JP2016030281A - 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系金属材層１と、Ｚｎ系金属材層１上に設けられたＡｌを主成分として含有するＡｌ系金属材層２と、Ａｌ系金属材層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系金属材層（Ｃｕ系金属材層３）とを備えた板状の接合材料１０であって、Ｚｎ系金属材層１には、熱膨張率が５以下の金属材料からなる、複数の貫通孔を備える金属板（インバーメッシュ４）が内在している。
【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、融点により高温はんだ、中温はんだ、低温はんだの３種類に分けられる。このうち、高温はんだについては、例えば、特許文献１において鉛フリー接合材料が提案されている。

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系金属材層と、前記Ｚｎ系金属材層上に設けられたＡｌを主成分として含有するＡｌ系金属材層と、前記Ａｌ系金属材層上に設けられたＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有するＸ系金属材層とを備え、前記Ｚｎ系金属材層には、熱膨張率が５以下の金属材料からなる、複数の貫通孔を備える金属板が内在していることを特徴とする板状の接合材料。
［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］前記複数の貫通孔を備える金属板は、メッシュ状の金属板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］前記複数の貫通孔を備える金属板の厚さは、前記Ｚｎ系金属材層の厚み未満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］前記複数の貫通孔は、前記金属板面上の孔の最大長が１ｍｍ未満であ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］前記複数の貫通孔は、前記金属板面上の孔の面積が接合対象のチップの接合面積未満であることを特徴とする前記［１］〜［５］の何れか１つに記載の接合材料。
［７］前記接合材料の体積に占める前記複数の貫通孔を備える金属板の体積の比率が２０％以上７０％以下であることを特徴とする前記［１］〜［６］の何れか１つに記載の接合材料。
［８］前記複数の貫通孔を備える金属板は、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］〜［７］の何れか１つに記載の接合材料。
［９］前記Ｚｎ系金属材層の両面に、前記Ａｌ系金属材層及び前記Ｘ系金属材層が設けられている前記［１］〜［８］の何れか１つに記載の接合材料。
［１０］前記［１］〜［９］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のII−II線における断面を下から見た図である。 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。

（接合材料の構成）
図１は、本発明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。また、図２は、図１のII−II線における断面を下から見た図である。以下、図を参照しつつ本発明の実施の形態に係る接合材料を説明する。

本発明の実施形態に係る板状の接合材料１０は、板状のＺｎ系金属材層１の両面に、Ａｌ系金属材層２及びＸ系金属材層３（図１ではＣｕ系金属材層）が順に設けられている。Ｚｎ系金属材層１の両面に設ける場合に限られず、Ｚｎ系金属材層１の片面にのみ、Ａｌ系金属材層２及びＸ系金属材層３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系金属材層２のみを設ける構成であってもよい。

図１に示される接合材料１０は、Ｚｎ系金属材層１に熱膨張率が５以下の金属材料からなる、複数の貫通孔を備える金属板（図に示す具体例ではインバーからなるメッシュ状の金属板であるインバーメッシュ４）が内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系金属材層３として、Ｃｕを例示したものである。具体的には、中央にＺｎ系金属材層１（以下、単にＺｎと記載することがある）、その両面にＡｌ系金属材層２（以下、単にＡｌと記載することがある）、各Ａｌ系金属材層２上にＣｕ系金属材層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。

複数の貫通孔を備える金属板としては、種々の形態を採用でき、例えば、複数の貫通孔がメッシュ状、格子状、又はハニカム状に設けられた金属板を挙げることができる。以下、複数の貫通孔がメッシュ状に設けられた金属板（以下、メッシュ状の金属板という）を例に図を参照して具体的に説明するが、複数の貫通孔が格子状やハニカム状等に設けられた金属板においても同様である。

Ｚｎ系金属材層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系金属材層１に内在しているメッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）を構成する熱膨張率が５以下の金属材料としては、Ｆｅ−Ｎｉ系合金が好ましく、インバー（例えば熱膨張率が１〜２程度のインバー）が特に好ましい。ＭｏやＷを用いることもできる。

メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）の厚さは、熱抵抗の増大を抑制するため、Ｚｎ系金属材層１の厚み未満であることが好ましく、Ｚｎ系金属材層１の厚みの３／４以下であることがより好ましく、Ｚｎ系金属材層１の厚みの２／３以下であることがさらに好ましい。また、薄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、メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）の厚みの下限は、Ｚｎ系金属材層１の厚みの１／８以上であることが好ましく、Ｚｎ系金属材層１の厚みの１／６以上であることがより好ましく、Ｚｎ系金属材層１の厚みの１／４以上であることがさらに好ましい。

Ｚｎ系金属材層１に内在させるメッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）は、１枚でも２枚以上の複数枚でもよい。１〜２枚であることが好ましく、１枚であることがより好ましい。２枚以上の場合は、その合計板厚が上記の範囲であることが好ましい。また、２枚以上の場合は、各金属板が有するメッシュを構成する孔の位置が上下で一致するように配置することが熱抵抗の増大を抑制する点で好ましい。

メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）は、図１に示すように、Ｚｎ系金属材層１のほぼ中央部に配置されるように内在されていることが好ましい。すなわち、Ｚｎ系金属材層１の両面のＡｌ系金属材層２に接しない位置に配置されることが望ましい。

メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）が有する貫通孔の金属板面上の孔の最大長は、１ｍｍ未満であることが好ましく、０．９ｍｍ以下であることがより好ましく、０．８ｍｍ以下であることがさらに好ましい。例えば、図２に示す孔は、ひし形形状であり、縦の対角線の長さＬ_１＞横の対角線の長さＬ_２となっているので、この孔の最大長はＬ_１である。孔の最小長は、０．２ｍｍ以上であることが好ましく、０．３５ｍｍ以上であることがより好ましく、０．５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。

