(57)【要約】【課題】接合性が被接合材に関わらず良好で、高温耐量の高い接合材を提供すること。また、この接合材を用いて接合された半導体装置の耐熱性を向上させること。【解決手段】融点が、たとえば２６０℃以上と高い板状の中央層２の上下表面に、中央層２より融点が低く濡れ性の良好な表面層３を積層することで接合材１を得ることができる。また、この接合材１を介して半導体チップや絶縁基板などの被接合材を接合することで半導体装置を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の中央層の上下表面に表面層が積層された接合材であって、前記中央層は前記表面層より融点が高いことを特徴とする接合材。
【請求項２】
少なくとも、前記中央層と当該中央層の上下表面に積層された前記表面層との３層で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の接合材。
【請求項３】
前記中央層は、融点が２６０℃以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の接合材。
【請求項４】
前記中央層は、ビスマスの単相、またはビスマスを主成分とする、銀、銅、亜鉛、アンチモン、インジウム、錫、ニッケル、ゲルマニウム、テルル、リンなどとの合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の接合材。
【請求項５】
前記表面層は、錫の単相、インジウムの単相、または錫もしくはインジウムを主成分とする合金からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の接合材。
【請求項６】
板状の中央層の上下表面に、当該中央層より融点の低い表面層を積層する積層工程と、
前記中央層および前記表面層を、圧延することで一体化する圧延工程と、
を含むことを特徴とする接合材の製造方法。
【請求項７】
板状の中央層の上下表面に、当該中央層より融点の低い表面層を、電鋳による膜形成によって形成することを特徴とする接合材の製造方法。
【請求項８】
板状の中央層の上下表面に、当該中央層より融点の低い表面層を、微細な粉体粒子を噴霧することで形成することを特徴とする接合材の製造方法。
【請求項９】
前記１〜５のいずれか一つに記載の接合材を用いて半導体チップと絶縁基板とが接合されたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、接合性が良好で融点が高い接合材、その製造方法およびこの接合材を用いて接合された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーデバイスは、電力変換用途のスイッチングデバイスとして用いられる。図３は、従来の半導体装置の構造について示す断面図である。図３に示すように、半導体装置１０は、半導体チップ１１と、配線基板１２と、アルミワイヤ１３と、ヒートシンク１４と、ケース１５と、を備えている。
【０００３】
配線基板１２は、絶縁基板の表面に回路パターン１２ａ，１２ｂを形成した基板である。半導体チップ１１の裏面は、図示省略した接合材を介して配線基板１２の回路パターン１２ａと接合している。半導体チップ１１の表面に設けられた図示省略した電極と回路パターン１２ｂとはアルミワイヤ１３によって電気的に接続されている。配線基板１２の裏面には金属膜１２ｃが設けられており、この金属膜１２ｃが図示を省略した接合材を介してヒートシンク１４と接合している。
【０００４】
ヒートシンク１４は、良熱伝導体の材質で作られており、ベース部１４ａおよび放熱フィン部１４ｂを有する。ベース部１４ａは、半導体チップ１１で発生し、配線基板１２を介して伝わる熱を放熱フィン部１４ｂへ伝導する。放熱フィン部１４ｂは、複数の放熱フィンを有し、ベース部１４ａから伝導された熱を放散する。ヒートシンク１４の周縁にはケース１５が接着されている。
【０００５】
上述したモジュール構造の半導体装置１０では、半導体チップ１１と絶縁基板１２の表面に形成された回路パターン１２ａとの接合に、接合材として、比較的低い融点で固着工程をおこなえる半田が用いられている。このように、接合材として用いられる半田材は、実装を容易にすることはできるが、融点が２００〜３００℃程度である。したがって、半導体装置の動作寿命を推定する実機動作試験（パワーサイクル試験）などにより、半田層の内部に発生する亀裂が進展し、半導体装置の機能を喪失させることがある（たとえば、下記非特許文献１参照。）。
【０００６】
半田層の内部に発生する亀裂が進展する原因の一つは、半導体チップ１１の素材であるシリコンの熱膨張係数（α≒３．０ｐｐｍ／ｋ）と、回路パターン１２ａの素材である、たとえば銅の熱膨張係数（α≒１８．０ｐｐｍ／ｋ）と、が異なることによって熱応力が生じることである。また、特に錫（Ｓｎ）を多く含有し、鉛（Ｐｂ）を含有しない半田（以下、Ｐｂフリー半田とする）においては、半田材の再結晶化によって組織の変化が起こり、半田層の内部に発生する亀裂が進展する。この組織変化の時間的な進行速度は、半田材の高温耐量と強い相関を有することが知られている。したがって、半導体装置を高温で安定して動作させるためには、接合材のさらなる高温耐量化が求められている。
