JP2015160237A - 接合材料及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の接合材料を使用した場合における接合後の信頼性をより高めた接合材料及び当該接合材料を用いて接合された半導体装置を提供する。【解決手段】Ｚｎを主成分として含有するＺｎ系金属材１と、Ｚｎ系金属材１上に設けられたＡｌを主成分として含有するＡｌ系金属材２と、Ａｌ系金属材２上に設けられたＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有するＸ系金属材（Ｃｕ系金属材３）とを備えた接合材料１０であって、Ｚｎ系金属材１には、熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子（インバー粒子４）が分散して存在している。【選択図】図１

Description

本発明は、接合材料及び当該接合材料を用いて接合された半導体装置に関する。

電機・電子機器の部品の電気的接合に使用されている接合材料であるはんだには、従来、鉛が含まれていた。しかし、２００３年頃から、人体への有害性が指摘される鉛の使用を規制する動きが欧州を中心に広がり、鉛を含有しない、鉛フリー代替材料の開発が進められてきている。

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。このうち、高温はんだについては、市場要求（２６０℃耐熱性、高熱電導性、接合信頼性、低コスト）のすべてを満たす鉛フリー高温はんだが存在していなかった。

そこで、市場要求のすべてを満たす鉛フリー高温はんだの開発が求められており、開発されたものとして、特許文献１に記載の鉛フリー接合材料がある。

特開２０１２−７１３４７号公報

特許文献１に記載の鉛フリー接合材料は、優れた特性を有するものであるが、溶融・凝固後の組成がＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金となり、熱膨張係数が約３０と大きい。そのため、接合後の温度サイクルにより生じる熱応力が大きくなるので、はんだやチップにクラックが入るおそれがある。ゆえに、クラックが入りにくくし、接合後の信頼性をより高める必要がある点で改善の余地があった。

そこで、本発明の目的は、特定の接合材料を使用した場合における接合後の信頼性をより高めた接合材料及び当該接合材料を用いて接合された半導体装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［８］の接合材料及び半導体装置を提供する。

［１］Ｚｎを主成分として含有するＺｎ系金属材と、前記Ｚｎ系金属材上に設けられたＡｌを主成分として含有するＡｌ系金属材と、前記Ａｌ系金属材上に設けられたＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有するＸ系金属材とを備え、前記Ｚｎ系金属材には、熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子が分散して存在していることを特徴とする接合材料。
［２］前記熱膨張率が５以下の金属材料は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金であることを特徴とする前記［１］に記載の接合材料。
［３］前記金属粒子の最大粒径は、３００μｍ以下であることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の接合材料。
［４］前記接合材料の体積に占める前記金属粒子の体積の比率が２０％以上７０％以下であることを特徴とする前記［１］〜［３］の何れか１つに記載の接合材料。
［５］前記金属粒子は、その表面にＮｉめっき層を有することを特徴とする前記［１］〜［４］の何れか１つに記載の接合材料。
［６］前記接合材料は板状であり、前記Ｚｎ系金属材の片面若しくは両面に、前記Ａｌ系金属材、及び前記Ｘ系金属材が設けられている前記［１］〜［５］の何れか１つに記載の接合材料。
［７］前記接合材料は線状であり、前記Ｚｎ系金属材の外周に前記Ａｌ系金属材が被覆され、前記Ａｌ系金属材の外周に前記Ｘ系金属材が被覆されている前記［１］〜［５］の何れか１つに記載の接合材料。
［８］前記［１］〜［７］の何れか１つに記載の接合材料を用いてはんだ接合されたことを特徴とする半導体装置。

本発明によれば、特定の接合材料を使用した場合における接合後の信頼性をより高めた接合材料及び当該接合材料を用いて接合された半導体装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る接合材料の一例を模式的に示す断面図である。 図１に示す接合材料を用いてチップ−リードフレーム間を接合した後の状態を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る接合材料の一例を模式的に示す断面図である。

（接合材料の構成）
本発明の実施の形態に係る接合材料は、Ｚｎを主成分として含有するＺｎ系金属材と、前記Ｚｎ系金属材上に設けられたＡｌを主成分として含有するＡｌ系金属材と、前記Ａｌ系金属材上に設けられたＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有するＸ系金属材とを備える。前記Ｚｎ系金属材には、熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子が分散して存在している。

