JP2008238233A - 非鉛系の合金接合材、接合方法および接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で汎用性があり、従来のＰｂ含有の高温系はんだの代替が可能になる新規な合金接合材を提供する。
【解決手段】第１金属被接合材１と第２金属被接合材２とを薄層接合材３を介して積層し積層体４を形成する。薄層接合材３は、ＴｅとＡｇとを主成分にし、Ｓｎ、ＺｎおよびＣｏからなる群から選択された１種以上の元素を含む非鉛系の合金接合材、あるいはＴｅとＡｇとを主成分にし、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐｔ、ＭｎおよびＦｅからなる群から選択された１種以上の元素を含む非鉛系の合金接合材の例えばシートハンダである。この積層体４を３５０℃〜４５０℃の範囲の温度で加熱することによって、高耐熱性を有する接合層５を通して接合された接合体６が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば電子機器等の部品の接合において好適に使用できる鉛を含まない合金から成る非鉛系の合金接合材、それを用いた接合方法および接合体に関する。

ある物体とその物体よりも融点が低い物質を用いた接合技術としてのはんだ接合は、古くから使用されており、電子機器の接合においても、例えばマイクロプロセッサ、メモリ、抵抗、及びコンデンサなどの半導体素子や電子部品と実装基板との接合をはじめとして幅広く用いられている。はんだ接合は、部品を基板に固定するだけでなく、導電性を有する金属をはんだに含有させることにより電気的接合も兼ね備えている点に特長を有する。

今日、パーソナルコンピュータ、携帯電話などに代表されるパーソナル機器の急激な普及が進むにつれ、電子部品の実装技術における接合材や接合方法の選択はますますその重要性が増大している。

従来、最も多く用いられているはんだは、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだであった。このＳｎ−Ｐｂ系共晶はんだは実用に極めて適している。しかし、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだに含まれる鉛は、人体に対し有害であることが知られるようになり、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだに代わる、鉛を含まない、いわゆる非鉛系はんだの開発が急務とされている。

一方、現在半導体デバイスの中で例えばパワーデバイスにおいて用いられている接合材には、主に融点が１８３℃の低温系はんだ（Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ）と、融点が約３００℃程度の高温系はんだ（Ｐｂ−５質量％Ｓｎはんだ）が用いられ、それぞれ工程に応じて使い分けられている。

このうち、低温系はんだについては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を中心にしたものが実用化の段階に到達し、回路基板等に電子部品を実装する多くのセットメーカーにおいて、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだの代替は完了している。

これに対して、上記高温系はんだについては、高鉛含有材料以外には未だに有力なものが見つかっていない。この場合、例えば上記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を用い実装時のリフロー温度が２６０℃程度の高温条件下になっても、高温系はんだにより上記実装時前に形成された接合部が良好な機械的強度を保持しなければならない。ここで、耐熱性が良好なＡｕを主成分としたＡｕ基合金が、従来のＰｂ含有の例えばＰｂ−５質量％Ｓｎはんだの代替に有効なものとして挙げられる。しかし、Ａｕ基合金の場合には、高価な貴金属を多量に使用することになり、大幅に材料コストが上昇し、汎用的に使用するのが難しくなる。

そこで、これまでに、融点が３００℃付近になる金属合金として、融点２３２℃のＳｎを主成分とするＳｎ基合金、融点４２０℃のＺｎを主成分としたＺｎ基合金、融点２７１℃のＢｉを主成分としたＢｉ基合金などが有力な候補として検討されてきた。特に、Ｓｎ基合金は、従来から接合材として利用されてきた実績を有し、コスト、接合性、加工性、接合信頼性の面において優れた特性を有していることが報告されている（非特許文献１参照）。しかし、Ｓｎ基合金は、高温系はんだとしては低融点元素のＳｎを主成分にしているために、その耐熱性に課題を有しており、鉛含有の高温系はんだの代替が可能な接合材として実用化に至っていない（非特許文献２参照）。
まてりあ、３８（１９９９）、ｐ９１９ 第１７回エレクトロニクス実装学術講演大会講演論文集、２００３、ｐ１４７

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、安価で汎用性があり、従来のＰｂ含有の高温系はんだの代替が可能になる新規な合金接合材を提供することを主目的とするものである。更に、それにより形成される接合体が高耐熱性を有し高温条件において良好な機械的強度を保持できるようにすると共に、その接合体が短時間に得られる接合方法を提供することを目的とする。そして、例えば電子部品内部に搭載される半導体チップとリードフレーム等のマウント基板との接合が好適に行われ、その後のこの半導体チップが搭載された電子部品の例えば回路基板への実装において、熱による上記接合の信頼性低下等の悪影響が生じないようにすることを目的とするものである。

