JP2017147285A - ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと金属母材とのクラッド材によって接合された接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】高信頼性が要求される半導体素子と基板とを良好に接合する技術を提供する。【解決手段】半導体素子１がクラッド材２によって基板３に接合されてなる接合体であって、該半導体素子１と該クラッド材２とが互いに対向する両面においては該半導体素子１側の面の方が該クラッド材２側の面よりも狭く、該クラッド材２はＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、及びＦｅ−Ｎｉ系合金のうちのいずれかからなる金属母材２１と、その少なくとも該半導体素子１に対向する面に設けられた層状のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ合金２２とからなる。このＺｎ−Ａｌ系合金はんだ２２は、Ａｌを０.９質量％以上９.０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＺｎから構成されることが好ましく、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、及びＰのうちの１種以上を所定量含有するのがより好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｎｉ系母材とＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだとのクラッド材によって接合された接合体に関し、特に該クラッド材によってパワーデバイス用などの高信頼性が要求される半導体素子（半導体チップ）が基板に接合されてなる接合体に関する。

近年、パワーデバイスなどの高信頼性が要求される半導体装置はますます高機能化が進んでおり、種々の機能を持たせたものや処理速度を高めたものが次々に提供されている。これに伴い、半導体装置に用いられている半導体素子の各々に求められる機能も増大する傾向にある。また、半導体装置には取扱いの容易さや省力化などが求められており、これらの観点から半導体素子は小型のものが求められている。一方、前述した高機能化を実現するため半導体素子は大型になる場合があり、半導体素子のサイズは二極化が進んでいる。

大型の半導体素子では内部を流れる電流が増大する傾向にあり、１個当たり数１０アンペアの大電流が流れることが普通になってきている。このように各半導体素子に流れる電流が増大すると、半導体素子の発熱量が多くなるため、その放熱が問題になる。すなわち、半導体素子から発生する熱を良好に逃がすことができなければ半導体素子やその周辺部が過熱し、半導体素子が壊れたり周囲のモールド樹脂や電極部等が破損したりする恐れがある。そこで、半導体素子と基板との接合には放熱性の良いはんだ材料を用いることが必要になる。これにより、半導体素子で生ずる熱の大部分を当該はんだを通して基板に良好に放熱させることができる。換言すれば、はんだ材料の放熱性能が半導体素子に流せる最大電流を決める重要な要因になっている。

半導体素子と基板との接合用はんだに要求される特性には、上記の放熱性のほか応力緩和性が同様に重要視されている。その理由は、一般的に半導体素子には断続的に電流が流れるため、半導体素子及びその周辺部には熱膨張を伴う昇温と熱収縮を伴う降温とが個別に繰り返されるからである。すなわち、半導体素子は基板の材質として一般的に使用されるＣｕとは熱膨張係数が約５倍程度異なるため、はんだには上記の熱膨張や熱収縮による応力がかかりやすく、よって基板等が破損しないように該はんだはこの応力の吸収が可能な応力緩和性を有していることが必要になる。特に上記したように半導体素子に流れる電流が増大しつつある状況においては、係る熱応力の緩和性に優れたはんだが求められている。

はんだ材料に求められるこれら放熱性及び応力緩和性のうち、放熱性に優れた材料としてはＺｎを主成分とするはんだ材料を挙げることができる。例えば、特許文献１には、Ａｌを１〜９重量％含み、Ｇｅ及び／又はＭｇをＧｅの場合は０.０５〜１重量％、Ｍｇの場合は０.０１〜０.５重量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなる高温はんだ付け用Ｚｎ合金が開示されている。

また、特許文献２には、Ｇｅを２〜９重量％、Ａｌを２〜９重量％、及びＰを０.００１〜０.５重量％それぞれ含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなる第１の高温ろう材や、Ｇｅを２〜９重量％、Ａｌを２〜９重量％、Ｍｇを０.０１〜０.５重量％、及びＰを０.００１〜０.５重量％それぞれ含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなる第２の高温ろう材が開示されている。

