JP2011060926A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いた接続を行う場合、接続部の熱抵抗を少なくとも現行の高鉛はんだ並みとするためには、接続部の厚さは現行のはんだの２倍（約１００μｍ）以下とする必要がある。またＡｌ層の応力緩衝能を十分に発現するためには、Ａｌ層の厚さを出来る限り厚くする必要がある。十分な接続性を得るためには、接続時に約２ｇ／ｍｍ２以上の荷重で加圧する必要があり、量産コストが著しく上昇してしまうという課題を有する。
【解決手段】
半導体素子と、フレームと、前記半導体素子と前記フレームとを接続する接続部と、を有し、前記接続部はＺｎ−Ａｌ合金を含み、前記接続部と前記半導体素子との界面および前記接続部と前記フレームとの界面は、Ａｌ酸化物膜の面積が界面全体の面積に対して０％以上５％以下であることを特徴とする半導体装置である。
【選択図】 図７

Description

本発明は、半導体装置に関する。

鉛は人体の神経や造血系への悪影響が明らかとなっており、欧州では自動車中の鉛使用を制限するＥＬＶ指令（Ｅｎｄ−ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ、廃自動車に関する指令）および電気・電子機器中の鉛使用を禁止するＲｏＨＳ（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）指令が２０００年１０月および２００６年７月にそれぞれ施行された。電気・電子機器の部品の電気的接続に使用されているはんだには、従来、鉛が含まれていた。はんだは、融点により高温、中温、低温の３種類に分けられるが、中温はんだとしてはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ‐Ｃｕ系はんだ等、低温はんだとしてはＳｎ‐Ｂｉ系はんだ、Ｓｎ‐Ｉｎ系はんだ等がすでに開発・実用化され、ＥＬＶ指令、ＲｏＨＳ指令に適合してきた。ところが、これらのはんだの鉛の含有率は８５％以上と高く、高融点を有する高鉛はんだに代わる鉛フリーの高耐熱接続材料が開発されていないため、高鉛はんだについては上記ＥＬＶ指令、ＲｏＨＳ指令の対象除外になっている。しかしながら、高鉛はんだは、構成成分として８５ｗｔ．％以上の鉛を含有しており、ＲｏＨＳ指令で禁止されているＳｎ‐Ｐｂ共晶はんだに比べて環境への負荷が大きい。よって、高鉛はんだに代わる代替接続材の開発が切望されている。

特許文献１（特許３８５０１３５号公報）には「Ａｌを１〜９質量％含み、Ｇｅを０．０５〜１質量％含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる高温はんだ付用Ｚｎ合金」が開示されている。
また、特許文献２（特許３９４５９１５号公報）には「Ａｌを１〜９質量％含み、Ｍｇを０．０５質量％以上０．５質量％未満、Ｇａを０．１〜８質量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるはんだ用Ｚｎ合金」が開示されている。
また、特許文献３（特開２００８‐１２６２７２号）には「Ａｌ系合金層の最表面にＺｎ系合金層を設けたものである。特に、Ａｌ系合金層のＡｌ含有率が９９〜１００ｗｔ．％、または、Ｚｎ系合金層のＺｎ含有率が９０〜１００ｗｔ．％である接続材料」が開示されている。

ここで、従来の高耐熱接続の適用例を図１および図２を用いて説明する。図１は従来の半導体装置の構造の一例を示す図であり、図２は従来の半導体装置において、再溶融したはんだによるフラッシュが発生した場合の説明図である。

図１に示すように、半導体装置７は、半導体素子１がフレーム２上にはんだ３により接続（ダイボンディング）され、ワイヤ４によりリード５のインナーリードと半導体素子１の電極がワイヤボンディングされた後、封止用のレジン６あるいは不活性ガスにより封止されて製造される。
この半導体装置７は、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系の中温の鉛フリーはんだによりプリント基板にリフローはんだ付けされる。Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系鉛フリーはんだの融点は約２２０℃と高く、リフロー接続の際に接続部が最高２６０℃まで加熱されることが想定される。そのため、リフロー接続の際に接続（ダイボンディング）部が再溶融しないように、ダイボンディングには、２９０℃以上の融点を有する高鉛はんだが使用される。