本発明者は、共晶温度が３５１℃になるＴｅ−Ａｇ合金について、これまで種々の検討を加えてきた。そして、Ｔｅ−Ａｇ二元合金では、被接合材との濡れ性が悪く、しかも接合強度が不充分であるが、これに後述する適正の金属元素を選択しそれを適度に添加することにより、上述したＰｂ基合金あるいはＡｕ基合金のような高温系はんだの代替が可能になることを見出した。本発明は、これ等の知見に基づいて得られたものである。

すなわち、上記目的を達成するために、本発明の非鉛系の合金接合材は、ＴｅとＡｇとを主成分にし、ＳｎおよびＺｎから選択された１種以上の元素を含む構成になっている。

あるいは、本発明の非鉛系の合金接合材は、ＴｅとＡｇとを主成分にし、Ａｌ、ＴｉおよびＮｉからなる群から選択された１種以上の元素を含む構成になっている。

そして、本発明の接合方法は、第１金属被接合材と第２金属被接合材とを、上述した非鉛系の合金接合材から成る薄層接合材を介して積層させ、前記第１金属被接合材、前記薄層接合材および前記第２金属被接合材を含む積層体を形成する工程と、前記積層体を３５０℃以上４５０℃以下の温度に加熱して前記第１金属被接合材および前記第２金属被接合材を互いに接合する工程と、を有する構成になっている。

そして、本発明の接合体は、ＴｅとＡｇとを主成分にし、ＳｎおよびＺｎから選択された１種以上の元素を含む非鉛系の合金接合材により、第１金属被接合材と第２金属被接合材がはんだ接合されている構成になっている。

あるいは、本発明の接合体は、ＴｅとＡｇとを主成分にし、Ａｌ、ＴｉおよびＮｉからなる群から選択された１種以上の元素を含む非鉛系の合金接合材により、第１金属被接合材と第２金属被接合材がはんだ接合されている構成になっている。

本発明により、非鉛系の高温系はんだとして、融点が高く耐熱性が良好で、かつ、濡れ性および接合性に優れた合金接合材が安価に提供できる。そして、この合金接合材を用いた接合方法により、有害な高Ｐｂ含有の接合材を使用せず、かつ接合ピーク温度に維持する時間が短くとも耐熱性の高い接合体が形成される。この接合体は、充分な接合強度を有し、かつ高温条件においても機械的強度が維持可能である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

（第１の実施形態：第１の合金接合材）
本実施形態における非鉛系の第１の合金接合材は、ＴｅとＡｇとを主成分にし、Ｓｎ、ＺｎおよびＣｏからなる群から選択された１種以上の元素を含んでいる。ここで主成分とは第１の合金接合材中にＴｅあるいはＡｇを質量比で５０％以上含んでいることをさす。その好適な態様では、上記Ａｇの含有量は１５質量％から３５質量％の範囲にあり、上記Ｓｎ、ＺｎおよびＣｏからなる群から選択された１種以上の元素の含有量は５質量％から２０質量％の範囲にある。そして、その残部は、上記Ｔｅ、およびその製造工程において不可避的に微量に混入する例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の不可避不純物からなっている。

例えば、その好適な一態様として、Ｔｅ−１５Ａｇ−５Ｓｎ（Ａｇが１５質量％、Ｓｎが５質量％及びこれらの残部がＴｅで構成される合金）、Ｔｅ−１５Ａｇ−１０Ｓｎ、Ｔｅ−１５Ａｇ−１５Ｓｎ、Ｔｅ−１５Ａｇ−２０Ｓｎ、Ｔｅ−２０Ａｇ−５Ｓｎ、Ｔｅ−２０Ａｇ−１０Ｓｎ、Ｔｅ−２０Ａｇ−１５Ｓｎ、Ｔｅ−２０Ａｇ−２０Ｓｎ、Ｔｅ−３５Ａｇ−５Ｓｎ、Ｔｅ−３５Ａｇ−１０Ｓｎ、Ｔｅ−３５Ａｇ−１５Ｓｎ、Ｔｅ−３５Ａｇ−２０Ｓｎ、Ｔｅ−１５Ａｇ−５Ｚｎ、Ｔｅ−１５Ａｇ−１０Ｚｎ、Ｔｅ−１５Ａｇ−１５Ｚｎ、Ｔｅ−１５Ａｇ−２０Ｚｎ、Ｔｅ−２０Ａｇ−５Ｚｎ、Ｔｅ−２０Ａｇ−１５Ｚｎ、Ｔｅ−２０Ａｇ−２０Ｚｎ、Ｔｅ−３５Ａｇ−５Ｚｎ、Ｔｅ−３５Ａｇ−１０Ｚｎ、Ｔｅ−３５Ａｇ−１５Ｚｎ、Ｔｅ−３５Ａｇ−２０Ｚｎ等の組成の合金接合材が挙げられる。

Ｔｅ−Ａｇ二元合金は、被接合材との濡れ性が悪く、しかも接合強度が不充分で合金強度が小さく、合金接合材として使用できない。本発明者は、主成分となるＴｅ−Ａｇ合金に、Ｓｎ、ＺｎおよびＣｏからなる群から選択された１種以上の元素を添加することにより、被接合材との濡れ性および接合性が大幅に向上することを見出した。更に、この第１の合金接合材を用いて形成される接合部は、高耐熱性を有し高温条件において良好な機械的強度を保持できることを見出した。

