JP2010073908A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体素子4と、被接続部材5と、半導体素子と被接続部材とを接続する第一の接続層とを有して構成される半導体装置であって、第一の接続層は、Al層1の両面にZn-Al合金層31a、31bが設けられた構成であることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図1
Description
一方、車両用交流発電機に用いられる半導体装置は厳しい温度サイクルに耐えることのできる構造であることが要求され、半導体素子と電極との熱膨張率の差に基づく熱応力への対策も不可欠であった。この熱応力を低減する構造として、下記特許文献1乃至5に開示されている構造がある。
一般的に、250℃以上の融点を有し、かつ400℃以下で接続可能なPbを含まない合金としては、Au系合金(Au-20Sn(共晶、280℃)、Au-12Ge(共晶、356℃)、Au-3.15Si(共晶、363℃)等)、Bi系合金(Bi(272℃)、Bi-Ag(265℃)等)およびZn-Al合金(共晶380℃)がある。しかし、Au系合金は、Auを主成分とするため、資源枯渇およびコスト面の理由から汎用的に使用することは難しい。
また、Bi系合金は、Biを主成分とするため、硬くて脆く加工が極めて難しく、一般的にシート状・ワイヤ形状の接続材料が使用される半導体装置の接続に汎用的に使用することは難しい。また、200℃近傍の高温で使用される半導体装置は、被接続部材の露出部の変色および酸化を防ぐために被接続部材にNiめっきを施すことが多く、半導体素子のメタライズにもNiが使用されることが多いが、BiはNiとの反応性が極めて高いため、接続時あるいは250℃保持時に反応が進みNiめっきが消失することで、接続強度が低減する恐れがある。
一方、Zn-Al合金は、Au系合金に比べて低コストであり、Bi系合金のような脆さもない。また、非特許文献1では、Zn-4AlおよびZn-4Al-1Cu合金で素子とNi部材を420℃接続した場合のNiとAlとの反応が極めて遅いことが報告されている。また、上記条件でNi部材を接続したものを200℃と300℃で高温保持した場合にも、接続部の界面反応が極めて遅いことが報告されていることから、Zn-Al合金でNi部材を接続することで250℃耐熱性を得ることができる。
また、Zn-Al合金は高PbはんだやSn系Pbフリーはんだに比べて硬いため、はんだ接続後冷却時あるいは温度サイクル時の熱応力による半導体素子破壊の可能性がある。Inを添加することでZn-Al合金の硬度を低下させる方法があるが、Inの添加による効果では接続後冷却時の熱応力による半導体素子破壊を抑制するほどの効果は期待できない。
また、本発明では、半導体装置の製造方法において、半導体素子、Al層の両面にZn層を積層し圧力をかけて前記Al層表面のAl酸化膜を破り作製した第一の複合材料、被接続部材の順に配置する第一工程と、前記第一工程で配置した前記半導体素子、前記第一の複合材料、前記被接続部材とをZn-Al合金の共晶温度以上に加熱して、前記第一の複合材料のAl層を残すように、前記第一の複合材料のAl層の一部と前記第一の複合材料の第一のZn層および第二のZn層とをそれぞれ反応させて、第一のZn-Al合金層および第二のZn-Al合金層を形成する第二工程とを有して構成した。
まず、半導体素子と被接続部材とを接続する複合材料の作製方法について、図2乃至図4を用いて説明する。複合材料は、図2に示すようにAl層1の両面にZn層2a,2bを積層し積層部材102を作成後、図3に示すようにロール17を用いて圧力をかけクラッド圧延を施すことにより作製する。積層前の状態では、Al層1およびZn層2a,2bはいずれも大気に曝されているため、図2に示すようにAl層1およびZn層2a,2bの表面は大気中の酸素と反応してそれぞれAl酸化膜20およびZn酸化膜21a,21bで覆われている。圧延によりAl層1およびZn層2a,2bを大きく変形させることで、Al層1とZn層2a,2bとの接触界面3a,3bにおいてAl層1の表面を覆うAl酸化物20およびZn層2a,2bの表面を覆うZn酸化物21a,21bの膜が破れて、酸化膜に覆われていないAl層1とZn層2a,2bとがそれぞれ直接接触して金属接合し、複合材料101が作製される。また、クラッド圧延の代わりに、図4のように金型18に積層部材102を設置しプレス加工を施すことで、複合材料101を作製してもよい。この場合も、Al層1およびZn層2a,2bを大きく変形させることで、Al層1とZn層2a,2bの接触界面3a,3bにおいてAl酸化物20とZn酸化物21a,21bの膜が破れた状態で、Al層1とZn層2a,2bとをそれぞれ金属接合し、複合材料101を作製することができる。