現在、既に開発されているＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系等の中温鉛フリーはんだは融点が約２２０℃であるため、半導体素子のダイボンディングに使用した場合、半導体装置をプリント基板にリフロー接続する際にはんだが溶融してしまう。接続部周りがレジンでモールドされている場合、内部のはんだが溶融すると、溶融時の体積膨張により、図２に示すように、フラッシュといって、封止用のレジン６とフレーム２の界面からはんだ３が漏れ出すことがある。あるいは、漏れ出さないまでも、漏れ出そうと作用し、その結果、凝固後にはんだの中に大きなボイド８が形成され不良品となる。代替材料の候補としては、融点の面からＡｕ‐Ｓｎ、Ａｕ‐Ｓｉ、Ａｕ‐Ｇｅ等のＡｕ系はんだ、Ｚｎ、Ｚｎ‐Ａｌ系のはんだ及びＢｉ、Ｂｉ‐Ｃｕ、Ｂｉ‐Ａｇ等のはんだが報告されており、世界中で検討が進められている。

しかしながら、Ａｕ系のはんだは、構成成分としてＡｕを８０ｗｔ．％以上含有しており、コストの面で汎用性に難があり、また硬くて脆いハードソルダーである。Bi系はんだは、熱伝導率が約９Ｗ／ｍ・Ｋと現行の高鉛はんだより低く、高放熱性が要求されるパワー半導体装置およびパワーモジュール等への適用は難しいと推定できる。また、このはんだも硬くて脆い。また、Ｚｎ及びＺｎ‐Ａｌ系はんだは、約１００Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を有するが、濡れにくく（特にＺｎ‐Ａｌ系はんだ）、はんだが硬く、熱膨張率が大きいため、接続後の冷却時に熱応力によって半導体素子が破壊しやすい等の問題がある。また、純Ｚｎは反応性が高く、高温で界面反応が著しく進むため、たとえ良好な接続が得られたとしても、高耐熱性が得られない。

またＺｎ‐Ａｌ系はんだの課題である濡れにくいこと及び硬いことを解決する接続材として、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いる方法が開示されている。開示内容によれば、表面のＺｎ層により濡れ性（接続性）を確保でき、内層のＡｌは金属の中では軟らかいため、応力緩衝能があり、接続信頼性を確保できるとしている。また、Ｚｎ及びＡｌの融点は夫々４２０℃、６６０℃であり、ＺｎとＡｌの拡散により生成するＺｎ‐Ａｌ共晶（Ｚｎ‐６Ａｌ）の融点も３８２℃であるため、接続材は高融点であり、高耐熱性を有する。

特許３８５０１３５号公報 特許３９４５９１５号公報 特開２００８‐１２６２７２号公報

特許文献１および特許文献２記載のＺｎ‐Ａｌ系はんだの場合、Ａｌが成分であるために、溶融した瞬間にＡｌ酸化物膜が表面に形成され、機械的に酸化物膜を破らなければ十分な濡れが得られない。その場合には、接続できた場合であっても、ごく局所的にしか接続しないため非常に低い接続強度しか得られず、実用には耐えないという課題を有する。