孔の形状は、図２のようなひし形に限られるものではなく、円形、楕円形、多角形等の種々の形状を採り得る。いずれの形状においても、１つの孔における最大長と最小長の差が１．５倍以内であることが好ましい。

孔は、金属板全面に亘って設けられていることが熱伝導の点で好ましい。複数の孔の大きさが一様である場合は、それらが等間隔、あるいは任意のパターンで配置されていると均一な熱伝導が維持できる点で好ましい。一方、複数の孔の大きさが一様でない場合は、被接合部の発熱部に偏りがあるときに、より大きい孔をその直下又は近傍に配置することにより、熱伝導を優先した分布を設計することができる。

隣接する孔間の距離は、１．２ｍｍ未満であることが好ましく、１．１ｍｍ以下であることがより好ましく、１．０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。また、０．２５ｍｍ以上であることが好ましく、０．４ｍｍ以上であることがより好ましく、０．５５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。例えば、図２に示す孔間隔は、図の縦方向の間隔Ｄ_１＞図の横方向の間隔Ｄ_２となっているが、間隔Ｄ_１、Ｄ_２のいずれもが上記の範囲内であることが好ましい。

メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）のメッシュの線径は、例えば、φ２０μｍ以下であることが好ましい。

メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）が有する貫通孔の金属板面上の孔１つあたりの面積は、接合対象のチップの接合面積未満であることが好ましく、チップの接合面積の５／６以下であることがより好ましく、チップの接合面積の４／５以下であることがさらに好ましい。また、孔の面積の下限は、接合対象のチップの接合面積の１／６以上であることが好ましく、チップの接合面積の１／５以上であることがより好ましく、チップの接合面積の１／４以上であることがさらに好ましい。

また、接合材料全体の体積に占めるメッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）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メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）をＺｎ系金属材層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、メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）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。Ｎｉ以外に、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕと反応性の低い金属、例えば、金、銀等でめっき層を形成してもよい。

Ａｌ系金属材層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系金属材層３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１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系金属材層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系金属材層１中に内在しているメッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）の体積は含まれない（以下、同様）。

また、Ｘ系金属材層３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系金属材層３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系金属材層３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メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）が内在しているＺｎ系金属材１を用いる点で異なる。当該Ｚｎ系金属材層１は、例えば、クラッド圧延、熱間プレス等によりＺｎ板でインバーメッシュ４などのメッシュ状の金属板を挟み込み、孔にＺｎを侵入させて得ることができる。また、溶融した亜鉛を流し込んだ容器にメッシュ状の金属板を入れて固めることで得ることもできる。この際、孔の形状が円形に近いほどＺｎが孔に入り込みやすい。図２に示すように、孔のすべてにＺｎを隙間なく充填させる。

なお、メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）は、例えば、金属板をエキスパンド製造機によって千鳥状に切れ目を入れながら押し広げ、その切れ目を菱形や亀甲形に成形することで得ることができる。

（接合後の状態）
図３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、メッシュ状の金属板（インバーメッシュ４）は、図３に示されるように、凝固したＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ共晶中に内在している。

（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系金属材層に熱膨張率が５以下の金属材料からなる、複数の貫通孔を備える金属板を内在させたため、接合材料の溶融・凝固後に当該複数の貫通孔を備える金属板が低熱膨張材として機能し、接合部全体のみかけの熱膨張率を低減する、すなわち接合部全体の高熱伝導（低熱抵抗）が図れるので、熱応力が低減し、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、複数の貫通孔の内部に良熱伝導体である接合材（Ｚｎ系金属材）が充填されることにより、複数の貫通孔を設けない場合に比べて、接合部全体の熱伝導（特に板厚方向の熱伝導）の低下を抑制することができるため、接合時の信頼性を確保できる。

さらに、高荷重ではんだ付けを行なった場合でも、複数の貫通孔を備える金属板の厚みや体積比率を調整することによって、溶融凝固後に金属板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（チップ）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：接合材料
１：Ｚｎ、２：Ａｌ、３：Ｃｕ、４：インバーメッシュ
５：Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ共晶、６：金属間化合物
２０：チップ、３０：リードフレーム

Claims (10)

1. Ｚｎを主成分として含有するＺｎ系金属材層と、前記Ｚｎ系金属材層上に設けられたＡｌを主成分として含有するＡｌ系金属材層と、前記Ａｌ系金属材層上に設けられたＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有するＸ系金属材層とを備え、
   前記Ｚｎ系金属材層には、熱膨張率が５以下の金属材料からなる、複数の貫通孔を備える金属板が内在していることを特徴とする板状の接合材料。
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. 前記複数の貫通孔を備える金属板は、メッシュ状の金属板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. 前記複数の貫通孔を備える金属板の厚さは、前記Ｚｎ系金属材層の厚み未満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. 前記複数の貫通孔は、前記金属板面上の孔の最大長が１ｍｍ未満であ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. 前記複数の貫通孔は、前記金属板面上の孔の面積が接合対象のチップの接合面積未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合材料。
7. 前記接合材料の体積に占める前記複数の貫通孔を備える金属板の体積の比率が２０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合材料。
8. 前記複数の貫通孔を備える金属板は、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１〜７のいずれか１項に記載の接合材料。
9. 前記Ｚｎ系金属材層の両面に、前記Ａｌ系金属材層及び前記Ｘ系金属材層が設けられている請求項１〜８のいずれか１項に記載の接合材料。
10. 請求項１〜９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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