JP2016219479A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｚｎ−Ａｌ系はんだを用いて、はんだ接合率が高く、かつ、接合部にクラックが発生し難い製造方法及び半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１０の製造方法は、第１金属体２２の第１主面にＺｎ−Ａｌ系はんだを成分とする第１はんだ材料層２１を配置し、第１主面と対向する第２主面にＺｎ−Ａｌ系はんだを成分とする第２はんだ材料層２３を配置して仮積層体を形成する第１工程、仮積層体に圧力及び振動等を加え、第１はんだ材料層の第１主面及び第２はんだ材料層の第２主面と接触する領域に存在する酸化膜を破壊しながら第１金属体、第１はんだ材料層及び第２はんだ材料層を接合させる第２工程及び第１金属体と半導体素子１３とを第１はんだ材料層を用いて、第１金属体と第２金属体３１とを第２はんだ材料層を用いてはんだ付けする工程であって、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの融点以上でＺｎの融点未満である温度に加熱する第３工程、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子と金属体とがＺｎ−Ａｌ系はんだにより接合された半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。

従来から、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）及びダイオード等の半導体素子を備える半導体装置が広く使用されている。更に、半導体装置内の半導体素子を効率良く冷却するために、半導体素子の両方の主面から放熱させるための一対の放熱板を備えた「両面放熱型の半導体装置」が知られている。

このような半導体装置においては、図８に示したように、第１リードフレーム９１の上にはんだ層９２を介して半導体素子（素子）９３が積層され、更に、その素子９３の上にはんだ層９４を介してターミナル９５が積層されている。更に、そのターミナル９５の上にはんだ層９６を介して第２リードフレーム９７が積層されている。

ところで、両面放熱型の半導体装置に使用されるＳｉＣ及びＧａＮ等を用いた次世代ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子は発熱量が大きく、例えば、２５０℃以上の高温となる場合がある。その一方、一般的な低温用Ｐｂフリーはんだの融点は２５０℃よりも低い。例えば、代表的な低温用ＰｂフリーはんだであるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだの融点は２２０℃前後である。従って、両面放熱型の半導体装置に低温用Ｐｂフリーはんだを用いると、半導体装置の動作中に上記はんだ層の材料が溶融する虞がある。そこで、従来の半導体装置の一つ（以下、「従来装置」と称呼する。）は、上記はんだ層９２、９４及び９６の材料としてＰｂを含まない高融点のはんだであるＺｎ−Ａｌ系はんだを採用している（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１４−１９２２０２号公報

ところが、Ｚｎ−Ａｌ系はんだは、その表面にＡｌ酸化膜が形成されるため、はんだの濡れ性が低い。そのため、特にターミナル９５と素子９３との間、及びターミナル９５と第２リードフレーム９７との間、のはんだ付け工程において、はんだ接合率（はんだにより接合されるべき面の面積に対する、はんだが良好に接合されている部分の面積の比）が低くなる虞がある。

加えて、上記ターミナル９５は、素子９３から発生した熱を効率良く第２リードフレーム９７に伝えることができるように、比較的熱伝導率の高いＣｕ、Ａｌ及びＮｉ等の金属、これらを含む合金、並びに、これらの酸化物等により構成される場合が多い。この場合、はんだ付け工程の温度条件を比較的高い温度条件とすると、前述したはんだの濡れ性に起因する問題とは別に、以下の問題が発生する虞がある。なお、以下において「ターミナルの表面に物質Ａが露出している場合」とは、ターミナルを構成している物質Ａ自身が露出している場合及びターミナルの表面に物質Ａからなる膜が形成されている場合、の何れも含む。

（１）ターミナルの表面にＣｕが露出している場合
はんだ付け工程において、はんだの温度がＺｎの融点（４２０℃）を超えると、ＣｕとＺｎ−Ａｌ系はんだ中のＺｎとが反応して、ターミナルとはんだとの界面にＣｕ−Ｚｎ系化合物（金属間化合物）が生成される。このＣｕ−Ｚｎ系化合物は硬くて脆い化合物であり、クラック発生の起点となり得る。即ち、この場合、ターミナルとはんだとの間の接続信頼性が低下する虞がある。

（２）ターミナル表面にＮｉが露出している場合
はんだ付け工程において、はんだの温度がＺｎの融点（４２０℃）を超えると、ＮｉとＺｎ−Ａｌ系はんだ中のＺｎとが反応して、ターミナルとはんだとの界面にＺｎ−Ｎｉ系化合物が生成される。このＺｎ−Ｎｉ系化合物は、前述したＣｕ−Ｚｎ系化合物と同様に硬くて脆い化合物であり、クラック発生の起点となり得る。即ち、この場合においても、ターミナルとはんだとの間の接続信頼性が低下する虞がある。

（３）ターミナル表面にＡｌが露出している場合
はんだ付け工程において、はんだの温度が比較的高いとき、ターミナル中のＡｌ成分がＺｎ−Ａｌ系はんだ中に急速に拡散することにより、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの組成が変化（Ｚｎ−Ａｌ系はんだ中のＡｌ成分の割合が増加）し、硬くて脆い合金に変化する。この傾向は「はんだ付け工程におけるはんだの温度」が高いほど顕著である。よって、この合金の発生によりターミナルとはんだとの間の接続信頼性が低下する虞がある。

