JP2011189399A - 接続材料の製造方法、接続材料及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｚｎ系合金とＡｌ系合金のクラッド材熱処理時のボイド発生を低減させ、接続信頼性を向上することを可能とする接続材料の製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも第一のＺｎ系合金層１０１の上にＡｌ系合金層１０２を重ね、前記Ａｌ系合金層１０２の上に第二のＺｎ系合金層１０１を重ねて、クラッド圧延により圧延率を６０％以上で接続材料１０を製造する方法である。
【選択図】図３

Description

本発明は高耐熱接続材料であるＺｎ系合金とＡｌ系合金のクラッド材を熱処理した時に発生するボイドを低減した接続材料の製造方法、接続材料及びそれを用いた半導体装置に関するものである。

本発明者等が検討した技術として、接続材料を用いた半導体装置について、図７及び図８を用いて説明する。図７は、従来の半導体装置の構造を示し、図８は、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。

図７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℃である為、リフロー接続の際には接続部が最高２６０℃まで達することが想定される。したがって、温度階層を目的として半導体装置内部の半導体素子の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。しかし、高鉛はんだは８５ｗｔ．％以上の鉛を含有している為、２００６年７月より施行されている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、高鉛はんだに替わる接続材の開発が切望されている。

現在、使用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等のはんだは融点が２６０℃以下である為、半導体素子のダイボンディングに使用した場合、２次実装時（最高温度２６０℃）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、はんだ溶融時の体積膨張により、図８に示すように、フラッシュと呼ばれる封止用レジン６とフレーム２の界面からはんだ３が漏れ出す現象が起こりうる。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系のはんだおよび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Ａｕを８０ｗｔ．％以上含有している為、高コストになることから汎用性に難がある。Ｂｉ系はんだは、熱伝導率が約９Ｗ／ｍＫ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、ＺｎおよびＺｎ−Ａｌ系はんだは、約１００Ｗ／ｍＫと高い熱伝導率を有するが、濡れ性が悪い（特にＺｎ−Ａｌ系はんだ）という問題がある。

特許文献１や特許文献２では、Ａｌ：１〜７ｗｔ．％、Ｍｇ：０．５〜６ｗｔ．％、Ｇａ：０．１〜２０ｗｔ．％、Ｐ：０．００１〜０．５ｗｔ．％、残部をＺｎ、Ｇｅ：２〜９ｗｔ．％、Ａｌ：２〜９ｗｔ．％、Ｐ：０．００１〜０．５ｗｔ．％、残部をＺｎあるいはＧｅ：２〜９ｗｔ．％、Ａｌ：２〜９ｗｔ．％、Ｍｇ：０．０１〜０．５ｗｔ．％、Ｐ：０．００１〜０．５ｗｔ．％、残部をＺｎとすることで、Ｚｎ系はんだ合金のＣｕやＮｉに対する濡れ性の向上および融点低下をさせている。しかしながら、ＡｌやＭｇを成分に含む為、接続時の加熱によりＡｌ酸化物およびＭｇ酸化物が溶融部表面に膜を生成する。これらの膜が濡れ性を阻害するため、スクラブ等により機械的に膜を破らない限り、十分に濡れ性が得られない可能性がある。

特許文献３では、Ｚｎ−Ａｌ系合金の最表面にＩｎ、Ａｇ、Ａｕ層を設けることにより、Ｚｎ−Ａｌ系合金表面の酸化を抑制し、濡れ性の向上を図っている。しかしながら、Ｉｎ、ＡｇおよびＡｕ層を設けるためには、Ｚｎ−Ａｌ表面にめっきおよび蒸着等の処理が不可欠であり、材料製造のプロセス増加に繋がる。

特許文献４では、図９のようにＡｌ系合金層１０２の表面にＺｎ系合金層１０１をクラッドし、接続時のＡｌの酸化膜の抑制による接続時の濡れ性の向上、接続後のＡｌ残存による熱応力に対する接続信頼性の向上を実現させている。