接続前の様子は図1(a)に示すように、半導体素子4、複合材料101、被接続部材5とが層状に配置されており、半導体素子4の表面および被接続部材5の表面には、露出部の変色および酸化を防ぐためにNi系メタライズ層9a,9bがそれぞれ施されている。このとき複合材料101は、図3または図4で示したような方法により作製され、酸化膜に覆われていないAl層1とZn層2a,2bとの直接接触により金属接合したZn層2a、Al層1、Zn層2bを有して構成される。
図1(a)に示したこれらの部材を加熱したときの様子は図1(b)に示すように、加熱によりAl層1とZn層2a,2bとの接続界面ではAl分子とZn分子との拡散が始まり、Zn-Al共晶温度(381℃)以上の温度になるとAl層1とZn層2a,2bとの接続界面で溶融が始まり、Zn-Al共晶組成近傍の合金組成のZn-Alの液相30a,30bが形成される。溶融がさらに進んだ様子は図1(c)に示すように、溶融部がさらに拡がることにより、Zn-Alの液相30a,30bを介してAlとNi系メタライズ9a,9bとがそれぞれ反応してNi-Al化合物層40a,40bが形成される。また、Al層1とZn層2a,2bとの反応により、Zn-Alの液相30a,30bおよびAlのZn固溶体層6a,6bが形成される。
接続後冷却して凝固した状態は図1(d)に示すように、半導体素子4と被接続部材5とが接続層100aを介して接続される。接続層100aはZn-Al合金層31a、Al層1、Zn-Al合金層31bを有し、Zn-Al合金層31a,31bはAlのZn固溶体層6a,6bとZn-Al共晶層7a,7bとをそれぞれ有する。Zn-Al共晶層7a,7bおよびAlのZn固溶体層6a,6bにより構成されるZn-Al合金層31a,31bは金属間化合物ではないため、半導体装置4と被接続部材5との接続部が脆化することがなく、高い接続信頼性が得られる。
ここでは、半導体素子4と被接続部材5との接続に、図3および図4に示したような、酸化膜に覆われていないAl層1とZn層2a,2bとの直接接触により金属接合して作製した複合材料101を用いることにより、濡れ性の低下を起こすことなく良好な接続を実現することができる。
また、接続層100aにAl層1の一部が溶融せずに残っていることで、硬度の低いAl層1が半導体素子4に生じる応力を緩衝するため、接続後冷却時あるいは温度サイクル時等の熱衝撃発生時の半導体素子4の破壊を抑制することができる。
このとき、図1(a)に示した接続前の複合材料101のAl層1の厚さは30μm以上200μm以下、Zn層2a,2bの厚さは5μm以上50μm以下であることが望ましい。Al層1の厚さが200μmより厚くなると、Al層1の剛性が大きくなり、熱応力発生時にAlが反り等の変形ができなくなり、応力緩衝能が低下する恐れがある。また、Zn層2a,2bの厚さが5μm未満の場合、接続部全域の濡れを確保することが難しくなる。さらに、Al層1とZn層2a,2bとの反応によりAl層1が消失してしまうことで接続部の応力緩衝能が低下する恐れがあるため、Al層1の厚さが30μm以上でZn層2a,2bの厚さが50μm未満であることが望ましい。
また、図1(a)に示す接続前の半導体素子4とNi系メタライズ層9aとの間に、Ti,Pt,Cr,Vのうち少なくとも1つのメタライズ層を設けていてもよい。一般的に半導体素子4に用いられることの多いSiはNiと反応しやすいため、SiとNiとが反応してNiメタライズ層9a,9bが消失することを抑制できる。
また、図1(a)に示す接続前のNi系メタライズ層9aの複合材料101が配置された側の表面に、または、Ni系メタライズ9bの複合材料101が配置された側の表面に、Au,Ag,Ptのうち少なくとも1つのメタライズ層を有していてもよい。はんだ接続時にこれらのメタライズ層が溶融することで、接続界面に安定なNi-Al化合物が形成される。また、はんだ接続時のはんだの濡れを向上させることもでき、さらに、Ni系メタライズ層が酸化することを防ぐ効果もある。なお、このメタライズ層は、0.5μm以下であることが望ましい。0.5μm以下である場合には、Zn-Al合金中にAu,Ag,Pt の全てが溶融するため、接続界面には安定なNi-Al化合物が形成されるが、0.5μmより厚い場合、接続界面にNi-Al以外の化合物層が形成される恐れがあるためである。
このとき、Ni系メタライズ9a,9bがNiを主成分とする金属であれば、接続時に安定なNi-Al化合物層40a,40bを形成することができる。Ni系メタライズ層9a,9bとしては、Ni,Ni-P,Ni-B等を用いることができる。また、メタライズは、Ni系でなくAu系であってもよい。
<実施例1>
上記接続層を有する半導体装置の第一の実施例について、図5を用いて説明する。本発明に係る半導体装置500は、半導体素子4とリード電極体11と支持電極体13と接続層100b,100cとシリコーンゴム14とを有しており、半導体素子4とリード電極体11とは接続層100bを介して接続され、また、半導体素子4のリード電極体11が接続された側と反対側の面に、支持電極体13が接続層100cを介して接続されている。接続層100b,100cの周辺はシリコーンゴム14で硬化されている。この接続層100b,100cは図1(d)に示した接続層100aと同様に、Zn-Al合金層、Al層、Zn-Al合金層により形成されている。Al層が残っているため、Al層の柔らかさにより半導体素子4に生じる応力を緩衝することができ、接続後冷却時あるいは温度サイクル時等の熱衝撃発生時による半導体素子の破壊を抑止することができる。