この第１の合金接合材において、Ａｇの成分量が３５質量％を超えてくると、主成分となるＴｅ−Ａｇ合金の液相線温度が上昇し、固相線での溶融割合が減少して実用的な接合温度でのはんだ接合が困難になってくる。一方、Ａｇの成分量が１５質量％未満になってくると、固相において、半金属であるＴｅ相が増加することにより熱伝導率および導電率が大きく低下するようになる。そして、例えばパワーデバイスの半導体チップを実装した半導体装置において、上記合金接合材を用いて形成した接合部の熱放散性あるいは低抵抗化が難しくなる。

また、上記Ｓｎ、ＺｎおよびＣｏからなる群から選択された１種以上の元素の添加量が５質量％未満であると、Ｔｅ、Ａｇを主成分とする第１の合金接合材は、その合金強度が小さくなり、しかも被接合材との濡れ性が悪く接合強度が弱くなって実用的でなくなる。一方、上記Ｓｎ、ＺｎおよびＣｏからなる群から選択された１種以上の元素の添加量が２０質量％を超えてくると、液相線温度が大きく上昇し実用的な接合温度でのはんだ接合ができなくなる。

上記第１の合金接合材により形成された接合体は、高耐熱性を有し高温条件において良好な機械的強度を保持できるようになる。特に、接合体のせん断強度が大きく増大する。このために、第１の合金接合材は、例えばハンダ（ソルダ）ペーストとして、例えばパワーデバイスのような大電流、大電力で駆動する半導体チップのダイボンディングに好適に使用できるようになる。また、この合金接合材は、例えばハンダボールとして、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size Package）を用いたＬＳＩの高密度実装においても有用になる。

（第２の実施形態：第２の合金接合材）
本実施形態における非鉛系の第２の合金接合材は、ＴｅとＡｇとを主成分にし、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐｔ、ＭｎおよびＦｅからなる群から選択された１種以上の元素を含んでいる。ここで、上記Ａｇの含有量は１５質量％から３５質量％の範囲にあり、上記Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐｔ、ＭｎおよびＦｅからなる群から選択された１種以上の元素の含有量は０．０１質量％から１０質量％の範囲にあり、その残部が上記Ｔｅおよび不可避的に混入する不可避不純物からなると好適である。ここで、上記Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐｔ、ＭｎおよびＦｅからなる群から選択された１種以上の元素の含有量は、１質量％以上であると更に好ましくなる。

例えば、その好適な一態様として、Ｔｅ−２０Ａｇ−０．０１Ａｌ、Ｔｅ−２０Ａｇ−１Ａｌ、Ｔｅ−１５Ａｇ−０．０１Ｔｉ、Ｔｅ−１５Ａｇ−１Ｔｉ、Ｔｅ−２０Ａｇ−０．０１Ｔｉ、Ｔｅ−１５Ａｇ−０．０１Ｎｉ、Ｔｅ−１５Ａｇ−１Ｎｉ、Ｔｅ−２０Ａｇ−０．０１Ｎｉ、Ｔｅ−２０Ａｇ−ｌＮｉ等の組成の合金接合材が挙げられる。

本発明者は、第１の合金接合材で説明したのと同様に、主成分となるＴｅ−Ａｇ合金に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐｔ、ＭｎおよびＦｅからなる群から選択された１種以上の元素を添加することにより、被接合材との濡れ性および接合性が向上することを見出した。更に、この第２の合金接合材を用いて形成される接合部は、高耐熱性を有し高温条件において良好な機械的強度を保持可能であり、第１の合金接合材より熱伝導率および導電率が大きくなることを見出した。

図１は、主成分となるＴｅ−Ａｇ合金にＡｌを添加した場合のＣｕ板の被接合材との濡れ性の変化を示す一例である。ここでは、Ｔｅ−２９質量％Ａｇ−ｘ質量％Ａｌ（ｘ＝０，１．５，１．９，３．０）組成の合金接合材の場合について示している。図１から判るように、ｘ＝０であり７１質量％Ｔｅ−２９質量％Ａｇ共晶合金の場合では、被接合材との接触角θは９０°以上になり濡れ性は非常に悪い。これに対して、添加されるＡｌ量が１．５質量％になると、上記接触角θは６０°以下になり、１．９質量％、３．０質量％とその添加量が増えるに従い接触角θは３５°、２４°と低下し濡れ性が向上することが判る。