一方、特許文献３に記載のＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いた接続に関して本発明者が検討したところ、接続性および接続信頼性が得られることは確認できたが、接続部の熱抵抗を少なくとも現行の高鉛はんだ並みとするためには、接続部の厚さは現行のはんだの２倍（約１００μｍ）以下とする必要があることが判明した。またＡｌ層の応力緩衝能を十分に発現するためには、Ａｌ層の厚さを出来る限り厚くする必要がある。これらにより、Ｚｎ層の厚さは１０〜２０μｍと薄くせざるを得ない。Ｚｎ層の厚さが薄い場合、十分な接続性を得るためには、被接続材の接続面とＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材のＺｎ層を密着させる必要があり、そのためには、接続時に約２ｇ／ｍｍ２以上の荷重で加圧する必要があることが判明した。また、特許文献３にも接続時に加圧が必要な旨が明記されている。接続時にたとえ低荷重でも加圧が必要となると、量産コストが著しく上昇してしまう。また、製品によっては適用が困難となる場合もある。
従来のＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いた接続においては、接続時に加圧を必要とする点が課題である。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
（１）半導体素子と、フレームと、前記半導体素子と前記フレームとを接続する接続部とを有し、前記接続部はＺｎ−Ａｌ合金を含み、前記接続部と前記半導体素子との界面および前記接続部と前記フレームとの界面は、Ａｌ酸化物膜の面積が界面全体の面積に対して０％以上５％以下であることを特徴とする半導体装置である。
（２）（１）記載の半導体装置であって、前記接続部はＺｎ層、Ａｌ層、Ｚｎ層からなるクラッド材を加熱することにより形成されることを特徴とする半導体装置である。
（３）（２）記載の半導体装置であって、前記クラッド材の前記Ａｌ層の厚さが１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする半導体装置である。

本発明によれば、加圧をせずに接合することが可能となる。

従来の半導体装置の構造を示す図である。 図１の半導体装置において、再溶融したはんだによるフラッシュを説明する図である。 本発明の実施形態に係る接続材料の製造方法の一例を示す図です。 本発明の実施形態に係る接続材料の製造方法の別の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る接続材料の断面の一例である。 本発明の実施形態にて用いる接続材料の各層の厚さを示す図である。 本発明の実施例１における半導体装置の一例を示す図である。 図７の半導体装置における接続材料による接続部の断面写真を示す図である。 図７の半導体装置において、濡れ性、応力緩衝性および接続時加圧要否の結果を比較例と共に示す図である。 図９の応力緩衝性の結果判定の基となる温度サイクル試験結果の一部を比較例と共に示した図である。 本発明の実施例の半導体装置の一例を示す図である。 図１１の半導体装置において、接続材料一体型の金属キャップを示す図である。 図１１の半導体装置において、図１１の半導体装置において、濡れ性および接続時加圧要否の結果を比較例と共に示す図である。 本発明の実施形態に係る接続材料を半導体装置のバンプとして用いた図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図５は、本発明の実施形態に係る接続材料の断面の一例である。下から順にＺｎ層（以後「Ｚｎ」とも記す）１０１、Ａｌ層（以後「Ａｌ」とも記す）１０２、Ｚｎ層（以後「Ｚｎ」とも記す）１０１が積層されている。
ここで、中間のＡｌ層の厚さは１０μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。後述の通り、Ｚｎ層／Ａｌ層／Ｚｎ層の厚さ比が１：０．５２：１よりＡｌ層の割合が大きいことが望ましく、接続信頼性を確保するためには総厚は最低４８ミクロン以上必要であるため、Ａｌ層の厚さは最低１０ミクロン必要となる。つまり、Ａｌ層の厚さが１０ミクロン以上あれば、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎ層の総厚（接続部の厚さ）が４８ミクロン以上となり、接続信頼性を確保することが可能となる。５０μｍ以下と薄いと、接続時の熱負荷（接続温度、接続時間）によるＺｎ層とＡｌ層の反応により、Ａｌ層を完全に消失させることができる。

また、接続材料のＺｎ層／Ａｌ層／Ｚｎ層の厚さ比が１：０．５２〜０．５９：１よりＡｌ層の割合が大きいことが望ましい。Ｚｎ層／Ａｌ層／Ｚｎ層の厚さ比が上記範囲内の場合、Ａｌが完全に消失した際、接続部のＡｌ含有率が９ｍａｓｓ％以上となり、これにより、接続部のＡｌリッチのＺｎ‐Ａｌ相の割合がＺｎ‐６Ａｌ相の２０％以上と多くなるため、クラックの進展が阻害され、応力緩衝性、すなわち接続信頼性が向上するためである。また、１：０．５９：１よりＡｌ層を厚くすると、接続部のＡｌ含有率が１０ｍａｓｓ％よりも大きくなり、この場合、接続温度４２０℃ではＡｌ層が完全に消失せず、より高い温度に上げなければならなくなるという課題がある。