また、特許文献３には、平均粒径１μｍ以上１００μｍ以下のＡｌ粉に対して被覆処理を施さないか、あるいはその少なくとも一部に対してＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ、及びＣｕからなる群の１種以上を用いて厚み１μｍ以下の皮膜を形成する被覆処理を施すことによって得た金属粉と、Ｚｎを主成分としＡｌを第２元素とする２元合金からなるＺｎ合金はんだ粉と、フラックスとを有する高温Ｐｂフリーはんだペーストであって、金属粉とＺｎ合金はんだ粉との合計を１００質量％としたとき、金属粉が３質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする高温Ｐｂフリーはんだペーストが開示されている。

また、特許文献４には、半導体素子と、少なくとも表面の主元素をＣｕとする基板と、該半導体素子より小さな形状のＺｎＡｌ共晶はんだチップとをそれぞれ準備する工程と、これら半導体素子と基板とをそれぞれの接合面が対向するように配置すると共に、これらの間に上記ＺｎＡｌ共晶はんだチップを挟む工程と、上記の挟まれたＺｎＡｌ共晶はんだチップに荷重をかけながら昇温することで該ＺｎＡｌ共晶はんだチップを融解してＺｎＡｌはんだ層を形成する工程と、得られたＺｎＡｌはんだ層に荷重をかけながら降温する工程とを備える半導体装置の製造方法が開示されている。

一方、放熱性や応力緩和性に関する問題を解決する方法として、半導体素子とＣｕ基板との間にセラミックスのＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ）基板を用いる方法がある。この方法は特にモジュールなどの比較的大きな半導体素子を含む製品に数多く適用されており、様々に改良されたＤＢＣ基板の技術が提案されている。例えば特許文献５には、セラミックス基板の表面に金属銅の薄膜を形成した後、該金属銅の薄膜の上に酸化銅を介して銅板を載置して加熱することにより、銅板とセラミックス基板とを十分な結合強度で接合する技術が開示されている。

また、特許文献６には、セラミックス板と、このセラミックス板の一方の表面に貼られた銅板と、他方の表面に貼られた銅回路とにより構成されたＤＢＣ基板が、該セラミックス板の熱線膨張率に近い熱線膨張率を有する金属熱緩衝板を介して金属ベースの上に設けられた電力用半導体モジュールが開示されている。また、特許文献７には、半導体基板等に使用されるＤＢＣ回路基板用窒化アルミニウム焼結体の製造方法及びＤＢＣ回路基板の製造方法が開示されており、特に窒化アルミニウム特有の高熱伝導性を損うことなく強度及び破壊靭性値が共に大幅に改善され、放熱性にも優れたＤＢＣ回路基板用窒化アルミニウム焼結体の製造方法及びＤＢＣ回路基板の製造方法が開示されている。具体的には、特許文献７のＡｌＮ焼結体は、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、また３点曲げ強度が４５０ＭＰａであり、破壊靭性値が３.０ＭＰａ・ｍ^１／２以上と記載されている。また、焼結体を酸化熱処理することにより焼結体表面に均一な酸化膜を形成することも記載されている。

上記のようなＤＢＣ基板を用いた技術がある一方で、クラッド技術とはんだ技術とを合わせた技術も提案されている。例えば特許文献８には、アルミニウム系部材と銅系部材とが純アルミニウム又はＪＩＳ１０００系アルミニウム合金からなるインサート材を介してクラッドされているクラッド材が開示されている。このアルミニウム−銅クラッド材は、銅系材料の優れた伝熱性及び耐食性とアルミニウム系材料の軽量性とを兼ね備えており、熱交換器、放熱器、ヒートパイプなどに適した材料を提供できると記載されている。

また、許文献９には、内層と表面層とを備える積層はんだ材であって、内層はＺｎ単独又は５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎ及び不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、表面層はＳｎ単独又は５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成されることを特徴とする積層はんだ材が開示されている。この積層はんだ材の表面層は、クラッド工法により形成される層であるとも述べられている。

特開平１１−２８８９５５号公報 特開２００４−３５８５４０号公報 特開２０１１−２５１３３２号公報 特開２０１３−３０６０７号公報 特開平６−９００８３号公報 特開平１１−１７０８１号公報 特許第４３０１６１７号公報 特開２００１−２５２７７２号公報 特開２００９−１４２８９０号公報