この第２の合金接合材の場合においても、そのＡｇ成分量の範囲は、上述したような理由から第１の合金接合材の場合で説明したのと同じになる。また、上記Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐｔ、ＭｎおよびＦｅからなる群から選択された１種以上の元素の添加量が０．０１質量％未満であると、Ｔｅ、Ａｇを主成分とする合金接合材は、その合金強度が小さくなり、しかも被接合材との濡れ性が悪く接合強度が弱くなって実用的でなくなる。一方、上記Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐｔ、ＭｎおよびＦｅからなる群から選択された１種以上の元素の添加量が１０質量％を超えてくると、液相線温度が大きく上昇し実用的な接合温度でのはんだ接合ができなくなる。

上記第２の合金接合材により形成された接合部は、高耐熱性を有し高温条件において良好な機械的強度を保持できるうえに、第１の合金接合材の場合よりも導電率を増大させることができる。この第２の合金接合材は、例えばハンダペーストとして、パワーデバイスのような半導体チップのダイボンディングにおいて好適に使用でき、実装後のパワー系半導体装置あるいはパワー系半導体モジュール（パワーモジュール）の低抵抗化を容易にすることから極めて好適になる。

上述した第１および第２の合金接合材は、ペースト状、シート状、ワイヤー状、あるいは粒状等の種々の形状にすることができる。

上記合金接合材はペースト状にしてハンダペーストにする。このハンダペーストは、上記第１あるいは第２の合金接合材を例えばアトマイズ法により粉末にし、この粉末をフラックスと混練してペースト状に調製したものである。ここで、上記粉末の平均粒径は１μｍ〜１０μｍの範囲で篩により所要の寸法に分級される。また、フラックスは溶剤、ロジン、活性剤、有機ハロゲン、粘稠剤等で構成されている。そして、このフラックスの含有率は１０質量％〜１５質量％になっている。

シート状の合金接合材は、上記第１あるいは第２の合金接合材を例えば圧延加工することにより、５μｍ〜２００μｍの範囲で所要の厚さに調整される。ここで、シート状の合金接合材は、板状、帯状、箔状、テープ状あるいはリボン状のものも含み、その一例がシートハンダである。

ワイヤー状の合金接合材は、上記第１あるいは第２の合金接合材を例えば線引加工することにより、２０μｍ〜１ｍｍの範囲で所要径のワイヤーハンダとして調整される。

粒状の合金接合材は、上記第１あるいは第２の合金接合材を例えばショット法により球状加工することにより、２０μｍ〜１ｍｍの範囲で所要の直径に調整される。この粒状の合金接合材は上述したようなハンダボールとなる。

その他に、第１および第２の合金接合材は、メタライジングにより被接合材の表面上に薄層に形成して使用することもできる。この場合には、メッキ法、蒸着、スパッタリング等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法、イオンプレーティング法等により、１μｍ〜５００μｍの範囲、より好ましくは１０μｍ〜３００μｍの範囲で所要の膜厚に成膜される。

（第３の実施形態：接合方法）
次に、第１及び第２の実施形態で説明した合金接合材を用いた接合方法について図２ないし４を参照して説明する。図２は接合方法の一形態を示す断面図である。図３および図４は接合方法の別の形態を示す断面図である。

図２（ａ）に示すように、まず、第１金属被接合材１と第２金属被接合材２とを薄層接合材３を介して積層し積層体４を形成する。このとき加圧を行ってもよい。ここで、薄層接合材３は、第１及び第２の実施形態で説明したような第１の合金接合材あるいは第２の合金接合材のシートハンダである。

次に、この積層体４を加熱することによって、図２（ｂ）に示すように第１金属被接合材１および第２金属被接合材２が接合層５を介して接合された接合体６が得られる。

あるいは、積層体４を得る際に、図３の別の形態に示すように、予め第２金属被接合材２表面に薄層接合材３を形成する。ここで、薄層接合材３は、第１の実施形態で説明したメタライジングにより薄層に形成される第１の合金接合材あるいは第２の合金接合材である。そして、第２金属被接合材２表面の薄層接合材３が被着した状態のものに第１金属被接合材１を積層して積層体４を形成する。また、逆に、予め第１金属被接合材１の表面をメタライズし、第１金属被接合材１表面に薄層接合材３が被着したものと第２金属被接合材２を積層して積層体４を形成するようにしてもよい。

更に、第１金属被接合材１又は第２金属被接合材２は、金属、セラミックス、半導体等からなる他の部材表面にメタライズされて、当該部材を他の部材と接合させるための部材として用いられる場合も本実施形態の範疇に含むものである。

このような接合方法の形態が図４に示される。図４に示すように、母材７表面に第１金属被接合材１が、母材８表面に第２金属被接合材２がメタライズされている。各メタライズ層の間には、第１の合金接合材あるいは第２の合金接合材から成るシートハンダの薄層接合材３を配置して積層体９を構成する。この後積層体９を加熱することにより接合を行う。なお、母材７および母材８と各メタライズ層が、それぞれに共に後述するようなＡｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌおよびこれ等の金属を主成分とする金属合金からなる群より選択される金属材料から成る場合、それぞれ母材とメタライズ層を合わせたものを第１金属被接合材１あるいは第２金属被接合材２とみなす。

