JP2013049067A - 半田材および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凝固収縮割れの発生を抑制できる半田材およびその半田材が用いられた半導体装置を提供する。
【解決手段】半田材４は、固相線の直上の温度における固相率が３０％以上となる組成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半田材および半導体装置に関し、特に、半導体素子を半導体装置に組み込む際に用いられるのに適した半田材およびその半田材が用いられた半導体装置に関するものである。

従来、半導体素子がベース板に半田付けされ、かつ樹脂封止された半導体装置が用いられている。このような半導体装置は、たとえば論文「リード接合を用いた大容量樹脂封止パワーモジュール」（非特許文献１）において従来のパワーモジュールとして開示されている。このパワーモジュールでは、半導体素子がセラミック基板に搭載されており、セラミック基板がベース板に半田付けされている。そして、ベース板が樹脂ケースに接着されている。ケース内の空間に絶縁性ゲルが充填されている。

上記のような半導体装置は、一般に次のような工程を経て組立てられる。すなわち、半導体素子と基板との間に半田材が配置され、また基板とベース板との間に半田材が配置される。全体が半田材の融点以上の温度に加熱されて半田材が溶融された後、半田材が冷却されて半田材が凝固される。これにより、半導体素子と基板、また基板とベース板とが接合される。

半田材には、たとえばＳｎ（スズ）を主成分とするＳｎ−３７Ｐｂ（鉛）合金はんだが用いられる。半田材としてはソルダペーストが供給されてもよく、板状の半田材が供給されてもよい。いずれの半田材を用いた場合も、半田材が一旦溶融されて被接合材である半導体素子、基板およびベース板の表面を濡らして合金反応を起こさせた後、半田材が凝固することによって接合を達成することに変わりはない。

一般に金属材料は溶融状態から凝固して固体に相変態する時に数％収縮する。上記のような半導体装置で使用されている半田材も同様に３％程度の凝固収縮率を持っている。そのため、半田材が一旦溶融された後に凝固されると、半田材は収縮する。接合部に供給された半田材が全体的に均一に収縮すれば健全な接合部が形成されるが、接合部の寸法が大きくなると接合部全体を同時に凝固させることは困難になる。

半田材では、最初に温度が低下した部分から順次凝固相が拡大し、最も温度低下が遅く起こった部分が最終凝固部となる。この場合、凝固開始初期においては凝固して体積が減少した部分に、まだ凝固していない液体の半田が移動して凝固収縮分を補うようにしながら凝固が進行する。そのため、最終凝固部周辺に凝固収縮が集中的に生じ、結果として凝固収縮割れが形成される。

このような凝固収縮の問題を解決する手法として、たとえば特開２００５−１８６１６０号公報（特許文献１）では、半田のＡｇ（銀）濃度およびＣｕ（銅）濃度を管理することによって半田が凝固するときに半田表面に凹凸ができずに光沢が保たれると同時に引け巣が防止され得る手法が提案されている。

特開２００５−１８６１６０号公報

中島泰他５名、「リード接合を用いた大容量樹脂封止パワーモジュール」、「第１１回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム論文集Ｖｏｌ．１１ ２００５」、社団法人溶接学会、２００５年、ｐｐ．４３３−４３６

接合部の寸法がたとえば１０ｍｍ×１０ｍｍよりも十分小さい場合は実質的に同時に凝固が起こるため、顕著な凝固収縮割れを生じることは少ないが、たとえば１０ｍｍ×１０ｍｍ以上の寸法の接合部の場合は上述のように顕著な凝固収縮割れが生じる。

特開２００５−１８６１６０号公報に記載の手法に用いられる半田材でも、微小な接合部に適用した場合には、引け巣の発生を抑制し得るが、寸法がたとえば１０ｍｍ×１０ｍｍ以上の大型の接合部に適用した場合には、上記と同様に最終凝固部周辺に凝固収縮が集中的に生じ、依然として凝固収縮割れを生じる問題があった。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、凝固収縮割れの発生を抑制できる半田材およびその半田材が用いられた半導体装置を提供することである。

本発明の半田材は、固相線の直上の温度における固相率が３０％以上となる組成を有する。

本発明の半田材によれば、固相線の直上の温度における固相率が３０％以上となるため、半田材が固相線温度になる前に初晶の量が３０％以上となる。このため、固相線温度において液相から固相になる半田材の量を少なくすることができる。したがって、凝固収縮分を補うように移動しながら凝固する液相の半田材の量を少なくすることができる。これにより、最終凝固部周辺に凝固収縮が集中して凝固収縮割れが発生することを抑制できる。