実施形態としては、主に板状のものと線状のものがあり、以下に板状の接合材料（第１の実施形態）及び線状の接合材料（第２の実施形態）についてそれぞれ説明する。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る接合材料は板状であり、平角状の断面を有するＺｎ系金属材の向かい合う一対の両面に、Ａｌ系金属材、及びＸ系金属材が順に設けられている。Ｚｎ系金属材の両面に設ける場合に限られず、Ｚｎ系金属材の片面にのみ、Ａｌ系金属材、及びＸ系金属材を順に設ける構成であってもよい。両面に設ける場合の一方の面は、Ａｌ系金属材のみを設ける構成であってもよい。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る接合材料の一例を模式的に示す断面図である。

図１に示される接合材料１０は、Ｚｎ系金属材中に熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子が分散して存在している点を除き、前述の特許文献１に記載の図４に示される構成と同じであり、Ｘ系金属材として、Ｃｕを例示したものである。具体的には、中央にＺｎ系金属材１（以下、単にＺｎと記載することがある）、その両面にＡｌ系金属材２（以下、単にＡｌと記載することがある）、各Ａｌ系金属材２上にＣｕ系金属材３（以下、単にＣｕと記載することがある）を備えた積層材である。

Ｚｎ系金属材１は、Ｚｎを主成分（最も多く含まれる成分、以下同じ）としており、Ｚｎが９０質量％以上であることが好ましい。すなわち、Ｚｎ単体、又は不純物が１０質量％以下のＺｎ合金が好ましい。

Ｚｎ系金属材１中に分散して存在している熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子としては、Ｆｅ−Ｎｉ系合金からなる粒子が好ましく、図１に示されるように、インバー粒子４（例えば熱膨張率が１〜２程度のインバーからなる粒子）が特に好ましい。ＭｏやＷからなる粒子を用いることもできる。

金属粒子の最大粒径は、はんだ厚が３００μｍを超えると熱抵抗が増大するため、３００μｍ以下であることが好ましく、２００μｍ以下であることがより好ましい。但し、小径化しすぎると、後述のはんだ厚を維持する効果が得られにくくなるため、１０μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることがより好ましい。金属粒子の粒径が、Ｚｎ系金属材１の厚みの１／８〜７／８の範囲内のものを用いることが好ましく、厚みの１／４〜３／４の範囲内のものを用いることがより好ましい。

また、接合材料全体の体積に占める金属粒子の体積の比率が２０％以上７０％以下であることが好ましく、３０％以上６０％以下であることがより好ましい。上記範囲内の比率で金属粒子をＺｎ系金属材１に存在させることにより、接合後にクラックが入りにくくなり、接合後の信頼性をより高めることができるとともに、熱伝導率が下がりすぎないようにすることができる。

また、金属粒子は、その成分（例えばＦｅ合金ではＦｅ成分）が接合材と反応し、非常に脆い金属間化合物を形成するため、その表面にＮｉめっき層を有していることが好ましい。

Ａｌ系金属材２は、Ａｌを主成分としており、Ａｌが９０質量％以上であることが好ましい。すなわち、Ａｌ単体、又は不純物が１０質量％以下のＡｌ合金が好ましい。

Ｘ系金属材は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分としており、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎが９０質量％以上であることが好ましい。特に、図に示される、Ｃｕを主成分としており、Ｃｕが９０質量％以上であるＣｕ系金属材３であることが好ましい。すなわち、Ｃｕ単体、又は不純物が１０質量％以下のＣｕ合金が好ましい。例えば、無酸素銅、タフピッチ銅等の純銅や、３〜１５質量ｐｐｍの硫黄と、２〜３０質量ｐｐｍの酸素と、５〜５５質量ｐｐｍのＴｉとを含む希薄銅合金等を使用することができる。

Ｘ／Ａｌ／Ｚｎ／Ａｌ／Ｘの５層構造については、溶融時に十分な液相を生じさせ、濡れを向上させる目的から５層構造の総厚は２０μｍ以上が望ましい。また、接合部の熱抵抗を下げ、信頼性確保するため、５層構造の総厚は３００μｍ以下にすることが望ましい。