特開２００４−３５８５３９号公報 特開２００４−３５８５４０号公報 特開２００２−２６１１０４号公報 特開２００８−１２６２７２号公報

しかし特許文献４を参考に作製したＺｎ系合金とＡｌ系合金のクラッド材を加熱した際、クラッド製造条件によっては溶融温度である３８２℃以下の温度でクラッド界面のボイドの発生を確認した。

発生したボイドは、接続完了後（溶融凝固後）にもボイドとして残留し、クラック発生の起点になる等の悪影響を及ぼすが、従来技術においては、クラッド材の溶融前において、その界面に発生するボイドに関する検討については、未だ十分なものとはいえない。

本発明者等は、クラッド材の溶融前における界面のボイドは、熱処理時にＺｎ系合金とＡｌ系合金の熱膨張係数差により熱応力が生じ、その界面が図９のように剥離（剥離部９）してしまったものと考え、クラッド材熱処理時に発生するボイドの低減を図ることにより、接続信頼性の向上が図れるのではないかと考えた。

そこで本発明の目的は、この点に配慮してＺｎ系合金とＡｌ系合金のクラッド材熱処理時のボイド発生を低減させ、接続信頼性を向上することを可能とする接続材料の製造方法、接続材料及びそれを用いた半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく請求項１の発明は、少なくとも第一のＺｎ系合金層の上にＡｌ系合金層を重ね、前記Ａｌ系合金層の上に第二のＺｎ系合金層を重ねて、クラッド圧延により圧延率を６０％以上で接続材料を製造することを特徴とする接続材料の製造方法である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の接続材料の製造方法により製造されたことを特徴とする接続材料である。

請求項３の発明は、半導体素子を請求項２に記載の接続材料を介してフレーム上に実装し、前記半導体素子の電極をインナーリードにワイヤボンディングで接続した後、これらをレジンで樹脂封止したことを特徴とする半導体装置である。

請求項４の発明は、半導体素子を基板上に実装し、前記半導体素子の電極をインナーリードにワイヤボンディングで接続した後、前記基板上にキャップ用接続材料として請求項２に記載の接続材料を用い、これを介して金属キャップを被せて気密封止したことを特徴とする半導体装置である。

本発明によれば、Ｚｎ系合金とＡｌ系合金のクラッド材熱処理時のボイド発生を低減させ、接続信頼性を向上することを可能とする接続材料の製造方法、接続材料及びそれを用いた半導体装置を提供することができる。

低圧延時の概念を示す図であり、（ａ）は低圧延時のクラッド材を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図である。 図１よりも高い圧延時の概念を示す図であり、（ａ）は高圧延時のクラッド材を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ部の拡大図である。 本発明の実施例で製造した接続材料の断面を示す図である。 本発明の実施例で行ったクラッド圧延を説明する図である。 本発明の接続材料を用いた半導体装置への適用例を示す図である。 本発明の接続材料を用いた半導体装置への適用例を示す図である。 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。 従来の技術の問題点である、溶融前熱処理によるボイドの発生を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

圧延率を変化させたときのクラッド材のＺｎ系合金とＡｌ系合金との接合部について図１、図２に示す。図１は、低圧延時の概念を示すものであり、（ａ）のＡ部を拡大した（ｂ）は、低圧延率でクラッド材を形成したときのＺｎ系合金とＡｌ系合金との接合部を示している。また、図２は、高圧延時の概念を示すものであり、（ａ）のＢ部を拡大した（ｂ）は、図１よりも高い圧延率でクラッド材を形成したときのＺｎ系合金とＡｌ系合金との接合部を示している。

尚、本発明の圧延率は、［（（圧延前材料厚）−（圧延後材料厚））÷（圧延前材料厚）×１００］と定義する。

接合部にかかる力について微視的に考えると、図１、図２で示すように、低圧延時及び高圧延時の両方で、接合部に空隙１１が見られるものの、クラッド圧延率を高くすると図で圧延率が低い時に比べ接合部に力が加わり、接合部が空隙１１を潰すように変形することにより接合面積が増える。

したがって、クラッド材を熱処理した時のＺｎ系合金とＡｌ系合金の熱膨張係数差によりＺｎ系合金とＡｌ系合金の界面にせん断応力が働いた時、接合部が多いことから剥離が生じにくくなる。