本発明は上記２つの問題に対処するために為されたものである。即ち、本発明の目的の一つは、Ｚｎ−Ａｌ系はんだを用いて、第１金属体（例えば、上記ターミナル）に半導体素子（例えば、上記ＩＧＢＴ）及び第２金属体（例えば、上記第２リードフレーム）を接合した半導体装置の製造方法であって、それらの間のはんだ接合率が高く且つ接合部にクラックが発生し難い製造方法、及び、その製造方法により製造された半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するために成された本発明の半導体装置の製造方法（以下、「本発明装方法」とも称呼する。）は、以下の第１乃至第３工程を含む。

第１工程は、第１主面及び同第１主面と対向する第２主面がＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｌ酸化物及びＮｉ酸化物のうちの一つ以上から形成されてなる第１金属体を準備し、前記第１金属体の前記第１主面に接触するようにＺｎ−Ａｌ系はんだを成分とする第１はんだ材料層を配置し、前記第１金属体の前記第２主面に接触するようにＺｎ−Ａｌ系はんだを成分とする第２はんだ材料層を配置して仮積層体を作成する工程である。

第２工程は、前記仮積層体に圧力若しくは振動を加えることにより、又は熱を瞬間的（例えば１秒以下）に加えることにより、前記第１はんだ材料層の前記第１主面と接触する領域に存在する酸化膜及び前記第２はんだ材料層の前記第２主面と接触する領域に存在する酸化膜を破壊しながら前記第１金属体、前記第１はんだ材料層及び前記第２はんだ材料層を接合させる工程である。例えば、この第２工程は、圧延処理及びプレス加工等により実施することができる。

この第２工程を実施することにより、第１及び第２はんだ材料層に存在する酸化膜を除去できるので、後述する「はんだ付け工程である第３工程」において「前述した酸化膜に起因する、はんだ接合率低下」の問題が発生する確率を低下することができる。

第３工程は、前記第１はんだ材料層の前記第１主面と反対側の面と半導体素子の一方の主面とが当接した状態にて同第１はんだ材料層を溶融することにより前記第１金属体と前記半導体素子とを同第１はんだ材料層を用いてはんだ付けし、前記第２はんだ材料層の前記第２主面と反対側の面と第２金属体の一方の主面とが当接した状態にて同第２はんだ材料層を溶融することにより前記第１金属体と前記第２金属体とを同第２はんだ材料層を用いてはんだ付けする工程である。

第１及び第２はんだ材料層を用いてはんだ付けを行う場合、それらのはんだ材料層の温度は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの融点以上でなくてはならない。その一方、それらのはんだ材料層の温度がＺｎの融点未満の温度であれば、第１金属体の表面がＣｕ又はＮｉで構成されている場合に「硬くて脆い金属間化合物（Ｃｕ−Ｚｎ系化合物又はＺｎ−Ｎｉ系化合物）」が生じ難くなることが判明した。更に、それらのはんだ材料層の温度がＺｎの融点未満の温度であれば、第１金属体の表面にＡｌが露出している場合であっても、そのＡｌ成分がＺｎ−Ａｌ系はんだ中に拡散する程度が抑制され、その結果、硬くて脆い合金に変化し難いことも判明した。

そこで、第３工程において、前記第１はんだ材料層及び前記第２はんだ材料層を用いたはんだ付けを行う際に同第１はんだ材料層及び同第２はんだ材料層を前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだの融点以上であり且つＺｎの融点未満である温度に加熱する。

これによれば、硬くて脆い物質（金属間化合物及びＡｌリッチなＺｎ−Ａｌ合金等）の発生が抑制される。従って、接合率が高く且つ接合部分にクラックが発生し難い半導体装置、即ち、接合部分の信頼性及び耐久性に優れた半導体装置を提供することができる。

本発明による半導体装置は、上記の本発明方法により製造された半導体装置である。

この場合、
前記半導体装置は、前記半導体素子、前記第１金属体、前記第２金属体、前記第１はんだ材料層及び前記第２はんだ材料層を封止する封止樹脂を更に備え、
前記第１金属体の表面がＡｌ、Ｎｉ、Ａｌ酸化物及びＮｉ酸化物のうちの一つ以上から形成されていてもよい。