図４には第１被接合材１および第２被接合材２が共に他の母材７，８表面にメタライズされた例を示したが、第１金属被接合材１のみを母材７表面にメタライズし、第２金属被接合材２が母材８表面にメタライズされていない場合も本実施形態の範疇に含まれる。逆に第２金属被接合材２のみを母材８表面にメタライズし、第１金属被接合材１は母材７にメタライズされていない場合も本実施形態の範疇に含まれるものである。

第１金属被接合材１および第２金属被接合材２を他の部材表面にメタライズする手段としては、第１の実施形態でも説明したメッキ法、ＰＶＤ法あるいは化学気相成長（ＣＶＤ）法等が挙げられる。

以下、上記接合方法に用いられる部材について更に説明する。
第１金属被接合材１および第２金属被接合材２としては金属材料を使用する。この金属材料は、用途に応じて選択可能で特に限定されないが、高温条件下において溶融する薄層接合材３に溶解・拡散した場合、薄層接合材３中に固溶し形成される固溶体の固相線温度が著しく低下しない金属材料が望ましい。そのような金属材料として、具体的には、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌのような金属あるいはこれ等の金属を主成分とした金属合金が挙げられる。このような金属材料であると、接合体の接合部である接合層５は、耐熱性に優れ、高温条件下においても良好な機械的強度を保持する。また、上記金属材料以外でも、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｎｂ、Ｍｎなどが具体例として挙げられる。

ここで、上記第１金属被接合材１および第２金属被接合材２がＡｌである場合には、第１の合金接合材あるいは第２の合金接合材の添加元素はＺｒであってもよい。

第１金属被接合材１および第２金属被接合材２の厚さ（平均厚さ）は、０．１μｍ〜５００μｍの範囲であることが好ましい。なお、図４で説明したように第１金属被接合材１あるいは第２金属被接合材２が母材とメタライズ層を合わせたものから成る場合は、その総計が上記範囲の厚さになるようにする。

また、薄層接合材３は、接合時間を著しく長くしないために、その厚さが１μｍ〜５００μｍの範囲になるようにするとよい。より好ましくは、その厚さは３０μｍ〜３００μｍの範囲にすることが望ましい。ここで、薄層接合材３の厚さが厚すぎると、接合時間において被接合材が充分に接合材に拡散せず耐熱性の向上が実現されない恐れがあり、薄すぎると接合材の濡れ性が低下し、接合強度が確保できない恐れがある。

薄層接合材３の好適な供給手段としては、第１及び第２の実施形態で説明したハンダペースト、シートハンダ、メッキ法を用いたメタライジングによるハンダメッキ、スーパージャフィット法あるいはスーパーソルダー法等によるハンダプリコート等が挙られる。

ハンダペーストを使用する場合には、ハンダペースト厚を極端に大きくすると、数秒の接合時間においては被接合材がハンダペーストの第１の合金接合材あるいは第２の合金接合材の内部に充分に拡散せず、接合層５が脆くなってその機械的強度が保持できなくなる。そこで、短時間の接合時間でも良好な機械的強度を保持できるようにするために、可能な限りハンダペースト厚を小さくし、５０μｍ〜１００μｍ、好ましくは５０μｍ〜８０μｍの範囲内にすることが望ましい。また、シートハンダを使用する場合は、同様な理由から３０μｍ〜５０μｍの範囲内にすることが望ましい。

本実施形態の接合方法について更に説明する。
上述したような積層体４，９を加熱する際の加熱温度は、３５０℃〜４５０℃の範囲内が好適である。この範囲であると、ＴｅとＡｇとを主成分とした薄層接合材３は溶融し、その中へ一部の金属被接合材が溶解・拡散し、はんだ接合が可能になる。ここで、加熱温度は３７０℃以上であると更に好ましくなる。このようにして、薄層接合材３の金属元素と金属被接合材の金属元素の固溶体相あるいは一部に金属間化合物が形成され、接合層５は、耐熱性に優れしかもその脆性が緩和され、高温条件下においても良好な機械的強度を保持する。

そして、加熱時間は０．１秒以上が望ましく、特にピーク温度での加熱時間が０．５秒以上となるように加熱すればより好ましい。また、加熱時間は長くとも３０秒以下でよく、ピーク温度での加熱時間が１０秒以下になるように加熱すればよい。ここで、上述したハンダペースト、シートハンダの厚さが大きくなるに従い加熱時間は長くなる。

本実施形態の接合方法によれば、Ｔｅ−Ａｇ合金の共晶温度である３５１℃近傍の温度を融点とする接合層が容易に形成される。このために、例えば半導体チップの高温系はんだに求められる２６０℃保証を可能にし、２６０℃の高温条件下においても接合層の耐熱性を維持することができる。そして、結果として、高温条件下においても機械的強度の良好な接合体を短時間で得ることができる。