【０００７】
また、図３に示す半導体装置は積層構造を有しており、放熱性を向上させるために面接合構造となっている。したがって、半導体装置に用いられる接合材には、構造の信頼性を確保するための高耐熱性と、実装をおこなうための接合性と、が必要とされる。半導体装置の製造工程の接合処理においては、還元炉などに通して、被接合材（部材）に挟まれた接合材が溶融することによって接合が進行する。また、還元炉の還元力の強弱により、箔形状または粉体にフラックスを融合したペースト形状の接合材が用いられる。箔形状の接合材の接合性は、還元炉内の雰囲気（たとえば、水素置換雰囲気などによる還元力）、溶融した金属の濡れ性および被接合材との組み合わせによる活性傾向により決定する。
【０００８】
ここで、接合材として錫（Ｓｎ）と亜鉛（Ｚｎ）の混合材（融点温度：１６０〜１８０℃）などの酸化傾向が強く濡れ性の悪い低温接合材を線形状にし、このＳｎ−Ｚｎ混合材を濡れ性が良好で異なる組成の膜で被うことによって、半田付け温度を低くして、実装をおこなうための接合性を向上させた接合材が提案されている（たとえば、下記特許文献１参照。）。
【０００９】
また、一般に、Ｐｂが含有されていない接合材としては、融点範囲が２１０〜２４０℃程度の、Ｓｎを多く含有するＰｂフリー半田が用いられているが、Ｐｂを多く含有する高温半田の代替えとなる温度領域のものが必要とされている。最近では、融点範囲が約２６０℃以上である、ビスマス（Ｂｉ）組成の合金系の接合材が注目されている。なお、Ｂｉは、単相状態では融点が２７１℃である（たとえば、下記特許文献２または下記非特許文献２参照。）。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１９２５８３号公報
【特許文献２】特開２００５−７２１７３号公報
【非特許文献１】両角  朗、外２名、「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」、富士時報、Ｖｏｌ．７４  Ｎｏ．２  ２００１年、ｐ．１４５（４５）−１４８（４８）
【非特許文献２】ジョン・Ｎ・ラレイナ（Ｊｏｈｎ  Ｎ．Ｌａｋｅｎａ）、外２名、「エクスペリメンタル  インベスティゲイション  オブ  Ｇｅドープド  Ｂｉ−１１Ａｇ  アズ  ア  ニュウ  Ｐｂ−フリー  ソルダー  アロイ  フォ  パワー  ダイ  アタッチメント（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｇｅ−Ｄｏｐｅｄ  Ｂｉ−１１Ａｇ  ａｓ  ａ  Ｎｅｗ  Ｐｂ−Ｆｒｅｅ  Ｓｏｌｄｅｒ  Ａｌｌｏｙ  ｆｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｉｅ  Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）」、ジャーナル  オブ  エレクトロニック  マテリアルズ（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）、Ｖｏｌ．３１、Ｎｏ．１１、２００２年、ｐ．１２４４−１２４９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述した特許文献１の技術では、接合材の融点が低いため、この接合材を用いて接合した半導体装置の耐熱性を向上させることができないという問題がある。一方、特許文献２または非特許文献２の技術では、Ｂｉ組成の合金系の接合材は、Ｓｎを多く含有するＰｂフリー半田と異なり、被接合材の材質との組み合わせによって、接合性の品質に顕著な差異が生じるという問題がある。また、実装の際の濡れ性が劣っているため、面接合構造の製品に適用するのが困難であるという問題がある。
【００１２】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、接合性が被接合材に関わらず良好で、高温耐量の高い接合材およびその製造方法と、この接合材を用いて接合され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】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる接合材は、板状の中央層の上下表面に表面層が積層された接合材であって、前記中央層は前記表面層より融点が高いことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２の発明にかかる接合材は、請求項１に記載の発明において、少なくとも、前記中央層と当該中央層の上下表面に積層された前記表面層との３層で形成されたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３の発明にかかる接合材は、請求項１または２に記載の発明において、前記中央層は、融点が２６０℃以上であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４の発明にかかる接合材は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、前記中央層は、ビスマスの単相、またはビスマスを主成分とする、銀、銅、亜鉛、アンチモン、インジウム、錫、ニッケル、ゲルマニウム、テルル、リンなどとの合金からなることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５の発明にかかる接合材は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記表面層は、錫の単相、インジウムの単相、または錫もしくはインジウムを主成分とする合金からなることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項６の発明にかかる接合材の製造方法は、板状の中央層の上下表面に、当該中央層より融点の低い表面層を積層する積層工程と、前記中央層および前記表面層を、圧延することで一体化する圧延工程と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７の発明にかかる接合材の製造方法は、板状の中央層の上下表面に、当該中央層より融点の低い表面層を、電鋳による膜形成によって形成することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項８の発明にかかる接合材の製造方法は、板状の中央層の上下表面に、当該中央層より融点の低い表面層を、微細な粉体粒子を噴霧することで形成することを特徴とする。
【００２１】
また、請求項９の発明にかかる半導体装置は、前記１〜５に記載の接合材を用いて半導体チップと絶縁基板とが接合されたことを特徴とする。
【００２２】
上述の各発明によれば、融点の高い中央層の上下表面に、中央層より濡れ性が良好で中央層より融点の低い表面層が積層された接合材を得ることができる。このため、被接合材に挟まれた接合材に熱を加えると、中央層より先に、濡れ性の良好な表面層が溶融し、被接合材の表面と反応することで、固−液相界面を形成する。また、中央層の融点が２６０℃以上と高いため、接合材の高温耐量が向上する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる接合材、その製造方法によれば、接合性が被接合材に関わらず良好で、高温耐量の高い接合材を提供することができる。また、この接合材を用いて接合された半導体装置の耐熱性を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる接合材、その製造方法およびこの接合材を用いて接合された半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
（実施の形態）
図１は、本実施の形態にかかる接合材の構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる接合材１は、板状に個片化された圧延材である。接合材１は、たとえば、ビスマス（Ｂｉ）が多く含有された中央層２のおもて面と裏面に、表面層３が積層されている。
【００２６】
ここで、中央層２は、たとえば、融点が２６０℃以上の高融点の材質である。具体的には、Ｂｉを主成分として、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、テルル（Ｔｅ）、リン（Ｐ）等を添加した合金が好適であり、さらに具体的には、融点が２６０℃以上の、Ｂｉ、Ｂｉ−Ａｇ、Ｂｉ−Ｃｕ系の２元組成の合金が材質として好ましい。または、融点が３８０℃以上のＺｎ−Ａｌ系合金が材質として好ましい。
【００２７】
Ｂｉ系合金を中央層２とする場合、１００Ｂｉは融点が２７１℃となる。また、Ｂｉ−Ａｇ系合金を中央層２とする場合、組成がＢｉ−２．５Ａｇで融点が２６０℃程度と最小となる。また、Ｂｉ−Ｃｕ系合金を中央層２とする場合、組成がＢｉ−０．５Ｃｕで融点が２６０℃と最小となる。さらに、Ｚｎ−Ａｌ系合金を中央層２とする場合、組成がＺｎ−６．０〜８．０Ａｌで融点が３７０℃程度と最小となる。
【００２８】
また、表面層３は、Ｐｂが含有されず、融点が２６０℃未満である材質が好ましい。たとえば、マクロな濡れ性を有するＳｎまたはＩｎなどの単相材、もしくは、これらＳｎ、Ｉｎと、電子材料として電極に用いられるＣｕ、ＮｉまたはＡｇなどの表面材との合金が好適である。具体的には、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−８．０Ｚｎ−０．５Ｃｕ、１００Ｉｎ、９５Ｉｎ−５．０Ｓｂ等である。
【００２９】