封止樹脂として用いられるエポキシ樹脂は一般的にＣｕとの密着力が低い。そのため、第１金属体の基材をＣｕで構成する場合、第１金属体と封止樹脂とが剥離する虞がある。そこで、上記のように第１金属体の表面全体をＡｌ、Ｎｉ、Ａｌ酸化物及びＮｉ酸化物の何れかによって構成することによって、第１の金属板と封止樹脂との密着力を高い状態に保つことができる。その結果、更に半導体装置の信頼性及び耐久性を向上することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。 図２は、図１に示した半導体装置の一部を構成する第１積層体の製造工程（第１積層体形成工程）を模式的に示した断面図であり、図２の（Ａ）は仮積層体の形成工程（第１工程）、図２の（Ｂ）は仮積層体の圧延工程（第２工程）、図２の（Ｃ）は第１積層体（第２工程を経た仮積層体）の形成工程をそれぞれ示している。 図３は、図１に示した半導体装置の製造工程（第２積層体形成工程（第３工程））を模式的に示した断面図であり、図３の（Ａ）は１回目の積層工程、図３の（Ｂ）は１回目のはんだリフロー工程、図３の（Ｃ）は１回目のはんだリフロー工程後の積層体の状態をそれぞれ示している。 図４は、図１に示した半導体装置の製造工程（第２積層体形成工程（第３工程））を模式的に示した断面図であり、図４の（Ａ）はワイヤボンディング工程、図４の（Ｂ）は２回目の積層工程、図４の（Ｃ）は２回目のはんだリフロー工程後の積層体（第２積層体）の状態をそれぞれ示している。 図５は、ターミナル（第１金属体）の構成を模式的に示した断面図であり、図５の（Ａ）は図１に示した半導体装置に係る第１積層体、図５の（Ｂ）はＡｌを基材とし、Ｎｉめっき処理を施した第１積層体、図５の（Ｃ）はＡｌを基材とした第１積層体、図５の（Ｄ）はＣｕを基材とした第１積層体、図５の（Ｅ）はＣｕを基材とし、Ｎｉめっき処理を施した第１積層体をそれぞれ示している。 図６は、図２に示した第１積層体の製造工程（第１積層体形成工程）の別の実施形態を模式的に示した構成図である。 図７は、第１積層体を構成する部材の接合率を示したグラフであり、図７の（Ａ）は圧延処理による接合率、図７の（Ｂ）は超音波圧接による接合率、図７の（Ｃ）は加熱加工による接合率、図７の（Ｄ）は従来方法（はんだリフロー）による接合率をそれぞれ示している。 図８は、従来技術に係る半導体装置の構成を模式的に示した断面図である。

＜実施形態＞
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法及びその製造方法により製造される同半導体装置について説明する。

（装置構成）
初めに本半導体装置の構成について説明する。本半導体装置の構成を模式的に示した断面図が図１に示されている。以下、説明の便宜上、各図の紙面上方を「上」、紙面下方を「下」と称呼する。従って、各図に示した各部材の紙面の上方の面を「上面」と称呼し、各部材の紙面の下方の面を「下面」と称呼する。

半導体装置１０は、第１リードフレーム１１、第３はんだ材料層１２、半導体素子１３、端子１４、第１積層体２０、第２リードフレーム３１及び封止樹脂４１を備えている。

第１リードフレーム１１は薄板体である。第１リードフレーム１１の平面形状は略長方形である。第１リードフレーム１１はＣｕ（銅）及びＡｌ（アルミニウム）等の金属でできている。なお、図示しないが、第１リードフレーム１１の表面にはＮｉ（ニッケル）めっき処理が施されている。

第３はんだ材料層１２は薄板体である。第３はんだ材料層１２はＺｎ−Ａｌ系のはんだ（亜鉛及びアルミニウム等からなる合金を含んでいるはんだ）で構成されている。Ｚｎ−Ａｌ系のはんだは、高温用のＰｂフリーはんだとして知られている。Ｚｎ−Ａｌ系のはんだの融点は、例えば、その組成がＺｎ／５Ａｌ（アルミニウムを５％含有し、残りが亜鉛から構成されるはんだ）の場合、約３８０℃である。半導体装置１０は動作温度が２５０℃を超えることがあるが、このはんだを用いれば、半導体装置１０の動作中にはんだが溶融してしまう虞がない。

半導体素子１３は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、「ＩＧＢＴ」と称呼する。）である。従って、以下、第１半導体素子１３をＩＧＢＴ１３と称呼する。ＩＧＢＴ１３は薄板形状を有する。ＩＧＢＴ１３の厚さは第１リードフレーム１１の厚さよりも小さい。ＩＧＢＴ１３の平面形状は略長方形であり、平面視において第１リードフレーム１１よりも小さい。ＩＧＢＴ１３はＳｉＣ（シリコンカーバイド）を主とする材料でできている。ＩＧＢＴ１３はコレクタ電極１３ａ、エミッタ電極１３ｂ及びゲート電極１３ｃを備える。なお、図示しないが、コレクタ電極１３ａ、エミッタ電極１３ｂ及びゲート電極１３ｃの表面にはＡｕ(金)めっき処理が施されている。なお、ＩＧＢＴ１３はＧａＮ（窒化ガリウム）を主とする材料でできていてもよい。更に、コレクタ電極１３ａ、エミッタ電極１３ｂ及びゲート電極１３ｃの表面のめっき処理は、Ａｇ（銀）めっきであってもよい。加えて、これらの表面処理は蒸着又はスパッタであってもよい。

コレクタ電極１３ａはＩＧＢＴ１３の下面に形成されている。エミッタ電極１３ｂ及びゲート電極１３ｃはＩＧＢＴ１３の上面（一方の主面）に形成されている。ＩＧＢＴ１３は第３はんだ材料層１２を介して第１リードフレーム１１の上に積層される。即ち、ＩＧＢＴ１３のコレクタ電極１３ａは、第３はんだ材料層１２を介して第１リードフレーム１１と電気的且つ物理的に接続されている。ＩＧＢＴ１３のゲート電極１３ｃは、後述する端子１４にボンディングワイヤＷを介して接続される。ボンディングワイヤＷは、アルミニウム線又はＣｕ線でできている。