図３は、本発明の実施形態に係る接続材料の製造方法の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る接続材料は、Ｚｎ層１０１ａ、Ａｌ層１０２ａ、Ｚｎ層１０１ａをこの順に重ねて積層し、圧延加工、すなわちクラッド圧延を行うことで製造する。ローラー１０３を用いて圧延を行うと、Ｚｎ層１０１ａとＡｌ層１０２ａが接触すると同時に圧力によって大きな変形が生じるため、Ｚｎ層１０１ａ及びＡｌ層１０２ａの表面に形成されていた酸化物膜が破れ、新生面により金属接合される。下記の実施例１〜３０では、上記方法を用いて本発明の実施形態に係る接続材料（Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材）を作製した。

また、図４は、本発明の実施形態に係る接続材料の製造方法の別の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る接続材料は、Ｚｎ層１０１ｂ、Ａｌ層１０２ｂ、Ｚｎ層１０１ｂをこの順に重ねて積層し、加圧成形を行うことで製造することもできる。加圧成型機１０４を用いて加圧成形を行うと、Ｚｎ層１０１ｂとＡｌ層１０２ｂが接続すると同時に圧力によって大きな変形が生じるため、Ｚｎ層１０１ｂ及びＡｌ層１０２ｂの表面に形成されていた酸化物膜が破れ、新生面により金属接合される。加圧成形において、ＺｎとＡｌの拡散が顕著になる温度まで熱負荷がかからないようにすれば、Ａｌが表面のＺｎ層を拡散して最表面まで達することはなく、接続時に良好な濡れを得ることが可能となる。

上記製造方法により作製したＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いて、半導体装置の内部のダイボンディングを行った。具体的には、半導体素子と、該半導体素子を接続するフレームと、一端が外部端子となるリードと、該リードの他端と該半導体素子の電極とを接続するワイヤと、該半導体素子および該ワイヤを樹脂封止するレジンとを有する半導体装置において、該半導体素子と該フレームとの接続に該Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いた。接続時の熱負荷はＡｌ層が消失し、接続部全体が完全に溶融するように、接続温度４００℃以上、接続時間２ｍｉｎ以上とした。接続部全体が溶融するため、接続時の加圧なしでも十分な濡れを確保することができた。接続後、接続部は大部分がＺｎ‐Ａｌ合金からなり（一部Ｚｎ相が残る場合もある）、接続部と半導体素子の界面および接続部とフレームの界面にＡｌ酸化物はほとんど存在せず、それぞれの界面に存するＡｌ酸化物膜の面積はそれぞれの界面全体の面積に対して５％以下であった。界面に存在するＡｌ酸化物は金属の濡れを阻害するため、Ａｌ酸化物が存在している部分は金属接合していない。よって、これが界面全体の面積に対して５％以下の場合は十分な接合強度を得ることができる。

また、接続部は、大部分がＺｎ‐Ａｌ合金からなる（一部Ｚｎ相が残る場合もある）ため、この中で最も融点が低いのはＺｎ‐６Ａｌ共晶３８２℃となる。つまり、当該接続部は３８０℃の耐熱性も有していることになる。さらに、Ａｌ層は消失しているが、Ｚｎ‐Ａｌ合金相中には硬くて脆い金属間化合物相が存在しないため（ＺｎとＡｌは金属間化合物を形成しない）、応力緩衝性、すなわち接続信頼性を有する。

特に、接続材料のＺｎ層／Ａｌ層／Ｚｎ層の厚さ比が１：０．５２〜０．５９：１よりＡｌ層が厚くなるようにして、Ａｌが完全に消失した際、接続部のＡｌ含有率が９ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下となるようにすることが望ましい。１：０．５２：１よりＡｌ層が厚くなるようにすることにより、Ａｌが完全に消失した際、接続部のＡｌ含有率が９ｍａｓｓ％よりも大きくなり、これにより、接続部のＡｌリッチのＺｎ‐Ａｌ相の割合が、Ｚｎ‐６Ａｌ相の２０％以上と多くなるため、これによりクラックの進展が阻害され、応力緩衝性、すなわち接続信頼性が向上する。また、１：０．５９：１よりＡｌ層を厚くすると、接続部のＡｌ含有率が１０ｍａｓｓ％よりも大きくなり、この場合、接続温度４２０℃ではＡｌ層が完全に消失せず、より高い温度に上げなければならなくなるためである。