また、Ｘ／Ａｌ／Ｚｎの３層構造の場合には、３層構造の総厚を２０μｍ以上３００μｍ以下にすることが望ましい。

（Ａｌの合計の体積）／（Ｚｎの体積）は、１／６０〜１／３であることが望ましい。また、３８２〜４２０℃の接合温度範囲内で、積層材全体を均一に溶融させるため、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｌの体積比は、Ａｌ：Ｚｎ：Ａｌ＝１：６：１〜１：６０：１の比率にすることが望ましい。さらに、溶融組織の均一性の観点から、Ａｌ：Ｚｎ：Ａｌ＝１：８：１〜１：３０：１の範囲がより望ましい。Ｘ／Ａｌ／Ｚｎの３層構造の場合には、Ａｌ、Ｚｎの体積比は、Ａｌ：Ｚｎ＝１：３〜１：６０の比率にすることが望ましい。なお、Ｚｎの体積には、Ｚｎ系金属材中に存在している金属粒子の体積は含まれない（以下、同様）。

また、Ｘ系金属材はＺｎとＡｌの酸化を防止する機能を持たせるため、一定以上の厚さが必要となる。一方、Ｘ系金属材は、ＺｎとＡｌが反応し溶融したＺｎ−Ａｌ合金内に溶融し、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金を構成することになるが、元素ＸがＺｎ−Ａｌ合金の硬さや融点に与える影響を最小限にとどめることが望ましい。そのため、Ｘ系金属材はＺｎとＡｌに比べて薄い必要がある。体積比は（Ａｌ＋Ｚｎ＋Ａｌ）：（Ｘ＋Ｘ）＝１：０．０００２〜０．２の比率にすることが望ましく、１：０．０００５〜０．１の比率にすることがより望ましい。Ｘ／Ａｌ／Ｚｎの３層構造の場合には、体積比は（Ｚｎ＋Ａｌ）：Ｘ＝１：０．０００１〜０．１の比率にすることが望ましい。

（接合材料の製造方法）
次に、本実施の形態に係る接合材料の製造方法について説明する。
本実施の形態に係る接合材料は、クラッド圧延法、めっき法、又は蒸着法により製造することができる。詳細は、特許文献１（特開２０１２−７１３４７号公報）に記載の方法により製造できるため、説明を省略する。

但し、上記特許文献１に記載の製造方法において、熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子が分散して存在しているＺｎ系金属材１を用いる点で異なる。当該Ｚｎ系金属材１は、例えば、亜鉛の鋳造工程においてインバー粒子４などの金属粒子を添加することで得ることができる。

（接合後の状態）
図２は、図１に示す接合材料を用いてチップ−リードフレーム間を接合した後の状態を模式的に示す断面図であり、本発明の実施の形態に係る接合材料を用いてはんだ接合された半導体装置における接合部の拡大図である。

本実施の形態に係る接合材料を用いてはんだ接合した後、インバー粒子４は、図２に示されるように、凝固したＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ共晶中に分散して存在している。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る接合材料は線状であり、円形状の断面を有する前記Ｚｎ系金属材の外周に前記Ａｌ系金属材が被覆され、前記Ａｌ系金属材の外周に前記Ｘ系金属材が被覆されている。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係るはんだ接合材料を模式的に示す断面図である。

図３に示される接合材料２０は、Ｘ系金属材として、Ｃｕを例示したものであり、Ｚｎ系金属材１１と、Ｚｎ系金属材１１の外周に被覆されたＡｌ系金属材１２と、Ａｌ系金属材１２の外周に被覆されたＣｕ系金属材１３とを備える。

Ｚｎ系金属材１１、Ａｌ系金属材１２、及びＸ系金属材（Ｃｕ系金属材１３）の材質は、第１の実施の形態におけるＺｎ系金属材１、Ａｌ系金属材２、及びＸ系金属材（Ｃｕ系金属材３）の材質と同様である。

Ｚｎ系金属材１１中に分散して存在している熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子（インバー粒子４）の材質も第１の実施の形態の場合と同様である。その表面にＮｉめっき層を有していることが好ましい点も同様である。

金属粒子の最大粒径は、はんだ厚が３００μｍを超えると熱抵抗が増大するため、３００μｍ以下であることが好ましく、２００μｍ以下であることがより好ましい。但し、小径化しすぎると、後述のはんだ厚を維持する効果が得られにくくなるため、１０μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることがより好ましい。金属粒子の粒径が、Ｚｎ系金属材１１の直径の１／８〜７／８の範囲内のものを用いることが好ましく、直径の１／４〜３／４の範囲内のものを用いることがより好ましい。

