチップをＣｕ基板に接合させた試料を作製した。
【００９３】
ヒートサイクル試験は、−５５℃の冷却と１５０℃の加熱とを１サイクルとし、このサイクルを５００回ずつ、合計３０００回行うものである。ヒートサイクル試験後、各試料の接合体を樹脂で覆い、樹脂で覆われた接合体に対して断面研磨を行った。そして、ＳＥＭ（日本電子株式会社製ＪＣＭ−５７００）を用いて接合面の断面を観察し、接合面に金属間化合物ができているか否かを確認した。
【００９４】
図９は、実施の形態１に係る積層体に用いられるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金と比較例のはんだ合金とについて、信頼性を評価した結果を示す表である。図９は、ヒートサイクルの回数が５００回ごとに各試料の接合面を観察した結果を示す。図９に示す表において、ＡｇダミーチップとＺｎ−Ａｌ系はんだ合金２との金属間化合物にクラックが入っている場合に「×」を示し、クラックが入っていない場合に「○」を示す。クラックが入っていない場合、接合性は良好と判断する。
【００９５】
図９に示すように、試料３、４、９〜１１および１５のいずれもが、比較例の試料２０と同様に、ヒートサイクルが１５００回まで、接合性が良好であり、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ合金と同等の信頼性が得られていることがわかる。さらに、試料１０、１１および１５は、ヒートサイクルが２０００回の場合でも接合性が良好であり、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ合金よりも信頼性が向上している。
【００９６】
試料１０、１１および１５がＰｂ−Ｓｎ系はんだ合金よりも信頼性が向上する理由として、過度な金属間化合物の生成を抑える働きがあると考えられる。接合時にＡｌ層がＺｎ−Ａｌ合金層に拡散することで、金属間化合物が生成される。Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金にＮｉまたはＣｏが添加されていない場合、生成された金属間化合物の成長を抑制することができず合金層が厚くなってしまう。この金属間化合物は硬くて脆いため、柔らかいＡｌ層を残しても応力を吸収しきれずクラックが入ってしまうことがある。これに対して、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金にＮｉまたはＣｏが添加されている場合、ＮｉおよびＣｏが金属間化合物の成長を抑え、クラックが入ることを抑制する働きがあると考えられる。さらに、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金にＮｉが含有されることで、はんだ自体が柔らかくなり、応力緩和の効果が向上する効果もあると考えられる。
【００９７】
本実施の形態１の積層体は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金と、Ａｌ系母材とを有し、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、添加元素として、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、Ｇｅとを含み、添加元素を除く残部が不可避不純物およびＺｎで構成される。積層体の母材に柔らかいＡｌが用いられているので、応力緩和性に優れている。また、接合時にＡｌ系母材が溶融しないため、基板と接合される半導体チップが傾くことを抑制できる。その結果、積層体の厚みが均一な状態で維持され、半導体チップに発生する熱がより均等に基板に伝達し、基板から放熱される。よって、熱伝導性も優れている。また、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金がＺｎを主成分とし、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、Ｇｅとを含むため、ＡｌおよびＧｅによって融点を低下させるとともに、ＡｌおよびＧｅによる固溶強化およびＧｅによるぬれ性の向上によって、はんだ合金とＡｌ系母材との接合強度が上昇する。そのため、はんだ合金とＡｌ母材との接合性が向上し、接合体の接合界面の割れが抑制され、信頼性が向上する。さらに、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、添加元素として、ＮｉもしくはＣｏ、またはＮｉおよびＣｏの両方を含んでいてもよい。この場合、ヒートサイクルのような温度変化に対して金属間化合物の成長および粗大化を抑制できる。
【００９８】
また、本実施の形態１の積層体の製造方法は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金にＡｌ系母材を重ねるステップと、重ねられたＺｎ−Ａｌ系はんだ合金およびＡｌ系母材を圧着するステップと、を有するものである。本実施の形態１の積層体の製造方法において、Ａｌ系母材は、２層以上のＡｌ層が重なった構成であってもよい。この場合、Ａｌ系母材を２層以上にする場合、１層のＡｌ層の箔の厚みを薄くすることで、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金との密着性が向上する。また、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金とＡｌ系母材とを重ねるステップは、２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金層を重ねるステップと、積層された２層のＺｎ−Ａｌ系はんだ合金層にＡｌ系母材を重ねるステップとを有していてもよい。この場合、クラッド後にＡｌ系母材とＺｎ−Ａｌ系はんだ合金との密着性が良くなり、Ａ系母材からＺｎ−Ａｌ系はんだ合金が剥がれにくくなる。
【００９９】
また、本実施の形態１の積層体の製造方法において、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金およびＡｌ系母材のそれぞれは、重ね合わされる表面の粗さが０．０５μｍ以上であってもよい。この場合、各材料の表面に適度な凹凸が生じ、アンカー効果が発生し、互いの金属表面に凹凸が深く噛み合い、高い接合強度を得ることができる。
【符号の説明】
【０１００】
１  積層体、２  Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金、３  Ａｌ系母材、５  半導体チップ、７  基板、８  ヒートシンク、１０  積層体、１２、２２ａ、２２ｂ  Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金箔、１３  Ａｌ箔、１６、２０  積層体。
【要約】
【課題】信頼性が向上したＰｂフリーの積層体、および積層体の製造方法を得る。
【解決手段】Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金と、Ａｌ系母材とを有する積層体であって、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金は、添加元素として、１重量％以上９重量％以下のＡｌと、Ｇｅとを含み、添加元素を除く残部が不可避不純物およびＺｎで構成されることを特徴とするものである。
【選択図】図１【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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