また、半導体素子4にリード電極体11が接続されるため、より大電流を取り扱うことができる構造である。
このとき、熱膨張率差緩衝材12として、半導体素子4の熱膨張率と支持電極体13の熱膨張率の間の熱膨張率を有する部材を用いることが望ましい。この熱膨張率差緩衝材12により半導体素子4と支持電極間13の熱膨張率差に起因する応力が低減されるため、半導体素子4への応力集中の低減および接続層100d,100eへのクラック進展の遅延化が可能となり、高い接続信頼性を得ることができる。一般的に半導体素子4としてはSiを、また支持電極体13としてはCuを用いることが多く、この場合には熱膨張率差緩衝材12として、Cu/インバー合金/Cu複合材料、Cu/Cu2O複合材、Cu-Mo、Ti、Moのうちいずれかの部材を用いることが望ましい。これらの部材は半導体素子4の熱膨張率と支持電極体13の熱膨張率の間の熱膨張率を有する部材であり、また、Moは熱伝導率が高いため、Moを含む部材を用いることで半導体装置600の放熱性を向上させることができる。なお、熱膨張率差緩衝材12の厚さは30μm以上であることが望ましい。厚さが30μmより薄い場合には、応力を十分に緩衝できず、半導体素子4およびNi-Al化合物等の金属間化合物にクラックが発生する場合があるからである。
また、シリコーンゴム14の代わりにハードレジンにより接続層周辺を硬化させた構造であってもよい。ハードレジンの硬度は極めて高く、接続後冷却時および温度サイクル時の熱応力による半導体素子4、支持電極体13、リード電極体11等の熱膨張を抑制する働きをするため、熱膨張率差緩衝材が不要になり、半導体装置の小型化および製造プロセスの簡易化が可能である。
表1には接続実験に用いた複合材料の種類および厚さに関する条件を、表2には表1記載の複合材料および下記に示す材料を用いて行った接続実験の接続条件等および実験結果をそれぞれ示す。
表1記載の複合材料1乃至4、ZnおよびZn-6Al合金のそれぞれの材料に対して、5mm×5mm、厚さ0.4mmの半導体素子(Si、メタライズ:Ti/Ni/Au)と10mm×10mm、厚さ1mmのNiめっきCu板を、N2雰囲気中で接続した。複合材料1乃至4とZnは被接続材(Cu)に対して濡れたが、Zn-6Alは局所的にしか濡れなかったため接続時にスクラブを行い、強制的に濡れを確保した。接続後の冷却によって、接続材料1乃至4を用いて接続した半導体素子は破壊しなかったが、ZnおよびZn-6Alでは半導体素子が破壊する結果となった。これにより、実施形態1記載の複合材料1乃至4を用いて接続を行うことにより、接続部のAl層が接続後冷却時に半導体素子に生じる応力を緩衝する効果を得ることが分かった。
<実験2>
表3は、接続部材および被接続材等の各種条件を変えて、半導体装置作製時の接続性(濡れ性、半導体素子破壊)および250℃高温放置試験による接続性の検討を行った場合の条件設定と実験結果である。
図6に示す部材および接続部材の順序で、すなわちNiめっきをした支持電極体の上にAl層の上下面にZn層を有する複合材料、その上に、Niめっきをした熱膨張率差緩衝材(Cu/インバー/Cu複合材)、Al層の上下面にZn層を有する複合材料、Ni/Auのメタライズ層を有する半導体素子、Al層の上下面にZn層を有する複合材料、NiめっきをしたCu板付Cuリード電極体を積み重ね、位置合わせ治具内に置き、熱処理炉にて、窒素に水素50%を混合した還元性雰囲気で、420℃4min.の温度条件で接続した。また、接続部周辺にシリコーンゴムを注入後硬化させて、半導体装置を作製した。
接続性における濡れ性の評価は、接続後の外観観察で接続部端部まで接続されておらず隙間があるもの、または、断面観察で端部まで濡れ広がっていないことを確認したものを×とした。また、外観は問題が無いが、断面観察においてボイドが多発しているものを△とした。半導体素子破壊については、外観観察および断面観察により半導体素子にクラックが生じている場合を×とした。250℃高温放置試験については、1000h後に初期接続強度の80%以上の強度を有している場合を○、80%未満の強度の場合を×で表記した。
実施形態1乃至10の全てにおいて、良好な接続性(濡れ性、半導体素子破壊)が得られ、250℃高温放置試験においても初期接続強度の80%以上の強度を維持することを確認した。なお、上記では全体構造を同時に接続するプロセスについて述べたが、いくつかの部品に分けて接続しても良い。