端子１４は薄板体である。端子１４はＣｕ及びＡｌ等の金属の導電体でできている。

第１積層体２０は、第１はんだ材料層２１、ターミナル２２及び第２はんだ材料層２３を備えている。第１積層体２０は薄板体である。第１積層体２０の平面形状は略長方形であり、平面視においてＩＧＢＴ１３のエミッタ電極１３ｂよりも小さい。

ターミナル２２は薄板体である。ターミナル２２の厚さはＩＧＢＴ１３よりも大きく、第１はんだ材料層２１よりも大きい。ターミナル２２はＮｉでできている。ターミナル２２の下面（第１主面）２２ａと第１はんだ材料層２１の上面２１ａとは電気的且つ物理的に接続されている。

第２はんだ材料層２３は薄板体である。第２はんだ材料層２３はＺｎ−Ａｌ系のはんだで構成されている。第２はんだ材料層２３の組成は第１はんだ材料層２１の組成と同等であることが望ましい。第２はんだ材料層２３の下面２３ａとターミナル２２の上面（第２主面）２２ｂとは電気的且つ物理的に接続されている。

第１積層体２０の下面２０ａは、半導体素子１３のエミッタ電極１３ｂの上面と当接し電気的且つ物理的に接続されている。

第２リードフレーム３１は薄板体である。第２リードフレーム３１の平面形状は、平面視において第１リードフレーム１１の平面形状と略等しい。第２リードフレーム３１の厚さはＩＧＢＴ１３よりも大きい。第２リードフレーム３１はＣｕ及びＡｌ等の金属でできている。なお、図示しないが、第２リードフレーム３１の表面にはＮｉめっき処理が施されている。第２リードフレーム３１の下面３１ａは、第１積層体２０の上面２０ｂと当接し電気的且つ物理的に接続されている。なお、第２リードフレーム３１の表面の処理は、Ｎｉ／Ａｕめっき処理であってもよい。

封止樹脂４１は略直方体形状を有する。封止樹脂４１は熱硬化性を有するエポキシ系樹脂の絶縁性材料でできている。封止樹脂４１は、シリカ及びアルミナ等の無機フィラーを含有していてもよい。封止樹脂４１は、第１リードフレーム１１、第３はんだ材料層１２、ＩＧＢＴ１３、端子１４、第１積層体２０及び第２リードフレーム３１を埋設する（封止する）。但し、第１リードフレーム１１の下面、端子１４の一部（ボンディングワイヤＷとの接続部分を除く部分）及び第２リードフレーム３１の上面は、封止樹脂４１から露出している。

以上の構成によって、半導体装置１０は「両面放熱型」の構造を有する。即ち、ＩＧＢＴ１３において発生した熱のうち、一部は、コレクタ電極１３ａから第３はんだ材料層１２を介して第１リードフレーム１１に放熱される。残りは、エミッタ電極１３ｂから第１積層体２０（第１はんだ材料層２１、ターミナル２２及び第２はんだ材料層２３）を介して第２リードフレーム３１に放熱される。

ところで、ターミナル２２を構成する材料であるＮｉの熱伝導率は、１００℃雰囲気において８３Ｗ／ｍＫである。これに対し、Ｃｕの熱伝導率は同３９５Ｗ／ｍＫ、Ａｌの熱伝導率は同２４０Ｗ／ｍＫである。即ち、Ｎｉは、熱伝導率の観点からは、Ｃｕ及びＡｌに劣っている。しかし、発明者のＩＧＢＴ１３の温度上昇に関する検討によれば、ＩＧＢＴ１３に所定時間の間に所定の電力量を消費させたとき、ＩＧＢＴ１３の温度は、ターミナル２２の材料がＮｉの場合１７８℃、Ｃｕの場合１７２℃となった。つまり、熱伝導率が比較的低いＮｉをターミナル２２を構成する材料として用いた場合であっても、放熱性能はＣｕを用いた場合と遜色がなく、実用的に問題がないとの結果が得られている。

（製造方法）
次に、半導体装置１０の製造方法について図２〜図４を参照しながら説明する。なお、図２〜図４において、図１と同一の部分については、同一符号が付され、その説明は省略される場合がある。

半導体装置１０の製造工程は、以下の４つの工程に大別される。
（１）第１積層体２０を構成する部材を積層する「仮積層体形成工程」（第１工程）
（２）第１はんだ材料層２１及び第２はんだ材料層２３の表面に存在するＡｌ酸化膜を破壊し、第１積層体２０を構成する部材を電気的且つ物理的に接続して第１積層体２０を形成する「第１積層体形成工程」（第２工程）
（３）半導体装置１０を構成する部材を積層して、はんだ付けにより電気的且つ物理的に接続して第２積層体を形成する「第２積層体形成工程」（第３工程）
（４）第２積層体を封止樹脂４１によりモールドすることによって「モールド体」を成形する「モールド工程」（第４工程）
以下、各工程について説明する。