本発明に係る接合体、接合方法は、どのような分野で用いられてもよいが、特に製造プロセスあるいは製品使用時に高温条件下に置かれる電子機器部品、半導体デバイス特にパワー系半導体デバイスにおける部品の接合に好適に用いられる。特に半導体チップのリードフレームへのダイボンディングに際しては特に好適に用いられる。

（第４の実施形態：接合体）
次に、第４の実施形態について図２（ｂ）を参照して説明する。図２（ｂ）は、第２の実施形態において触れた接合体の一形態を示した断面図である。ここで、接合体６は、第１金属被接合材１が、第２金属被接合材２に接合層５を介して接合されている。

第１金属被接合材１および第２被接合材２としては金属材料が使用されている。この金属材料は用途に応じて選択可能で特に限定されないが、上述したように高温条件下において溶融する薄層接合材３に溶解・拡散した場合、薄層接合材３中に固溶し形成される固溶体の固相線温度が著しく低下しない金属材料が望ましい。具体的には、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌのような金属およびこれ等の金属を主成分とした金属合金からなる群より選択される金属材料が挙げられる。また、上記金属材料以外でも、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｎｂ、Ｍｎなども好ましい材料に挙げられる。

接合層５は、その断面微細構造において、Ａｇ_３Ｔｅ_２等の金属間化合物を有している、そして、この接合層５には、上記第１金属被接合材１あるいは第２金属被接合材２の金属元素と、第１及び第２の実施形態で説明した第１の合金接合材あるいは第２の合金接合材に添加された金属元素との固溶体相が存在する。このような構造をとることにより、接合層５が高温化した場合、例えば２６０℃以上の温度条件下に置かれた場合、接合層５の全てが液相化することがなく液相と固相が混じった状態が維持される。そのため接合部の機械的強度が維持される。

接合層５の全体が金属間化合物化してしまうと接合部の融点は高くなるものの、金属間化合物自体は脆性が高いため接合部は脆性化し、機械的強度が維持されない恐れがある。しかしながら本実施形態によれば、そのような恐れがなく耐熱性に優れた接合部になる。

このようにして形成される接合体の極めて好ましい例としてはパワー系半導体装置あるいはパワーモジュールが挙げられる。このような半導体装置は、金属被接合材によりメタライズされた半導体チップの裏面が接合層により、リードフレームあるいはモジュール基板等のマウント基板上に接合され、キャップ封止あるいは樹脂封止されているものである。ここで、上記マウント基板の少なくとも表面は、好ましくは、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌのような金属およびこれ等の金属を用いた金属合金からなる群より選択された金属材料から成る。同様に、上記チップ裏面にメタライズされた金属被接合材は、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌのような金属およびこれ等の金属を用いた金属合金からなる群より選択された金属材料から成る。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものでない。

（実施例１）
パワー系半導体装置における半導体チップとリードフレームとの接合を行った。図５は、接合前における、半導体チップとリードフレームの接合方法の形態を模式的に示す一部拡大断面図である。このパワー系半導体装置では、厚さが３００μｍで１０ｍｍ角のシリコン半導体チップ１１の裏面にＡｕ蒸着により、０．０５μｍ厚のＡｕ薄層１２（第１金属被接合材）を形成する。また、Ｃｕよりなるリードフレーム１３（第２金属被接合材）表面に０．５μｍ厚のＮｉ薄層１４をスパッタリングにより成膜し、その上から５μｍ厚の薄層接合材３を無電解メッキにより形成する。このようにして積層体１５を得る。ここで、薄層接合材３は、７０質量％Ｔｅ−２９質量％Ａｇ−１質量％Ａｌの第１の合金接合材である。

そして、その後加熱して接合を行った。加熱は、１００ｐｐｍ以下の酸素濃度にしたフォーミングガス（Ｎ_２＋Ｈ_２）雰囲気中でリフローした。このときの加熱条件は、４００℃の温度で５秒である。

接合後の接合界面の断面ＳＥＭ観察から、際立ったボイドは発生せず良好な接合性を示すことが判った。

最後に接合したリードフレームと半導体チップとを樹脂封止し、パワー系半導体装置を得た。

得られた接合体について、２５０℃における剪断強度試験を行った。その結果を表１にあわせて示す。
表１において、「３８０℃溶融」欄は、合金接合材を３８０℃に加熱した結果を示しており、○印が接合に十分な程度に溶融している状態であり、×印は、溶融していない状態を表す。また、接合強度は、◎印が、剪断強度が１０ｋｇｆ以上であること、○印が、せん断強度５〜１０ｋｇｆであること、また×印が剪断強度が５ｋｇｆ以下であることをそれぞれ表している。

（実施例２）
本実施例では、リードフレーム１３に、無電解メッキによりＮｉ薄層１４を形成し、その上からハンダペーストをスクリーン印刷して薄層接合材３を形成した以外は実施例１と同様にパワー系半導体装置を得た。