本発明の一実施の形態における半導体装置の概略断面図である。 本発明の一実施の形態における半導体装置の半田付け部を模式的に示した断面図である。 比較例の半導体装置の概略断面図である。 比較例の半導体装置の半田付け部を模式的に示した断面図である。 実施例における比較例１の半導体装置の半田付け部のＸ線写真を示す図である。 実施例における比較例２の半導体装置の半田付け部のＸ線写真を示す図である。 実施例における本発明例１の半導体装置の半田付け部のＸ線写真を示す図である。 実施例における本発明例２の半導体装置の半田付け部のＸ線写真を示す図である。 実施例における本発明例３の半導体装置の半田付け部のＸ線写真を示す図である。 実施例における本発明例４の半導体装置の半田付け部のＸ線写真を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
最初に本発明の一実施の形態の半田材およびその半田材を用いた半導体装置の構成について説明する。

図１を参照して、本発明の一実施の形態の半導体装置１０は、半導体素子１と、基板２と、基材３と、半田材４と、ケース５と、ゲル６とを主に有している。半導体素子１は、たとえばＳｉ（ケイ素）からなる基板を用いた素子である。半導体素子１は、たとえば７ｍｍ×７ｍｍの正方形の形状を有している。

基板２は、半導体素子１を搭載するためのものである。基板２は、芯材２ａと、導体部２ｂとを有している。芯材２ａは、たとえばＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなるセラミック基板である。導体部２ｂは、芯材２ａの一方面（上面）と他方面（下面）とに設けられている。導体部２ｂの材料はたとえばＣｕである。導体部２ｂは、たとえば１５ｍｍ×２０ｍｍの長方形の形状を有している。基材３は、基板２を固定するためのベース板である。基材３の材料はたとえばＣｕ合金である。

半田材４は、固相線の直上の温度における固相率が３０％以上となる組成を有している。固相線の直上の温度は、固相線温度よりわずかに高い温度であり、固相線温度より１℃高い温度である。固相率は、固相および液相の質量に対する固相の質量の割合である。半田材４は、たとえば７質量％Ｓｎ（スズ）、７．５質量％Ｓｂ（アンチモン）、１質量％Ａｇを含み残部がＰｂと不可避不純物である半田合金である（以下、合金組成は次のように表記する。Ｐｂ−７Ｓｎ−７．５Ｓｂ−１Ａｇ）。

半田材４は、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ（ビスマス）、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ａｇ、ＣｕおよびＮｉ（ニッケル）よりなる群から選ばれる２種以上を含んでいればよい。半田材４の固相線温度は、たとえば２３８℃であり、液相線温度はたとえば２５７℃である。半田材４の固相線温度は１８３℃より高いことが好ましい。

半導体素子１と基板２とは半田材４を介して接合されている。基板２には２つの半導体素子１がそれぞれの半田接合部で半田付けされている。それぞれの半田接合部での半田材４の接合面積は１００ｍｍ²以上である。また基板２と基材３とは半田材４を介して接合されている。基板２と基材３との半田接合部での半田材４の接合面積も１００ｍｍ²以上である。なお、半導体素子１および基材３の少なくともいずれかと基板２とが半田材４を介して接合されていればよい。

ケース５は容器であり、基材３に取り付けられている。ケース５の材料は、たとえばエポキシ樹脂である。ゲル６は半導体素子１を封止している。ゲル６は絶縁材である。ゲル６の材料はたとえばシリコーン樹脂である。

次に、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
半導体素子１と基板２との間に半田材４が配置され、また基板２と基材３との間に半田材４が配置される。全体が半田材４の融点（液相線）以上の温度に加熱されて半田材４が完全に溶融された後、半田材４が冷却されて半田材４が凝固されることによって半導体素子１と基板２、また基板２と基材３とが接合される。さらに、後の工程において、融点が１８３℃のＳｎ−Ｐｂ共晶半田が用いられて半田付けされることによって部品が追加されてもよい。

半田材４としては、ソルダペーストと言われる０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の粒径の半田粉とロジンなどのフラックスとの混合物が供給されてもよく、また０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さの板状の半田が供給されてもよい。板状の半田の場合は、別途、液状のフラックスを供給するか、または水素ガス等の還元材を利用して被接合部材と半田材自体の表面の酸化膜を除去する必要がある。いずれの形態で半田材４を供給した場合も、半田材４が一旦溶融されて被接合材である半導体素子１、基板２および基材３の表面を濡らして合金反応を起こさせた後、半田材４が凝固することによって接合を達成することに変わりはない。

次に本発明の一実施の形態の作用効果について比較例と対比して説明する。
図２を参照して、本発明の一実施の形態の半導体装置１０に用いられた半田材４は、初晶２１と、最終凝固部２２とを有している。初晶２１は、最初に凝固および成長した結晶である。最終凝固部２２は固相線付近の温度で最終的に凝固した部分である。また、半田材４には、微細な空隙２３が生じている。