（１）仮積層体形成工程（第１工程）
仮積層体形成工程は、次のように行われる。先ず、図２（Ａ）に示したように、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金で構成された第１はんだ箔（第１はんだ材料層）２１ｂと、ターミナル２２の基材となるＮｉ製の金属板２２ｃと、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ合金で構成された第２はんだ箔（第２はんだ材料層）２３ｂとをこの順で重ね合わせ、仮積層体２０ｃを形成する。

（２）第１積層体形成工程（第２工程）
次に、この仮積層体２０ｃを、ロール圧延機１５０を用いて上下から加圧する圧延処理が行われる（図２（Ｂ）参照。）。このとき、仮積層体２０ｃを上下から加圧することにより、第１はんだ箔２１ｂ及び第２はんだ箔２３ｂの表面と接触する領域に存在するＡｌ酸化膜が破壊され、金属板２２ｃと第１はんだ箔２１ｂ及び第２はんだ箔２３ｂの金属同士が接触する。

上記加圧状態において、この金属同士の接触界面にて金属原子の拡散が進行するとともに、Ａｌ酸化膜の破壊及び分解が進行する。その結果、清浄な金属表面同士が接触する割合が増加して接触界面に原子配列が乱れた結晶粒界が成長することによって金属同士が接合される。このようにして、圧延処理を行う圧延工程において、第１はんだ箔２１ｂ、金属板２２ｃ及び第２はんだ箔２３ｂが接合した積層体２０ｄが形成される。

次に、上記圧延工程において形成された積層体２０ｄを予め定められた大きさに切断して、第１積層体２０を得る（図２（Ｃ）参照。）。

（３）第２積層体形成工程（第３工程）
第２積層体形成工程は、次のようにはんだリフローが２回行われる。先ず、図３（Ａ）に示したように、第１リードフレーム１１の上面（即ち、Ｎｉめっき層の上面）に、後に第３はんだ材料層１２となるはんだペースト１２ａを塗布する。次に、はんだペースト１２ａの上面にＩＧＢＴ１３及び第１積層体２０を載置してできた積層体をはんだリフロー炉内に搬送し、１回目のはんだリフローを行う（図３（Ｂ）参照。）。このとき、リフロー温度（積層体の温度）は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの融点である３８０℃以上且つＺｎの溶融温度４２０℃以下の範囲に設定される。これにより、Ｚｎ−Ａｌ系はんだとＮｉとの接合界面において、硬くて脆い金属間化合物であるＺｎ−Ｎｉ系化合物の生成を抑えることができる。この温度条件下においては、接合界面において、主として金属間化合物Ａｌ_３Ｎｉ_２が生成される。Ａｌ_３Ｎｉ_２の脆性は比較的低いうえ、その生成反応はＺｎ−Ｎｉ系金属間化合物の生成と比べ緩やかであり、その生成量も僅かであるので、接続信頼性低下の原因とはならない。

上記工程にて、はんだペースト１２ａが溶融して、第１リードフレーム１１とＩＧＢＴ１３のコレクタ電極１３ａとが電気的且つ物理的に接続される。又、第１積層体２０の第１はんだ材料層２１が溶融して、ＩＧＢＴ１３のエミッタ電極１３ｂとターミナル２２とが電気的且つ物理的に接続される。なお、第１リードフレーム１１の表面のはんだペースト１２ａと接触する領域には予めＣｕ薄膜が蒸着されている。そのため、はんだの濡れ性が改善され、第１リードフレーム１１とはんだペースト１２ａとの間において良好なはんだ接合が行われる。更に、ＩＧＢＴ１３のコレクタ電極１３ａ及びエミッタ電極１３ｂには電極保護のためＡｕ薄膜が形成されている。そのため、はんだの濡れ性が改善され、コレクタ電極１３ａとはんだペースト１２ａとの間及びエミッタ電極１３ｂと第１はんだ材料層２１との間において良好なはんだ接合が行われる。

次に、図４（Ａ）に示したように、半導体素子１３のゲート電極１３ｃ及び端子１４に、周知の方法によりボンディングワイヤＷをボンディングする。その後、図４（Ｂ）に示したように、第１積層体２０の上面（第２はんだ材料層２３の上面）に第２リードフレーム３１を積層する。次いで、はんだリフロー炉において２回目のはんだリフローを行う。リフロー温度条件は、前述した条件（３８０℃〜４２０℃）と同様である。よって、この場合も硬くて脆い金属間化合物であるＺｎ−Ｎｉ系化合物の生成を抑えることができる。この工程にて、第２はんだ材料層２３が溶融することにより第１積層体２０の上面と第２リードフレーム１５の下面とが電気的且つ物理的に接続される。このようにして、図４（Ｃ）に示すような「第２積層体Ｌ１」が形成される。

なお、第２リードフレーム３１の表面の第２はんだ材料層２３と接触する領域には予めＣｕ薄膜が蒸着されており、これらの間において良好なはんだ接合が行われる。なお、第２はんだ材料層２３と接触する領域には予めＡｇ又はＡｕ薄膜が蒸着されてもよい。又、第３はんだ材料層１２は、はんだ箔を積層して構成されてもよい。この場合、第３工程において、第１リードフレーム１１の上面にはんだペースト１２ａが塗布される代わりに、はんだ箔が積層される。