比較形態1については、良好な濡れ性が得られたが、接続後冷却時に半導体素子が破壊したものが生じた。比較形態2については、各接続界面において未濡れで生じた隙間が観察された。これは、Zn-6Al合金の表面に形成されたAlの酸化物が濡れを阻害したためである。そこで、比較形態3のように、接続の際にスクラブすることにより、Zn-6Al表面に形成されたAlの酸化物膜を破り接続した。しかしながら、比較形態1と同様に半導体素子が破壊した。
実施形態1乃至6の場合、接続界面にNi-Al化合物層が形成されるのに対し、比較形態4では厚くCu-Al化合物が成長し、接続界面にボイドが多発した。これを250℃1000hの高温放置試験を行った結果、初期の80%以下に強度低下した。これには、実施形態1乃至6の接続界面に形成されるNi-Al化合物と比較形態4のCu-Al化合物との成長速度の違いが関係していると考えられる。Cu-Al化合物はNi-Al化合物に比べて成長が速いため、比較形態4の場合、250℃高温放置試験により、Cu-Al化合物が成長し、それに伴い接続界面にボイドが多数導入したために、接続強度が初期の80%以下に低下したと考えられる。
Ni系メタライズを施した支持電極体13の上に図3または図4に示した複合材料101を配置し、その上にNi系のメタライズ層を有する半導体素子4、複合材料101、Niメタライズを施したリード電極体11(Cu板付きCuリード)を積み重ね、位置合わせ治具(図示せず)内に置く(S701)。その後、熱処理炉(図示せず)にて、窒素に水素50%を混合した還元性雰囲気中で、420℃4分間の温度条件で接続する(S702)。加熱によりAl層とZn層との接続界面での拡散が生じ、Zn-Al共晶温度以上での加熱によりZn-Alの液層が形成される(図1(b)に相当)。その後溶融が進み、Al層の一部とNi系メタライズ層とが反応し、Ni-Al化合物層を形成し(図1(c)に相当)、半導体素子4と支持電極体13やリード電極体11等の被接続部材とを接続する。このときAl層1の一部については、Zn層2a,2bやNi系メタライズ層9a, 9bと反応しない純Alの部分を残した状態で反応を終了する。その後、接続層100b,100cの周辺にシリコーンゴム14を注入後、硬化させて半導体装置500を製造する(S703)。
Claims (19)
- 半導体素子と、
前記半導体素子の一方の側に形成された第一の接続部と、
前記第一の接続部を介して前記半導体素子と接続される被接続部材とを有し、
前記第一の接続部は、第一のAl層と前記第一のAl層の前記半導体素子側に形成された第一のZn-Al合金層と前記第一のAl層の前記被接続部材側に形成された第二のZn-Al合金層とを含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置であって、
前記第一のZn-Al合金層および前記第二のZn-Al合金層は、前記第一のAl層に隣接して形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または2記載の半導体装置であって、
前記半導体素子の前記一方の側に形成された第一のメタライズ層を有し、
前記第一の接続部は、前記第一のメタライズ層と前記第一のZn-Al合金層との間に前記第一のメタライズ層を構成する金属とAlとの化合物を含む層を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項3記載の半導体装置であって、
前記被接続部材の前記第一の接続部が接続されている側に形成された第二のメタライズ層を有し、
前記第一の接続部は、前記第二のメタライズ層と前記第二のZn-Al合金層との間に前記第二のメタライズ層を構成する金属とAlとの化合物を含む層を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項4記載の半導体装置であって、
前記第一のメタライズ層または前記第二のメタライズ層のいずれかのメタライズ層は、Ni系メタライズ層であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記半導体素子の他方の側に形成された第二の接続部と、
前記第二の接続部を介して前記半導体素子に接続されたリード電極体とを有し、
前記第二の接続部は、第二のAl層と前記第二のAl層の前記半導体素子側に形成された第三のZn-Al合金層と前記Al層の前記リード電極体側に形成された第四のZn-Al合金層とを含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第一の接続部は、前記第一のAl層、前記第一のZn-Al合金層および前記第二のZn-Al合金層を含む第一の接続層と、前記第一の接続層の前記被接続部材側に配置された第一の緩衝材と、前記第一の緩衝材と前記被接続部材との間に形成され、第三のAl層、前記第三のAl層の前記第一の緩衝材側に設けられた第五のZn-Al合金層および前記第三のAl層の前記被接続部材側に形成された第六のZn-Al合金層とを含む第二の接続層とを有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項6記載の半導体装置であって、