そこで、本発明では、接合部の接合面積を増やすべく、クラッド圧延率を高くした。

すなわち、図３に示すように、接合材料１０は、Ｚｎ系合金層１０１の上にＡｌ系合金層１０２を重ね、Ａｌ系合金層１０２の上にＺｎ合金層１０１を重ねて、クラッド圧延して製造するが、このときの圧延率を６０％以上とすることで、接合部の接合面積を増やしたものである。

ここで、クラッド圧延に用いるクラッド圧延装置の一例を説明する。

図４に示すように、このクラッド圧延装置１００は、圧延機のローラー１０３，１０３（それぞれの回転方向は逆）を用いて、上記のように順次重ねたＺｎ系合金層１０１，Ａｌ系合金層１０２，Ｚｎ合金層１０１からなる材料をローラ１０３，１０３間から圧延しながら押し出すことでクラッド圧延を行うように構成される。

このクラッド圧延装置１００を用いて、重ねたＺｎ系合金層１０１，Ａｌ系合金層１０２，Ｚｎ合金層１０１を、クラッド圧延率を６０％以上でクラッド圧延することで、熱処理時に発生するボイドを低減させた接続材料１０が得られる。

この得られた接続材料１０では、図２に示したように、その界面に空隙１１が見られるが、本発明のボイド発生の面においては、無視できる程度のものである。

このように、本実施の形態にかかる接続材料１０は、クラッド圧延率を６０％以上としてクラッド圧延して製造するため、Ｚｎ系合金とＡｌ系合金のクラッド材熱処理時のボイド発生を低減させ、従来より接続信頼性を向上させることができる。

この溶融前に発生するボイドを低減させた接続材料１０を、半導体装置、パワー半導体装置、パワーモジュールなどの半導体装置のダイボンディングや、気密封止の封止材、フリップチップボンディングなどに使用することで、クラッド材接続熱処理の際、接合後の接合部に発生するボイドを低減させることが可能となる。

一例として、接続材料１０の半導体装置への適用例について説明する。

ここでは、半導体素子をフレーム上に実装する半導体装置（ダイボンディング構造）、金属キャップを基板上に被せる半導体装置（気密封止構造）を説明する。

〈半導体装置への適用例１〉
図５に示すように、半導体素子１を接続材料を介してフレーム（ダイ）２上に実装し、半導体素子１の電極をインナーリードにワイヤボンディングで接続した後、これら半導体素子１、フレーム２、インナーリード、ワイヤ４をレジンで樹脂封止したダイボンディング構造の半導体装置１７において、半導体素子１をフレーム２上に実装する際に用いる接続材料として本発明の接続材料１０を用いることができる。

〈半導体装置への適用例２〉
図６に示すように、半導体素子１を基板（モジュール基板）２２に実装し、半導体素子１の電極をインナーリードにワイヤボンディングで接続した後、基板２２上にキャップ用接続材料を介して金属キャップ２３を被せて半導体素子１、インナーリード、ワイヤ４を気密封止した気密封止構造の半導体装置２７において、金属キャップ２３を基板２２上に接続するキャップ用接続材料として本発明の接続材料１０を用いることができる。

以上、本発明者等によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態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言うまでもない。

次に、本発明の実施例１〜１５及び比較例１〜９について説明する。

本実施の形態における接続材料は、図３で示すように下からＺｎ系合金層（単にＺｎ層、Ｚｎとも記す）１０１、中間がＡｌ系合金層（単にＡｌ層、Ａｌとも記す）１０２、一番上がＺｎ系合金層（単にＺｎ層、Ｚｎとも記す）１０１となる。この接続材料は、図４で説明したように、Ｚｎ系合金層１０１、Ａｌ系合金層１０２、Ｚｎ系合金層１０１を重ねて圧延加工する、すなわちクラッド圧延を行うことで製造した。

この製造した全ての接続材料（以下クラッド材）を表１に示す。

クラッド材１はＺｎ層，Ａｌ層，Ｚｎ層の厚さが８０，４０，８０μｍ、クラッド材２は６０，８０，６０μｍ、クラッド材３は４０，１２０，４０μｍである。

クラッド材１，２，３は表２で示すようにクラッド圧延時の圧延回数や圧延力を適宜変更し、圧延率３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％となるようにしてそれぞれ作製した。