半導体装置１０の組立に半田材４が用いられる場合、一旦、半田材４の温度を上昇させて半田材４が溶融される。その後、半田材４が冷却されて液相線温度以下になった段階から凝固が次第に進行して初晶２１が成長する。半田材４が固相線温度（たとえば２３８℃）よりもわずかに高い温度（たとえば２３９℃）に達した段階で初晶２１の量は、既に３０％になっている。

この段階で、初晶２１の成長によって、半導体素子１と基板２との間、また基板２と基材３との間の半田接合面全体での拘束が始まっている。そのため、本発明の一実施の形態の半田材４の場合も従来と同様に３％程度の凝固収縮は発生するものの、その凝固収縮は、凝固の進行に伴って半田接合面全体で均一に生じる。このため、半田材４の一部の領域に凝固収縮が集中して凝固収縮割れを生じることが抑制される。

一方、図３を参照して本発明の一実施の形態の比較例の半導体装置１０では、本発明の一実施の形態の半導体装置１０と比較して半田材４の組成が異なっている。比較例では、半田材４として、Ｐｂ−８Ｓｎ−１０Ｓｂ−１Ａｇの半田合金が用いられている。この半田合金は、上述した本発明の一実施の形態のＰｂ−７Ｓｎ−７．５Ｓｂ−１Ａｇの半田材４に近い融点を有しており、固相線温度は２３８℃であり、液相線温度は２４０℃である。また、比較例の半田材４では、固相線直上の固相率は１０％である。

図３に示すように比較例４の半導体装置１０では、半田材４に顕著な凝固収縮割れ７が生じてしまう。比較例４では半田材４に凝固収縮割れ７が生じる理由について説明する。図４を参照して、比較例の半田材４では、半田材４の固相線温度の直上の温度における初晶２１の量が十分でない。そのため、最終凝固部２２が凝固するときの凝固収縮が一部に集中して、半田接合部内で凝固収縮割れ８が発生してしまう。

本実施の一形態の半田材４によれば、固相線の直上の温度における固相率が３０％以上となるため、半田材４が固相線温度になる前に初晶の量が３０％以上となる。このため、固相線温度において液相から固相になる半田材４の量を少なくすることができる。したがって、凝固収縮分を補うように移動しながら凝固する液相の半田材４の量を少なくすることができる。これにより、最終凝固部周辺に凝固収縮が集中して凝固収縮割れが発生することを抑制できる。よって、正常な半田接合部を得ることができる。

固相線の直上の温度における固相率を３０％以上からさらに高めて３５％以上とした場合は、さらに安定して凝固収縮割れの発生を抑制できる。たとえば、半田材４がＰｂ−６．７Ｓｎ−７．１Ｓｂ−０．９５Ａｇの場合、固相線温度は上述の本発明の一実施の形態の半田材４と同様に２３８℃であるが、固相線の直上の温度における固相率が３５％である。そのため、さらに大型の基板２と基材３とを接合する場合、たとえば半田接合部の寸法が５０ｍｍ×６０ｍｍの場合でも、凝固収縮割れの発生を抑制できる。

上記では、半田材４として、Ｐｂ−７Ｓｎ−７．５Ｓｂ−１ＡｇおよびＰｂ−６．７Ｓｎ−７．１Ｓｂ−０．９５Ａｇを用いた場合について述べたが、これに限るものではなく、固相線の直上の温度における固相率が３０％以上の半田合金であれば、上記と同様の効果が得られることは言うまでもない。たとえば、固相線の直上の温度における固相率が４４％であるＰｂ−６．７Ｓｎ−７．１Ｓｂ−０．９５Ａ、固相線の直上の温度における固相率が６６％であるＰｂ−２７Ｓｎ−３Ｓｂなどでも上記と同様の効果が得られる。

本発明の一実施の形態の半田材４は、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、ＣｕおよびＮｉよりなる群から選ばれる２種以上を含む。これにより、融点、被接合物との濡れ性（合金形成性）、半田接合後の継手の機械特性などが適切な半田材４を得ることができる。Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎが０．５質量％程度添加された場合、特に適切な半田材４となり得る。一般的にＣｕ、Ｎｉは被接合材に含まれているため、Ｃｕ、Ｎｉが含まれていない半田材４でも半田付けされた後には、Ｃｕ、Ｎｉが含まれた適切な半田材４となり得る。

本発明の一実施の形態の半田材４は、固相線温度が１８３℃より高いことが好ましい。これにより、後の工程において、融点が１８３℃のＳｎ−Ｐｂ共晶半田が用いられて半田付けされることによって部品が追加される場合の半田付けにおける加熱に対する耐熱性を持たせることができる。半田材４の固相線温度は１９０℃より高いことがさらに好ましい。これによりさらに耐熱性を持たせることができる。