前記第二の接続部は、前記第二のAl層、前記第三のZn-Al合金層および前記第四のZn-Al合金層とを含む第三の接続層と、前記第三の接続層の前記リード電極体側に配置された第二の緩衝材と、前記第二の緩衝材と前記リード電極体との間に形成され、第四のAl層、前記第四のAl層の前記第二の緩衝材側に設けられた第七のZn-Al合金層および前記第四のAl層の前記リード電極体側に形成された第八のZn-Al合金層とを含む第四の接続層とを有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項7記載の半導体装置であって、
前記第一の緩衝材の有する熱膨張率は、前記半導体素子の有する熱膨張率と前記被接続部材の有する熱膨張率の間にあることを特徴とする半導体装置。 - 請求項8記載の半導体装置であって、
前記第二の緩衝材の有する熱膨張率は、前記半導体素子の有する熱膨張率と前記リード電極体の有する熱膨張率の間にあることを特徴とする半導体装置。 - 半導体素子と、
前記半導体素子の一方の側に形成された第一の接続部と、
前記第一の接続部を介して前記半導体素子と接続される被接続部材とを有し、
前記第一の接続部は、第一のAl層と前記第一のAl層の前記半導体素子側に形成された第一のZn-Al合金層と前記第一のAl層の前記被接続部材側に形成された第二のZn-Al合金層とを含む第一の接続層と、前記半導体素子の前記一方の側に形成された第一のメタライズ層と、前記第一のメタライズ層と前記第一の接続層との間に形成された前記第一のメタライズ層を構成する金属とAlとの化合物を含む層と、前記被接続部材の前記第一の接続層が形成されている側の表面に形成された第二のメタライズ層と、前記第二のメタライズ層と前記第一の接続層との間に形成された前記第二のメタライズ層を構成する金属とAlとの化合物とを有することを特徴とする半導体装置。 - 半導体装置の製造方法であって、
半導体素子、Al層の両面にZn層を積層した第一の複合材料、被接続部材の順に配置する第一工程と、
前記第一工程で配置した前記半導体素子、前記第一の複合材料、前記被接続部材とをZn-Al合金の共晶温度以上に加熱して、前記第一の複合材料のAl層を残すように、前記第一の複合材料のAl層の一部と前記第一の複合材料の第一のZn層および第二のZn層とをそれぞれ反応させて、第一のZn-Al合金層および第二のZn-Al合金層を形成する第二工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項12記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第一工程では、Al層の両面にZn層を積層し圧力をかけて前記Al層表面のAl酸化膜を破り、前記第一の複合材料を作製することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13記載の半導体装置の製造方法であって、
前記半導体素子の表面または前記被接続部材の表面にはメタライズ層が設けられており、前記第二工程では、前記Al層のAlと前記メタライズ層を形成する金属とが反応して化合物を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13または14記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第二工程の後に、前記半導体素子と前記被接続部材との接続部分の周辺をシリコーンゴムによりモールドする第三工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13または14記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第二工程の後に、前記半導体素子と前記被接続部材との接続部分の周辺をハードレジンによりモールドする第三工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13乃至16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第一工程では、クラッド圧延を用いて前記圧力をかけることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13乃至16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第一工程では、プレス加工を用いて前記圧力をかけることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至11のいずれかに記載の半導体装置を複数搭載して構成することを特徴とする車両用交流発電機。
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