（４）モールド工程（第４工程）
モールド工程においては、成形金型を用いた周知の方法により積層体Ｌ１の樹脂封止が行われる。例えば、第２積層体Ｌ１は、上金型と下金型とからなる成形金型に収容される。次に、成形金型の温度を上昇させるとともに、常温において液体状の封止樹脂４１を金型内（キャビティ内）に注入する。封止樹脂４１には、エポキシ系の熱硬化性樹脂を基材とする樹脂を用いる。成形金型の温度を封止樹脂４１の硬化温度以上に設定する。その後、封止樹脂４１が硬化すると、半導体装置１０が完成する（図１参照。）。

＜変形例＞
本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。

（ターミナルの構成）
（１）Ａｌ基材にＮｉめっき処理
半導体装置１０のターミナル２２はＮｉで構成されていたが（図５（Ａ）参照。）、これに代えてＡｌ製の基材に第１はんだ材料層２１と当接する主面２２ａ及び第２はんだ材料層２３と当接する主面２２ｂにＮｉめっき処理が施された構成であってもよい（図５（Ｂ）参照；第１積層体２０ｅ，ターミナル２２ｅ。）。この態様によれば、ターミナルの熱伝導率を高くすることができ、より一層放熱性を高めることができる。なお、ターミナル２２ｅの表面がＮｉ酸化物で構成されていてもよい。

（２）Ａｌ基材
更に、半導体装置のターミナル２２ｅは、Ｎｉめっき処理が施されていなくてもよい。即ち、ターミナルの第１はんだ材料層２１と当接する主面２２ａ及び第２はんだ材料層２３と当接する主面２２ｂがＡｌ製又はＡｌ酸化物の基材が用いられてもよい（図５（Ｃ）参照；第１積層体２０ｆ，ターミナル２２ｆ。）。前述した第１積層体形成工程（圧延処理工程（第２工程））においては、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面のＡｌ酸化膜を破壊しながら接合することが可能である。よって、ターミナルの表面に形成されたＡｌ酸化膜も破壊することが可能である。従って、Ａｌ製の基材には必ずしもＮｉめっき処理が施されている必要はない。この態様によれば、ターミナルの表面処理にかかるコストを削減することができる。

（３）Ｃｕ基材
半導体装置のターミナル２２はＣｕで構成されていてもよい（図５（Ｄ）参照；第１積層体２０ｇ，ターミナル２２ｇ）。この態様によれば、ターミナルの熱伝導率を、ターミナルがＡｌで構成されたときの熱伝導率よりも高くすることが可能である。

（４）Ｃｕ基材にＮｉめっき処理
ところで、前述したように、Ｃｕは封止樹脂４１との密着性が低いという問題がある。そこで、ターミナルの封止樹脂４１と接する面をＮｉめっきによって被覆することによって、封止樹脂４１の密着力不足を解消することができる。但し、この場合、ターミナルの第１はんだ材料層２１及び第２はんだ材料層２３と面している面に存在するＣｕ分がマイグレーション等によりターミナル側方の封止樹脂４１と接する面に周り込んでターミナルと封止樹脂４１との密着力を低下させる可能性がある。従って、図５（Ｅ）に示したように、第１積層体２０ｈにおいて、ターミナル２２ｈ全体にＮｉめっき処理を施すことが望ましい。これにより、封止樹脂４１と接する面２２ｉにおける密着力を高めることができる。

（はんだの組成）
使用するＺｎ−Ａｌ系はんだの組成は、Ｚｎ／５Ａｌに限ることはなく、Ｚｎ及びアルミニウムを主成分とするはんだであればよい。例えば、Ｚｎ、Ａｌ及びＧｅの他にＡｇ、Ｍｇ、Ｓｎ等を微量に含んでいてもよい。

（ターミナルの表面処理方法）
ターミナルの表面処理はめっき処理に限ることはなく、蒸着及びスパッタ等により行われてもよい。

（第１積層体のその他の製造方法）
前述した実施形態における第１積層体２０の製造方法は、圧延処理に代えて以下に示す方法を用いてもよい。

（摩擦熱を利用する方法）
第１積層体２０を構成する各部材の接合界面（ターミナル２２と第１はんだ材料層２１との界面及び第２はんだ材料層２３との間の界面）に形成される酸化被膜は、摩擦熱によっても破壊することができる。

そこで、第１積層体２０の製造方法の一つは、例えば、以下のように行われる。先ず、第１積層体２０のターミナル２２と第１はんだ材料層２１とを押し当てターミナル２２を固定する。次に、第１はんだ材料層２１をその方向が両者の当接する面に対して垂直な回転軸を中心として回転させることによって摩擦熱を発生させ、接合界面に形成された酸化被膜を破壊する。酸化被膜が破壊された後、第１はんだ材料層２１の回転を停止し両者を接合させる。ターミナル２２と第２はんだ材料層２３との接合も上記と同様に行われる。