本発明の実施形態に係る接続材料（Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材）を、半導体装置の内部の気密封止部の接続およびダイボンディングに用いることもできる。
具体的には、半導体素子と、該半導体素子を接続する基板と、一端が外部端子となるリードと、該リードの他端と該半導体素子の電極とを接続するワイヤと、該半導体素子および該ワイヤを気密封止し、該基板に接続する金属キャップとを有する半導体装置において、該基板と該金属キャップとの接続に前記のＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いた。接続時の熱負荷はＡｌ層が消失し、接続部全体が完全に溶融するように、接続温度４００℃以上、接続時間２ｍｉｎ以上とした。接続部全体が溶融するため、接続時の加圧なしでも十分な濡れを確保することができた。接続後、接続部はＺｎ‐Ａｌ合金からなり（一部Ｚｎ相が残る場合もある）、基板と接続部の界面および接続部と金属キャップの界面にＡｌ酸化物はほとんど存在せず、それぞれの界面に存するＡｌ酸化物膜の面積はそれぞれの界面全体の面積に対して５％以下であった。これにより十分な接合強度が得られた。

また、接続部は、Ｚｎ‐Ａｌ合金からなる（一部Ｚｎ相が残る場合もある）ため、この中で最も融点が低いのはＺｎ‐６Ａｌ共晶３８２℃となる。つまり、当該接続部は３８０℃の耐熱性も有していることになる。さらに、Ａｌ層は消失しているが、Ｚｎ‐Ａｌ合金相中には硬くて脆い金属間化合物相が存在しないため（ＺｎとＡｌは金属間化合物を形成しない）、応力緩衝性、すなわち接続信頼性を有する。特に、接続材料のＺｎ層／Ａｌ層／Ｚｎ層の厚さ比が１：０．５２〜０．５９：１よりＡｌ層が厚くなるようにして、Ａｌが完全に消失した際、接続部のＡｌ含有率が９ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以上となるようにすることが望ましい。１：０．５２：１よりＡｌ層が厚くなるようにすることにより、Ａｌが完全に消失した際、接続部のＡｌ含有率が９ｍａｓｓ％よりも大きくなり、これにより、接続部のＡｌリッチのＺｎ‐Ａｌ相の割合が、Ｚｎ‐６Ａｌ相の２０％以上と多くなるため、これによりクラックの進展が阻害され、応力緩衝性、すなわち接続信頼性が向上する。また、１：０．５９：１よりＡｌ層を厚くすると、接続部のＡｌ含有率が１０ｍａｓｓ％よりも大きくなり、この場合、接続温度４２０℃ではＡｌ層が完全に消失せず、より高い温度に上げなければならなくなるためである。
また、この半導体装置のダイボンディングに、本発明の実施形態に係る接続材料（Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材）を用いた場合も同様な結果が得られた。

本発明の実施形態に係る接続材料（Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材）を、半導体装置の内部の半導体素子と基板の接続に用いることもできる。この場合も、半導体装置の内部のダイボンディングを行った場合や、半導体装置の内部の気密封止部の接続に用いた場合と同様の効果を得ることができる。

図６は、本実施例にて用いる接続材料（クラッド材１乃至８）の各層の厚さを示す図である。例えば、クラッド材１は、Ｚｎ層、Ａｌ層、Ｚｎ層の厚さがそれぞれ１９μｍ、１０μｍ、１９μｍであり、以下同様に表記してある。ここで、クラッド材１乃至４が本発明の実施例にて用いた接続材料、クラッド材５乃至７が比較例として用いた接続材料である。