また、接合材料全体の体積に占める金属粒子の体積の比率が２０％以上７０％以下であることが好ましく、３０％以上６０％以下であることがより好ましい。上記範囲内の比率で金属粒子をＺｎ系金属材１１に存在させることにより、接合後にクラックが入りにくくなり、接合後の信頼性をより高めることができるとともに、熱伝導率が下がりすぎないようにすることができる。

Ａｌ系金属材１２の体積は、Ｚｎ系金属材１１の体積を１とすると、１／６０〜１／３であることが好ましく、１／３０〜１／３であることがより好ましい。Ｃｕ系金属材１３の体積は、Ｚｎ系金属材１１及びＡｌ系金属材１２の体積の合計を１とすると、１／５以下であることが好ましく、１／１０以下であることがより好ましい。

なお、図３においては断面形状が円形状の実施形態を図示したが、これに限られず、楕円形状、平角形状等、種々の実施形態が可能である。

（接合材料の製造方法）
次に、本実施の形態に係る接合材料の製造方法について説明する。
Ｚｎ系金属材１１の外周に、Ａｌ系金属材１２を形成し、Ａｌ系金属材１２上にさらにＣｕ系金属材１３を形成する。形成方法としては、特開２０１２−１６１８２１号公報に記載されるようなスパッタリングや蒸着が挙げられる。

熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子が分散して存在しているＺｎ系金属材１１は、例えば、亜鉛の鋳造工程においてインバー粒子４などの金属粒子を添加することで得ることができる。

（接合後の状態）
第１の実施の形態の場合と同様に、本実施の形態に係る接合材料を用いてはんだ接合した後、インバー粒子４は、凝固したＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ共晶中に分散して存在している。

（用途）
本発明の実施の形態に係る接合材料は、様々な構造の半導体装置のダイボンディング材料、リード材、封止用材料、絶縁基板の接合材料として使用できる。適用例としては、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、ＬＥＤ、リチウムイオン電池の保護回路用ＭＯＳＦＥＴ、ＤＢＣ基板やＤＢＡ基板などのセラミック基板が挙げられる。ゆえに、本発明の実施の形態に係る接合材料を用いてはんだ接合された種々の半導体装置を得ることができる。
また、自動車用熱交換器等に用いられるアルミニウムブレージングシートのＡｌ合金上に積層されるろう材として適用することも出来る。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、特定の接合材料におけるＺｎ系金属材中に熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子を分散して存在させたため、接合材料の溶融・凝固後に当該金属粒子が低熱膨張材として機能し、接合部全体の熱膨張率を低減するので、接合部ないし被接合物にクラックを発生しにくくし、接合後の信頼性をより高めた接合材料を提供することができる。また、当該接合材料を用いて接合された半導体装置を提供することができる。

また、高荷重ではんだ付けを行なった場合でも、金属粒子の粒径や存在比率を調整することによって、金属粒子がスペーサーとして機能し、一定のはんだ厚を維持することができるため、被接合物の傾きを抑制できる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず種々に変形実施が可能である。

１０，２０：接合材料
１、１１：Ｚｎ、２、１２：Ａｌ、３、１３：Ｃｕ
４：インバー粒子、５：Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ共晶、６：金属間化合物
３０：リードフレーム、４０：チップ

Claims (8)

1. Ｚｎを主成分として含有するＺｎ系金属材と、前記Ｚｎ系金属材上に設けられたＡｌを主成分として含有するＡｌ系金属材と、前記Ａｌ系金属材上に設けられたＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有するＸ系金属材とを備え、
   前記Ｚｎ系金属材には、熱膨張率が５以下の金属材料からなる金属粒子が分散して存在していることを特徴とする接合材料。
2. 前記熱膨張率が５以下の金属材料は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金であることを特徴とする請求項１に記載の接合材料。
3. 前記金属粒子の最大粒径は、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合材料。
4. 前記接合材料の体積に占める前記金属粒子の体積の比率が２０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合材料。
5. 前記金属粒子は、その表面にＮｉめっき層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合材料。
6. 前記接合材料は板状であり、前記Ｚｎ系金属材の片面若しくは両面に、前記Ａｌ系金属材、及び前記Ｘ系金属材が設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合材料。
7. 前記接合材料は線状であり、前記Ｚｎ系金属材の外周に前記Ａｌ系金属材が被覆され、前記Ａｌ系金属材の外周に前記Ｘ系金属材が被覆されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合材料。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の接合材料を用いてはんだ接合されたことを特徴とする半導体装置。

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