上記製造方法は構成部材の回転により摩擦熱を発生させているが、構成部材の往復動によって摩擦熱を発生させるようにしてもよい。この場合、構成部材は、両者の接合界面と平行な方向に往復動させる。なお、これら摩擦熱により酸化被膜を破壊させる方法を用いる場合、接合界面に硬くて脆い金属間化合物（Ｃｕ−Ｚｎ系化合物又はＺｎ−Ｎｉ系化合物）が生成されないように、部材（接合界面）の温度がＺｎの融点（４２０℃）を超えないようにして行われる。又、上記製造方法において構成部材に印加する圧力は、圧延処理において構成部材に印加する圧力よりも低い。

（超音波エネルギーを利用する方法）
第１積層体２０を構成する各部材の接合界面に形成される酸化被膜は、超音波振動を印加することによっても破壊することができる。

そこで、第１積層体２０の製造方法の一つは、次のように行われる。図６に示したように、第１はんだ材料層２１及びターミナル２２は、超音波振動印加装置１６０のチップ（音極）１６１とアンビル（反射極）１６２との間に重ねられて挿入され、チップ１６１とアンビル１６２により挟持され加圧される。そして、超音波発振器１６３により発生した超音波により振動子１６４が振動し、第１はんだ材料層２１に当接するチップ１６１が図６中に矢印Ａにより示した方向に振動する。この超音波振動が第１はんだ材料層２１とターミナル２２との接合界面に形成された酸化被膜を破壊して両者を接合させる（超音波圧接）。

更に、第１はんだ材料層２１及びターミナル２２を第１はんだ材料層２１がチップ１６１と当接する位置（ターミナル２２がアンビル１６２と当接する位置）を変更しながら超音波の印加を繰り返すことによって、第１積層体２０の面全体の圧接が行われる。第２はんだ材料層２３とターミナル２２との接合も同様にして超音波圧接が行われる。なお、この製造方法の場合、熱の発生がほとんどないので、硬くて脆い金属間化合物は生成されない。又、超音波圧接時にＺｎの融点以下（約４２０℃以下）の熱を与えてもよい。

（瞬間的な熱を利用する方法）
第１積層体２０を構成する各部材の接合界面に形成される酸化被膜は、瞬間的に熱を印加することによっても破壊することができる。

そこで、第１積層体２０の製造方法の一つは、次のように行われる。第１積層体２０のの構成部材同士を押し当てた状態にて溶接が行われる。この溶接は、アーク溶接、レーザー溶接及び電子ビーム溶接等の何れの方法であってもよい。具体的には、ターミナル２２と第１はんだ材料層２１とを押し当てた状態にて当接する面の溶接を行い当接する面に形成された酸化被膜を破壊しながら両者を接合させる。その後、ターミナル２２と第１はんだ材料層２１とにより構成された合金と第２はんだ材料層２３とを押し当てた状態にて当接する面の溶接を行い接合界面に形成された酸化被膜を破壊しながら両者を接合させる。

更に、第１積層体２０の製造方法の一つは、次のように行ってもよい。第１積層体２０の構成部材同士を押し当てた状態にて、赤外線及び電磁誘導等により、又は爆発エネルギーを利用して部材を加熱する。即ち、ターミナル２２と第１はんだ材料層２１とを押し当てた状態にて加熱し、両者の当接する面の酸化被膜を破壊して両者を接合させる。その後、ターミナル２２と第１はんだ材料層２１とにより構成された積層体と、第２はんだ材料層２３と、を押し当てた状態にて加熱し両者の接合界面の酸化被膜を破壊して両者を接合させる。

上記方法においては、第１積層体２０を構成する各部材の温度が一時的にＺｎの融点（４２０℃）を超えるが、瞬間的に（例えば、１秒以下で）加熱することにより、前述した硬くて脆い金属間化合物を生成させないようにすることができる。なお、瞬間的に加熱する方法は、加熱後、第１積層体２０を急冷却する方法であってもよい。

上述した方法により製作された第１金属体２０における接合部（ターミナル２２と第１はんだ材料層２１との界面又はターミナル２２と第２はんだ層２３との界面）の接合率を比較したグラフが図７に示される。この接合率は、接合界面全体（接合されるべき面）の面積に対する、良好に接合されている部分の面積の比を表している。

図７の（Ａ）は圧延処理による場合であり、図７の（Ｂ）は超音波圧接による場合であり、図７の（Ｃ）は加熱による場合である。図７の（Ｄ）は従来方法（従来のリフロー工程）による場合である。

図７から理解されるように、いずれの方法（図７（Ａ）〜（Ｃ））によっても９０％以上の高い接合率を達成している。これに対し、従来方法（図７（Ｄ））は接合率が極めて低い。従って、本実施形態に係る製造方法により、接合率に大きな改善が見られることがわかる。

半導体素子がＩＧＢＴ１３のような３端子の素子ではなく、ダイオードのような２端子の素子の場合には、ワイヤボンディングが不要である。この場合には、第３工程において２回に分けて行っていたはんだリフローを１回にまとめて行うことができる。即ち、第３工程において、第１リードフレーム１１の上面に、はんだペースト１２ａを塗布し、はんだペースト１２ａの上面に第１積層体２０を載置し、更に、第１積層体２０の上面に第２リードフレーム３１を積層してできた積層体をはんだリフロー炉内に搬送し、はんだリフローを行う。このとき、リフロー温度は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの融点である３８０℃以上且つＺｎの溶融温度４２０℃以下の範囲に設定される。