つぎに、接合材の製造方法について説明する。図１に示すように、中央層２の上下表面に表面層３を積層し、冷間または温間で圧延し、板状のペレット材にすることで接合材１を形成する。また、この表面層３を、中央層２の上下の最表面に成膜することで形成してもよい。たとえば、スパッタ、電解または無電解などのめっき処理によって表面層３を成膜してもよいし、一般に用いられているめっき材質である半田めっき（ＳｎまたはＳｎ−Ａｇを含有し、Ｐｂを含まないめっき）を施して表面層３を成膜してもよい。
【００３０】
図２は、図１に示す接合材を用いて接合された半導体装置について示す断面図である。図２に示すように、図１に示す接合材１が、被接合材である半導体チップ１１と絶縁基板１２とによって挟まれた状態となっている。また、半導体チップ１１および絶縁基板１２と接合材１の接合界面付近に形成された反応相４は、接合材１の最表面と被接合材の最表面とが、液相−固相反応によって一体化して形成された反応層４である。また、接合材１の内部はバルク層５となる。
【００３１】
つぎに、半導体装置を図１に示す接合材を用いて接合する方法について説明する。接合材１が半導体チップ１１および絶縁基板１２に挟まれた状態のまま、還元炉に通し、接合材１と、半導体チップ１１および絶縁基板１２とを還元雰囲気で加熱溶融させて、接合する。加熱温度は、接合材１、半導体チップ１１および絶縁基板１２の表面が還元雰囲気内で還元される温度であり、たとえば、接合材１の中央層の融点より３０〜４０℃高い温度が好ましい。
【００３２】
たとえば、中央層が１００Ｂｉ（融点：２７１℃）の場合、通常の水素雰囲気内であれば中央層の表面が十分に還元されるため、３１０〜３２０℃程度に加熱することで全体の溶融一体化が進行する。ここで、表面層がＳｎ（融点：２３０℃）の場合、加熱処理の途中で、中央層よりも融点の低い表面層が先に溶融し、表面層と被接合材の表面が反応し、固−液相界面が形成される。
【００３３】
被接合材である半導体チップ１１の最表面には、銅めっきなどの再配線層またはスパッタや蒸着などによるメタライズ層（Ｎｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｇ等）が形成されている。また、絶縁基板１２の最表面にも、成膜工程は異なるが、同様の層が形成されていることが多い。そして、これら被接合材におけるＮｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの固相を保った表面と溶融した表面層３とによって、固−液相の境界を通して化学反応物が生成されることで、反応層４が形成される。
【００３４】
本実施の形態によれば、被接合材の表面と接合材の表面層とによって生成される化学反応物は、被接合材の表面と従来のＳｎを多く含有するＰｂフリー半田とによって生成される化学反応物と同様のものである。したがって、Ｓｎを多く含有するＰｂフリー半田と同様の接合性であることがわかる。また、接合材の表面層が溶融し、被接合材に流動する時の濡れ性が、接合材の中央層よりも優れており、被接合材との接合欠陥を避けることができる。このため、接合材の接合性が向上するため、緻密な面接合領域を形成することができる。これにより、面接合形式の被接合材の接合材として接合品質を向上させることができる。さらに、接合材の中央層の融点が、たとえば、２６０℃以上と高く、接合材の高温耐量を高くすることができるため、この接合材を用いて接合された半導体装置の耐熱性を向上させることができる。
【００３５】
なお、本実施の形態においては、中央層をＢｉ系合金の材質とし、表面層をＳｎ系合金の材質として説明したが、中央層の融点が高温（たとえば、２６０℃以上）であり、表面層の界面接合性が良好な材質であれば、これに限るものではない。
【００３６】
また、本実施の形態においては、中央層と、この中央層の上下表面に積層された表面層の３層構造について説明したが、少なくとも３層構造であればよく、中央層や表面層が複数の層からなる構造でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明にかかる接合材、その製造方法および半導体装置は、高温で動作するパワーデバイスに有用であり、特に、電力変換用途のスイッチングデバイスに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施の形態にかかる接合材の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す接合材を用いて接合された半導体装置について示す断面図である。
【図３】従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  接合材
２  中央層
３  表面層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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