以下に示す実施例で用いるＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材は、図３または図４において示した接続材料の製造方法を用いて作製したものである。（実施例１乃至１２）
図７は、本発明の実施例１における半導体装置の一例を示す図である。半導体装置１１は、半導体素子１と、この半導体素子１を接続するフレーム２と、一端が外部端子となるリード５と、このリード５の他端と半導体素子１の電極とを接続するワイヤ４と、半導体素子１およびワイヤ４を樹脂封止する封止用のレジン６とを有し、半導体素子１とフレーム２は接続部１０で接続されて構成される。
半導体素子１とフレーム２との間に図３または図４記載の製造方法にて製造された接続材料を配置し、図３または図４記載の接続材料を用いて接続部１０を介して半導体装置１１をダイボンディングしたものである。

次に、図７記載の半導体装置１１の製造方法を説明する。この半導体装置１１の製造においては、ＮｉあるいはＮｉ／ＡｇあるいはＮｉ／Ａｕめっきを施したフレーム２上に、図３または図４記載の製造方法にて製造された接続材料を配置し、大きさ５ｍｍ角の半導体素子１を積層した後、加圧なしでＮ２雰囲気中で４００〜４２０℃、２〜５ｍｉｎ．加熱してダイボンディングを行った。その際の接続部（Ｚｎ−Ａｌ合金）１０の断面を図８に示す。接続材料（Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材）のＡｌ層の厚さは５０μｍ以下と薄いため、接続時の加熱によりＺｎとＡｌが反応することによりＡｌ層が消失し、接続部が完全に溶融した。これにより加圧なしで接続することができた。加熱後、接続部１０はＺｎ‐Ａｌ合金相となった。その後、半導体素子１とリード５間をワイヤ４でワイヤボンディングし、１８０℃で封止用のレジン６で封止を行った。

図９は、図６記載のクラッド材１乃至４のそれぞれについて、ダイボンディング時の濡れ性およびダイボンディングのみを行った試料を−５５℃／１５０℃（１５ｍｉｎ／１５ｍｉｎ）で温度サイクル試験を行った際の各サイクル数における接続部断面のクラック進展率から応力緩衝性を評価した結果である。図９の応力緩衝性の結果判定のもととなる温度サイクル試験結果の一部を、比較例１乃至１８と共に図１０に示す。

濡れ性については、半導体素子の面積（２５ｍｍ２）に対して９０％以上の濡れが得られた場合に〇、９０％未満７５％以上の場合を△、７５％未満の場合を×とした。応力緩衝性については、クラック進展率が現行のＰｂ‐１．５Ａｇ‐５Ｓｎはんだ以下の場合を〇、現行のＰｂ‐１．５Ａｇ‐５Ｓｎはんだの１２５％以下の場合を△、１２５％を超える場合を×とした。なお‐は、接続せず、温度サイクル試験、すなわち応力緩衝性の評価ができなかった場合を示す。

この評価の結果、クラッド材１乃至４（Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎ）の接続材料を用いて接続した場合、何れも９０％以上の濡れ性が得られた。応力緩衝性については、総厚が５０μｍと薄いクラッド材１は、クラック進展率が現行のＰｂ‐１．５Ａｇ‐５Ｓｎはんだの１００〜１２５％となり、△となったが、クラッド材２乃至４は、クラック進展率が何れも現行のＰｂ‐１．５Ａｇ‐５Ｓｎはんだ以下となり、〇となった。

一方、比較例１乃至９（図６のクラッド材５乃至７を使用）の場合は、十分な接続性を得るために、被接続材の接続面とＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材のＺｎ層を密着させることが必要で、そのために、接続時に１．７５ｇ／ｍｍ２の荷重で加圧する必要があった。このようにして作製した試料の濡れ性、応力緩衝性は何れも〇であった。