ここで、Ａｇが２９質量％、Ａｌが１質量％、残部がＴｅからなる第１の合金接合材を用いて、約５μｍのハンダ粉末を作製した。このハンダ粉末材と１０質量％のフラックスを完全に混合させ、ハンダペーストを作製した。フラックスの成分は、溶剤、ロジン、活性剤、有機ハロゲン、粘稠剤等である。ハンダペーストは印刷に適した粘度である約５０万ｃｐｓとなるまで約２０分間攪拌した。このハンダペーストをＮｉ薄層１４上に約８０μｍの厚さとなるよう印刷し薄層接合材３を形成した。

接合後の接合界面の断面ＳＥＭ観察から、際立ったボイドは発生せず良好な接合性を示すことが判った。この接合体の剪断試験を実施例１と同様にして行った。その結果を表１に併せて示す。

最後に接合したリードフレームと半導体チップとを樹脂封止し、パワー系半導体装置を得た。

（実施例３）
本実施例では、リードフレーム１３に、シートハンダを供給することにより薄層接合材３を形成した以外は実施例１と同様にパワー系半導体装置を得た。

ここで、シートハンダは、Ａｇが２９質量％、Ａｌが１質量％、残部がＴｅからなる第１の合金接合材を用いて、約５０μｍの厚さに圧延加工して作製したものである。

接合後の接合界面の断面ＳＥＭ観察から、際立ったボイドは発生せず良好な接合性を示すことが判った。この接合体の剪断試験を実施例１と同様にして行った。その結果を表１に併せて示す。

最後に接合したリードフレームと半導体チップとを樹脂封止し、パワー系半導体装置を得た。

(実施例４〜６)
実施例４では、実施例１で説明したリードフレーム１３表面にスパッタリングによりＮｉ薄層１４を形成する代わりに、０．５μｍ厚のＰｄ薄層を電子ビーム蒸着により形成した。実施例５では、同様に、０．５μｍ厚のＰｔ薄層を電子ビーム蒸着により形成した。実施例６では、同様に、０．５μｍ厚のＡｌ薄層を電子ビーム蒸着により形成した。そして、それ以外は実施例１と同様にしてパワー系半導体装置を得た。

接合後の接合界面の断面ＳＥＭ観察から、いずれの場合でも際立ったボイドは発生せず良好な接合性を示すことが判った。これら接合体の剪断試験を実施例１と同様にして行った。その結果を表１に併せて示す。

最後に接合したリードフレームと半導体チップとを樹脂封止し、パワー系半導体装置を得た。

(実施例７〜１８、比較例１〜８)
以下の実施例及び比較例では、図２（ｂ）で説明したような接合体構造を作製した。すなわち、３００μｍ厚のＣｕ板表面に０．５μｍ厚のＮｉ薄層を形成した第１金属接合体と、３００μｍ厚のＳｎ板表面に１μｍ厚のＮｉ薄層を形成した１０ｍｍ角の第２金属接合体とが、下記表２に示す組成のＴｅ−Ａｇ−Ｓｎ系合金接合材のシートハンダで供給された薄層接合材により接合された接合体である。ここで、シートハンダの厚さは５０μｍであり、また、接合の加熱条件は、３８０℃で５秒である。

得られた接合体について、２５０℃における剪断強度試験を実施例１と同様にして行った。その結果を表２に示す。
表２に見られるように、本願発明の接合材は、３８０℃で十分溶融し、かつ、接合強度も十分であったのに対して、比較例の接合材は、接合不十分であるか、もしくは全く溶融しなかった。

（実施例１９〜２９、比較例９〜１２）
以下の実施例及び比較例では、薄層接合材として表３に示す組成のＴｅ−Ａｇ−Ｚｎ系合金から成る合金接合材で形成した以外は、それぞれに、実施例７と同様に接合体を作製し、実施例１と同様にして剪断試験を行った。その結果を表３に併せて示す。
表３に見られるように、本願発明の接合材は、３８０℃で十分溶融し、かつ、接合強度も十分であったのに対して、比較例の接合材は、接合不十分であるか、もしくは全く溶融しなかった。

(実施例３０〜３１、比較例１３〜１９)
以下の実施例及び比較例では、薄層接合材を表４に示す組成のＴｅ−Ａｇ−Ａｌ系合金から成る合金接合材を用いたこと以外は、実施例７と同様な接合体を作成し、剪断強度試験を行った。その結果を表４に併せて示す。
表４に見られるように、本願発明の接合材は、３８０℃で十分溶融し、かつ、接合強度も十分であったのに対して、比較例の接合材は、接合不十分であるか、もしくは全く溶融しなかった。

(実施例３２〜３４、比較例２０〜２２)
以下の実施例及び比較例では、薄層接合材を表５に示す組成のＴｅ−Ａｇ−Ｔｉ系合金から成る合金接合材を用いたこと以外は、実施例７と同様な接合体を作成し、実施例１と同様の方法で剪断強度試験を行った。その結果を表５に併せて示す。
表４に見られるように、本願発明の接合材は、３８０℃で十分溶融し、かつ、接合強度も十分であったのに対して、比較例の接合材は、接合不十分であるか、もしくは全く溶融しなかった。