本発明の一実施の形態における半導体装置１０では、半導体素子１および基材３の少なくともいずれかと基板２とが上記の半田材４を介して接合されている。これにより、半田材４の凝固収縮割れの発生を抑制できるため、正常な半田接合部を有する半導体装置１０を得ることができる。よって、半導体装置１０の信頼性を向上できる。

本発明の一実施の形態における半導体装置１０では、半田材４の１箇所での接合面積が１００ｍｍ²以上であってもよい。半田材４の１箇所での接合面積が１００ｍｍ²以上であっても凝固収縮割れの発生を抑制できる。そのため、大型の半田接合部を有する半導体装置１０において正常な半田接合部を得ることができる。

なお、上記では半導体素子１として、Ｓｉによる素子を用いた場合について述べたが、これに限らず、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）などの化合物半導体による素子を用いた場合も上記と同様の効果が得られる。

また、上記では基板２としてＡｌＮ基板を用いた場合について述べたが、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化ケイ素）等のセラミックを用いた場合も上記と同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例では、固相線直上の温度における固相率の異なる６種の半田材を用いて上記の半導体装置を組立てた後、Ｘ線観察装置を用いてそれぞれの半導体装置の上面から見た半田付け部の透過像を撮影した。図５〜図１０は、６種の異なる半田材を用いた半導体装置１０のそれぞれのＸ線写真を示す図である。

図５では、固相線の直上の温度における固相率が１０％であるＰｂ−８Ｓｎ−１０Ｓｂ−１Ａｇの組成を有する半田材を用いた比較例１の半導体装置１０の半田付け部が示されている。図６では、固相線の直上の温度における固相率が２０％であるＰｂ−７Ｓｎ−８．５Ｓｂ−１Ａｇの組成を有する半田材を用いた比較例２の半導体装置１０の半田付け部が示されている。

図７では、固相線の直上の温度におけるは固相率が３０％であるＰｂ−７Ｓｎ−７．５Ｓｂ−１Ａｇの組成を有する半田材を用いた本発明例１の半導体装置１０の半田付け部が示されている。図８では、固相線の直上の温度におけるは固相率が３５％であるＰｂ−６．７Ｓｎ−７．１Ｓｂ−０．９５Ａｇの組成を有する半田材を用いた本発明例２の半導体装置１０の半田付け部が示されている。図９では、固相線の直上の温度におけるは固相率が４４％であるＰｂ−６Ｓｎ−６．４Ｓｂ−０．８５Ａｇの組成を有する半田材を用いた本発明例３の半導体装置１０の半田付け部が示されている。図１０では、固相線の直上の温度における固相率が６６％であるＰｂ−２７Ｓｎ−３Ｓｂの組成を有する半田材を用いた本発明例４の半導体装置１０の半田付け部が示されている。本発明例１〜４は７．５質量％以下のＳｂを有している。

図５〜図１０を参照して、半田付け部において図中で白く見える部分は、Ｘ線が半田層中を透過する際の減衰が小さかったために明るく写っている部分である。すなわち、半田付け部において図中で白く見える部分は、半田材中に空隙が存在することを示す。固相線の直上の温度における固相率が低い比較例１および比較例２では、半田付け部において白く見える部分が多く観察された。すなわち、比較例１および比較例２では凝固収縮割れ７が生じていることがわかった。

一方、固相線の直上の固相率が３０％である本発明例１では半田付け部において白く見える部分が無いため凝固収縮割れ７が生じてないことがわかった。また、本発明例１よりも固相線の直上の温度における固相率が高い本発明例２〜４でも半田付け部において白く見える部分が無いため凝固収縮割れ７が生じていないことがわかった。

以上より、固相線の直上の固相率が３０％以上６６％以下となる組成を有する本発明例１〜４の半田材では、凝固収縮割れが生じていないことがわかった。すなわち、固相線の直上の固相率が３０％以上の組成を有する半田材では、凝固収縮割れが生じていないことがわかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

１ 半導体素子、２ 基板、２ａ 芯材、２ｂ 導体部、３ 基材、４ 半田材、５ ケース、６ ゲル、７ 凝固収縮割れ、１０ 半導体装置、２１ 初晶、２２ 最終凝固部、２３ 空隙。

Claims (5)

1. 固相線の直上の温度における固相率が３０％以上となる組成を有する、半田材。
2. Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、ＣｕおよびＮｉよりなる群から選ばれる２種以上を含む、請求項１に記載の半田材。
3. 固相線温度が１８３℃より高い、請求項１または２に記載の半田材。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の半田材と、
   半導体素子と、
   前記半導体素子を搭載するための基板と、
   前記基板を固定するための基材とを備え、
   前記半導体素子および前記基材の少なくともいずれかと前記基板とが前記半田材を介して接合されている、半導体装置。
5. 前記半田材の１箇所での接合面積が１００ｍｍ²以上である、請求項４に記載の半導体装置。