また、比較例１０〜１２（Ｚｎ‐６Ａｌ‐５Ｇｅ）の場合は、溶融したＺｎ‐Ａｌ合金の表面に強固なＡｌ酸化物膜が形成されているため、何れもフレームに対して７５％未満の濡れとなり、ほとんど濡らすことができなかった。よって、応力緩衝性の評価を行うことができなかった。比較例１３〜１５（Ｚｎ）の場合、Ｚｎの融点４２０℃以上の温度で接続を行うことで、９０％以上の濡れが得られた。しかしながら、接続後の冷却時に半導体素子とＣｕ製フレームの熱膨張率差によって生じる熱応力を緩和できず、半導体素子が破壊するものが生じた。破壊を免れたものについて、温度サイクル試験を行ったところ、半導体素子の破壊が生じた。比較例１６〜１８（現行のＰｂ‐１．５Ａｇ‐５Ｓｎ）の場合、濡れ性、応力緩衝性は何れも〇であった。本検討では接続時に０．０２ｇ／ｍｍ２の荷重で加圧したが、加圧無しでも接続可能である。しかしながら、本比較材料は鉛を９３．５ｍａｓｓ％も含む。

以上により、実施例１乃至１２によれば、本発明の実施例における接続材料（図３または図４に記載）を、半導体装置１１のダイボンディングに用いて接続することにより、Ａｌ層が５０μｍ以下と薄いため、接続時の加熱によりＺｎとＡｌが反応してＡｌ層が消失し、接続部が完全に溶融し、これにより加圧なしで接続することができることが分かった。
（実施例１３乃至２４）
図１１は、本発明の実施例の半導体装置の一例を示す図である。実施例１３乃至２４は、図１１に示すように、気密封止を必要とする半導体装置２１の封止材として図３または図４記載の接続材料を用いて接続されたものである。この半導体装置２１は、半導体素子１と、この半導体素子１を接続するモジュール基板２３と、一端が外部端子となるリード５と、このリード５の他端と半導体素子１の電極とを接続するワイヤ４と、半導体素子１およびワイヤ４を気密封止し、モジュール基板２３に、半導体素子１及びチップ部品等をＳｎ系の鉛フリーはんだ３、もしくは導電性接着剤、Ｃｕ粉／Ｓｎ系はんだ粉複合材等で接続した後、接続材料１０ａをモジュール基板２３と金属キャップ２２の間に置き、加圧なしで４００〜４２０℃、２〜５ｍｉｎ．加熱して接続を行った。接続材料（Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材）のＡｌ層の厚さは５０μｍ以下と薄いため、接続時の加熱によりＺｎとＡｌが反応することによりＡｌ層が消失し、接続部が完全に溶融した。これにより加圧なしで接続することができた。加熱後、接続部１０ａはＺｎ‐Ａｌ合金相となった。
なお金属キャップについては、気密封止を行うために、図１２に示すように、コバール、インバー等の金属合金２４とＡｌ層１０２及びＺｎ層１０１を一緒にクラッド圧延で加工して、接続材料一体型の金属キャップ２２ａとしても構わない。

実施例１３〜２４（図６のクラッド材１乃至４を使用）について、封止時の濡れ性について評価した結果を図１３に示す。濡れ性については、封止面積に対して気密が維持可能な濡れが得られた場合に〇、ボイド、クラック等で気密を維持できない場合を×とした。この評価の結果、クラッド材１乃至４（Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎ）の接続材料を用いて接続した場合、何れも９０％以上の濡れ性が得られた。

一方、比較例１９〜２４（図６のクラッド材５、６を使用）の場合は、十分な接続性を得るために、被接続材の接続面とＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材のＺｎ層を密着させることが必要であり、そのために、接続時に１．７５ｇ／ｍｍ２の荷重で加圧する必要があった。このようにして作製した試料の濡れ性は何れも〇であった。比較例２５乃至２７（Ｚｎ‐６Ａｌ‐５Ｇｅ）の場合は、溶融したＺｎ‐Ａｌ合金の表面に強固なＡｌ酸化物膜が形成されているため、未濡れおよびボイドにより気密封止ができなかった。

以上により、実施例１３〜２４によれば、本実施例における接続材料１０ａを、半導体装置２１の封止材として用いることにより、Ａｌ層が５０μｍ以下と薄いため、接続時の加熱によりＺｎとＡｌが反応してＡｌ層が消失し、接続部が完全に溶融し、これにより加圧なしで接続することができる。