(実施例３５〜３８、比較例２３〜２４)
以下の実施例及び比較例では、薄層接合材を表６に示す組成のＴｅ−Ａｇ−Ｎｉ系合金から成る合金接合材を用いたこと以外は、実施例７と同様な接合体を作成し、実施例１と同様の方法で剪断強度試験を行った。その結果を表６に併せて示す。
表５に見られるように、本願発明の接合材は、３８０℃で十分溶融し、かつ、接合強度も十分であったのに対して、比較例の接合材は、接合不十分であるか、もしくは全く溶融しなかった。

以上の結果から、本願の合金接合体の最適組成がＴｅ−Ａｇ−（Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｏ）系では、５〜２０質量％の範囲であり、また、Ｔｅ−Ａｇ−（Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｆｅ）系では、０．０１〜１０質量％の範囲であることが明らかとなった。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

例えば、本実施形態では、第１の合金接合材あるいは第２の合金接合材が高精度のはんだ接合に使用され、その厚さが１００μｍ以下で使用される場合について主に説明しているが、第１の合金接合材あるいは第２の合金接合材がｍｍ単位の厚さではんだ接合する場合であっても使用することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる非鉛系合金接合材の濡れ性の効果を示す光学写真である。 本発明の第２の実施形態にかかる接合方法の一例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態における接合方法の別の例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態における接合方法の更に別の例を示した断面図である。 本発明の実施例におけるパワー系半導体装置の接合方法の形態を示した模式的な一部拡大断面図である。

符号の説明

１ 第１金属被接合材
２ 第２金属被接合材
３ 薄層接合材
４，９，１５ 積層体
５ 接合層
６ 接合体
７，８ 母材
１１ シリコン半導体チップ
１２ Ａｕ薄層
１３ リードフレーム
１４ Ｎｉ薄層

Claims (11)

1. ＴｅとＡｇとを主成分にし、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、ＴｉおよびＮｉからなる群から選択された１種以上の元素を含むことを特徴とする非鉛系の合金接合材。
2. 前記Ａｇの含有量が１５質量％から３５質量％の範囲にあり、前記ＳｎおよびＺｎから選択された１種以上の元素の含有量が５質量％から２０質量％の範囲にあり、残部が前記Ｔｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の非鉛系の合金接合材。
3. 前記Ａｇの含有量が１５質量％から３５質量％の範囲にあり、前記Ａｌ、ＴｉおよびＮｉからなる群から選択された１種以上の元素の含有量が０．０１質量％から１０質量％の範囲にあり、残部が前記Ｔｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項２に記載の非鉛系の合金接合材。
4. 前記合金接合材は、ペースト状、シート状、ワイヤー状、あるいは粒状になっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の非鉛系の合金接合材。
5. 第１金属被接合材と第２金属被接合材とを、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の非鉛系の合金接合材から成る薄層接合材を介して積層させ、前記第１金属被接合材、前記薄層接合材および前記第２金属被接合材を含む積層体を形成する工程と、
   前記積層体を３５０℃以上４５０℃以下の温度に加熱して前記第１金属被接合材および前記第２金属被接合材を互いに接合する工程と、
   を有することを特徴とする接合方法。
6. 前記第１金属被接合材および前記第２金属被接合材は、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌの金属、およびこれ等の金属を主成分とする金属合金からなる群より選択されることを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
7. ＴｅとＡｇとを主成分にし、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、ＴｉおよびＮｉからなる群から選択された１種以上の元素を含む非鉛系の合金接合材により、第１金属被接合材と第２金属被接合材がはんだ接合されていることを特徴とする接合体。
8. 前記合金接合材は、前記Ａｇの含有量が１５質量％から３５質量％の範囲にあり、前記ＳｎおよびＺｎから選択された１種以上の元素の含有量が５質量％から２０質量％の範囲にあり、残部が前記Ｔｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項７に記載の接合体。
9. 前記合金接合材は、前記Ａｇの含有量が１５質量％から３５質量％の範囲にあり、前記Ａｌ、ＴｉおよびＮｉからなる群から選択された１種以上の元素の含有量が０．０１質量％から１０質量％の範囲にあり、残部が前記Ｔｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項７に記載の接合体。
10. 前記第１金属被接合材および前記第２金属被接合材は、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌの金属、およびこれ等の金属を主成分とする金属合金からなる群より選択されていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか一項に記載の接合体。
11. 前記第１金属被接合材がパワー系半導体チップに形成され、前記第２金属被接合材が前記パワー系半導体チップのマウント基板に形成され、前記パワー系半導体チップが前記マウント基板上に前記はんだ接合を通してダイボンディングされていることを特徴とする請求項７に記載の接合体。