この工程にて、第１はんだ材料層２１が溶融することにより第１積層体２０の下面とＩＧＢＴ１３のエミッタ電極１３ｂとが電気的且つ物理的に接続される。第２はんだ材料層２３が溶融することにより第１積層体２０の上面と第２リードフレーム３１の下面とが電気的且つ物理的に接続される。このようにして、「第２積層体Ｌ１」に相当する積層体が形成される。

このように、半導体装置１０の製造方法は、
第１主面（２２ａ）及び同第１主面と対向する第２主面（２２ｂ）がＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｌ酸化物及びＮｉ酸化物のうちの一つ以上から形成されてなる第１金属体（ターミナル２２）を準備し、前記第１金属体の前記第１主面に接触するようにＺｎ−Ａｌ系はんだを成分とする第１はんだ材料層２１を配置し、前記第１金属体の前記第２主面に接触するようにＺｎ−Ａｌ系はんだを成分とする第２はんだ材料層２３を配置して仮積層体２０ｃを作成する第１工程を含む。

更に、半導体装置１０の製造方法は、前記仮積層体に圧力若しくは振動を加えることにより、又は熱を瞬間的に加えることにより、前記第１はんだ材料層の前記第１主面と接触する領域に存在する酸化膜及び前記第２はんだ材料層の前記第２主面と接触する領域に存在する酸化膜を破壊しながら前記第１金属体、前記第１はんだ材料層及び前記第２はんだ材料層を接合させる第２工程を含む。

加えて、半導体装置１０の製造方法は、前記第１はんだ材料層の前記第１主面と反対側の面と半導体素子（ＩＧＢＴ１３）の一方の主面１３ｄとが当接した状態にて同第２はんだ材料層を溶融することにより前記第１金属体と前記半導体素子とを同第１はんだ材料層を用いてはんだ付けし、
前記第２はんだ材料層の前記第２主面と反対側の面と第２金属体（第２リードフレーム３１）の一方の主面３１ａとが当接した状態にて同第２はんだ材料層を溶融することにより前記第１金属体と前記第２金属体とを同第２はんだ材料層を用いてはんだ付けする工程であって、
前記第１はんだ材料層及び前記第２はんだ材料層を用いたはんだ付けを行う際に同第１はんだ材料層及び同第２はんだ材料層を前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだの融点以上であり且つＺｎの融点未満である温度に加熱する第３工程を含む。

従って、本発明に係る製造方法によれば、Ｚｎ−Ａｌ系はんだを用いてターミナル２２と半導体素子１３又はターミナル２２と第２リードフレーム３１とを接合する場合であっても、ターミナルとはんだとの界面に信頼性を低下させる虞のある化合物又は合金を生成せず且つはんだの接合率を確保でき、その結果、信頼性及び耐久性に優れている半導体装置を提供することができる。

１０…半導体装置、１１…第１リードフレーム、１２…第３はんだ材料層、１３…半導体素子、２０…第１積層体、２１…第１はんだ材料層、２２…ターミナル、２３…第２はんだ材料層、３１…第２リードフレーム、４１…封止樹脂。

Claims (3)

1. 第１主面及び同第１主面と対向する第２主面がＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｌ酸化物及びＮｉ酸化物のうちの一つ以上から形成されてなる第１金属体を準備し、前記第１金属体の前記第１主面に接触するようにＺｎ−Ａｌ系はんだを成分とする第１はんだ材料層を配置し、前記第１金属体の前記第２主面に接触するようにＺｎ−Ａｌ系はんだを成分とする第２はんだ材料層を配置して仮積層体を作成する第１工程、
   前記仮積層体に圧力若しくは振動を加えることにより、又は熱を瞬間的に加えることにより、前記第１はんだ材料層の前記第１主面と接触する領域に存在する酸化膜及び前記第２はんだ材料層の前記第２主面と接触する領域に存在する酸化膜を破壊しながら前記第１金属体、前記第１はんだ材料層及び前記第２はんだ材料層を接合させる第２工程、及び
   前記第１はんだ材料層の前記第１主面と反対側の面と半導体素子の一方の主面とが当接した状態にて同第１はんだ材料層を溶融することにより前記第１金属体と前記半導体素子とを同第１はんだ材料層を用いてはんだ付けし、前記第２はんだ材料層の前記第２主面と反対側の面と第２金属体の一方の主面とが当接した状態にて同第２はんだ材料層を溶融することにより前記第１金属体と前記第２金属体とを同第２はんだ材料層を用いてはんだ付けする工程であって、前記第１はんだ材料層及び前記第２はんだ材料層を用いたはんだ付けを行う際に同第１はんだ材料層及び同第２はんだ材料層を前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだの融点以上であり且つＺｎの融点未満である温度に加熱する第３工程、
   を含む、半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の方法によって製造された半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記半導体装置は、前記半導体素子、前記第１金属体、前記第２金属体、前記第１はんだ材料層及び前記第２はんだ材料層を封止する封止樹脂を更に備え、
   前記第１金属体の表面がＡｌ、Ｎｉ、Ａｌ酸化物及びＮｉ酸化物のうちの一つ以上から形成されている、
   半導体装置。
   

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