実施例１〜１５及び比較例１〜９は、前記で作製したクラッド材を窒素雰囲気で熱処理温度を３８０℃、昇温後保持時間３ｍｉｎ、昇温速度１００℃／ｍｉｎ．としてクラッド材の熱処理を行った。

分析は熱処理後に発生したクラッド材のボイドを表面の起伏を超音波探傷装置で捉えて、起伏部分をボイドと定義し、ボイド率を出した。ボイド率の評価については、前記手法で作製したクラッド材をφ５ｍｍの大きさに打ち抜き、このクラッド材に存在するボイドの部分と正常部を二値化し、ボイド面積の割合が３０％以上を×、１０〜３０％を△、０〜１０％を○とした。ここにボイド率は、［ボイドの全面積÷クラッド材の平面方向のＺｎ層の表面積×１００］と定義する。

この評価の結果を表３に示す。

表３に示すようにクラッド材１では圧延率８０％以上で、クラッド材２とクラッド材３では圧延率７０％以上でボイドの発生が１０％以下に低減し、いずれの場合でも圧延率を高くするとボイドの発生が低減した。

本実施例では、クラッド圧延率の最大が９５％となっているが、これは装置とサンプルの制約によるものであり、圧延率を高くすればする程、ボイドの発生が低減すると考えられる。

表３のデータから、圧延率は６０％以上が良好であり、より好ましくは９０％以上であることが望ましい。

接続部はボイドの周辺から破壊が進む。したがってボイド率を低下させることによって、接続部の破壊の進行を低減することができ、長期の信頼性を確保することができる。

また熱サイクルによる接続部の劣化もボイドの周辺において進行する。したがって、ボイド率を低下させることによって、熱サイクルによる接続部の劣化も防止することができる。

尚、実施例において３８０℃という温度を用いたのは、溶融する温度である３８２℃まで達していないからであり、また３５０℃程度でもボイドの発生を確認できたのだが、ボイドの発生が熱処理温度の上昇とともに顕著に増加したためである。

本実施例ではＺｎ系合金層１０１、Ａｌ系合金層１０２、Ｚｎ系合金層１０１を重ねて圧延加工しているが他の実施例としてさらにＡｌ系合金層、Ｚｎ系合金層を交互に重ね、最表面がＺｎ系合金層となるような多層構造を持った接続材料にすることも可能であり、前記実施例と同様の効果を得ることができる。

この他の実施例においても、本発明の接続材料を、例えば図７に示した半導体装置７を作製する時のはんだ３として実施例１〜１５で作製したクラッド材を用いた場合、はんだ３の濡れ性、熱応力緩和による接続信頼性、中温はんだによるリフロー時の耐熱性は良好である。

また、応力緩和については、ろう付け時にＡｌ層を残すことで実現させているが、ろう付け時にＡｌ層が無くなる場合についても前記実施例と同様の効果を得ることができる。

１０ 接続材料
１０１ Ｚｎ系合金層
１０２ Ａｌ系合金層

Claims (4)

1. 少なくとも第一のＺｎ系合金層の上にＡｌ系合金層を重ね、前記Ａｌ系合金層の上に第二のＺｎ系合金層を重ねて、クラッド圧延により圧延率を６０％以上で接続材料を製造することを特徴とする接続材料の製造方法。
2. 請求項１に記載の接続材料の製造方法により製造されたことを特徴とする接続材料。
3. 半導体素子を請求項２に記載の接続材料を介してフレーム上に実装し、前記半導体素子の電極をインナーリードにワイヤボンディングで接続した後、これらをレジンで樹脂封止したことを特徴とする半導体装置。
4. 半導体素子を基板上に実装し、前記半導体素子の電極をインナーリードにワイヤボンディングで接続した後、前記基板上にキャップ用接続材料として請求項２に記載の接続材料を介して金属キャップを被せて気密封止したことを特徴とする半導体装置。

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