図１４は、フリップチップ実装を必要とする半導体装置３１のバンプ１０ｂとして本発明の実施形態に係る接続材料（図３または図４記載）を用いたものである。この半導体装置３１は、半導体素子１を有し、この半導体素子１とこれを実装する基板３４は接続材料１０ｂで接続されて構成される。
この半導体装置３１の製造においては、接続材料１０ｂを、基板３４のＣｕ配線３５にＮｉ又はＮｉ／Ａｕめっき３６を施したパッドと、半導体素子１のＡｌ配線３２にＺｎめっき３３を施した電極の間に置き、３８０℃で加圧無しで接続を行った。
この他の実施例においても、本実施例における接続材料１０ｂを、半導体装置３１のバンプとして用いることにより、加圧無しで接続することができる。

以上、本発明者によってなされた発明の実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

すなわち、上記説明では、本発明の適用について、半導体装置のダイボンディングを例に挙げて説明したが、ダイボンディングさせる半導体装置であれば多様な半導体装置に適用できる。これらには、たとえば、オルタネータ用ダイオード、ＩＧＢＴモジュール、ＲＦモジュール等のフロントエンドモジュール、自動車用パワーモジュール等が挙げられる。

また、上記説明では、半導体装置をモジュール基板にリフロー実装する場合を例に挙げて説明したが、たとえば、ＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）構成に使用する場合にも当然に適用できるものである。

本発明の半導体装置は、パワーデバイス、パワートランジスタ、パワーモジュール、ＬＳＩ等の半導体装置として利用可能である。特にダイボンディング、気密封止、フリップチップボンディング等の接続部が鉛フリーである半導体装置として利用可能である。

１ ・・・ 半導体素子、２ ・・・ フレーム、３ ・・・ はんだ、４ ・・・ ワイヤ、５ ・・・ リード、６ ・・・ レジン、７ ・・・ 半導体装置、８ ・・・ ボイド、１０、１０ａ、１０ｂ ・・・ 接続材料、１１ ・・・ 半導体装置、２１ ・・・ 半導体装置、２２、２２ａ ・・・ 金属キャップ、２３ ・・・ モジュール基板、２４ ・・・ 金属合金、３１ ・・・ 半導体装置、３２ ・・・ Ａｌ配線、３３ ・・・ Ｚｎめっき、３４ ・・・ 基板、３５ ・・・ Ｃｕ配線、３６ ・・・ Ｎｉ又はＮｉ／Ａｕめっき、１０１ ・・・ Ｚｎ層、１０２ ・・・ Ａｌ層、１０３ ・・・ ローラー、１０４ ・・・ 加圧成形機

Claims (8)

1. 半導体素子と、
   フレームと、
   前記半導体素子と前記フレームとを接続する接続部と、を有し、
   前記接続部はＺｎ−Ａｌ合金を含み、
   前記接続部と前記半導体素子との界面および前記接続部と前記フレームとの界面は、Ａｌ酸化物膜の面積が界面全体の面積に対して０％以上５％以下であることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置であって、
   前記接続部はＺｎ層、Ａｌ層、Ｚｎ層からなるクラッド材を加熱することにより形成されることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２記載の半導体装置であって、
   前記クラッド材の前記Ａｌ層の厚さが１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項２または３に記載の半導体装置であって、
   前記接続部は前記クラッド材を加熱することでＡｌ層が残っていないことを特徴とすることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項２乃至４のいずれかに記載の半導体装置であって、
   前記接続部は、前記クラッド材を加圧することなく形成されていることを特徴とする半導体装置。
6. 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、
   前記接続部はＺｎ−Ａｌ合金のみからなることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項２乃至６のいずれかに記載の半導体装置であって、
   前記クラッド材のＺｎ層、Ａｌ層およびＺｎ層の厚さ比が１：（０．５２〜０．５９）：１であることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載の半導体装置であって、
   前記接続部のＡｌ含有率が９ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする半導体装置。

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