上記したように、大電流が流れる半導体素子の接合用を目的とする様々な技術が提案されてはいるものの、いずれも下記に示す種々の問題を抱えていると考えられる。すなわち、特許文献１や特許文献２の高温はんだ付け用Ｚｎ合金は熱伝導性に優れたＺｎを主成分としているため、放熱性は非常に優れると考えられるものの（１００℃におけるＰｂの熱伝導率は３４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対してＺｎの熱伝導率は１１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）である）、Ｚｎ−Ａｌ系合金は共晶合金であっても硬い材料であり、引張強度は８０〜１００ＭＰａ程度である。従って、大型のＳｉチップ（半導体素子）の接合用に使用したり、高温用の接合体に使用したりすると熱応力を良好に緩和することができず、半導体素子の割れや基板のクラックなどの不具合を生じる可能性が高くなる。

特許文献３の技術は、Ｚｎを主成分としＡｌを第２元素とする２元合金からなるＺｎ合金はんだ粉を用いた高温Ｐｂフリーはんだペーストに関するものであるが、このはんだ粉はＺｎ−Ａｌ系合金であることから、やはり上記特許文献１や特許文献２と同様の厳しい条件で使用した場合は良好に熱応力を緩和することができなくなって不具合を生じる可能性が高い。更にペーストという形態をとっているため、ペーストに含まれるフラックスによってワイヤやシートなどの成形はんだに比べてボイドが発生し易く、これがクラック発生の原因になる。特許文献４の技術もＺｎＡｌ共晶はんだを使用しているため、例えば１５０℃を超える用途では良好な応力緩和性を持っているとは言い難い。

特許文献５の技術は、基板表面の酸化物とＣｕＯの共融相を介して接着する方法が有する、処理条件のコントロールが難しいという問題や接着強度の点でやや信頼性に欠けるという問題を解決することを目的とするものである。しかし、スパッタリング法、化学銅めっき法又は真空蒸着法によって形成された金属被膜層を介したセラミック基板と銅板との接合がどのようなメカニズムで高い結合強度を得ているのか説明されていない。金属皮膜層を介さずに銅基板とセラミックス基板とを直接接合した場合であっても同様に銅とセラミックとの接合であるので、銅側の厚さが厚くなるだけであって界面で生じる反応は同じであると考えられ、よって得られる接合強度（結合強度）もほぼ同じであると考えられる。更にセラミックス基板の上に金属銅の薄膜を形成してこの銅薄膜の表面に銅板を接合する場合、熱力学的な理由から銅被膜の表面に酸化銅が生成されるのを実質的に避けることができないため、直接セラミックス基板と銅板とを接合する場合に比べてこの銅酸化膜を介しての接合となり、その分だけ接合強度は悪影響を受けるおそれがある。また、銅薄膜形成のコストがかかるという問題も有している。

特許文献６の技術は緩衝材を用いるため製造コストがかかる上、緩衝材にＴｉを用いた場合は接合信頼性が得られないおそれがある。すなわち、Ｔｉは融点が高く、どのようなはんだや接合材に対しても合金化しにくく、更に濡れ性が悪くてはんだ等の接合材をはじく性質がある。よってＴｉを用いた場合は良好に接合できなかったり、仮に接合できたとしても接合強度が低く、通常求められる信頼性を得られないおそれがある。

特許文献７には、前述したように熱伝導性、曲げ強度、及び破壊靭性に関して非常に良好なＤＢＣ基板が得られると記載されているが、ＤＢＣ基板はこれらの特性だけ優れていればよいわけではない。すなわち、ＤＢＣ基板は銅板やはんだ材料との良好な接合が必要であるが、特許文献７にはこの接合性に関して特に触れられていない。焼結体の原料に含まれるＣａやＢａなどは非常に酸化され易い元素であり、これらの元素の酸化物が１〜１０重量％程度含まれると接合面に安定した酸化物が多く含まれていることになり、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕなどの接合面と合金化しにくくなり、良好な接合強度が得られないと考えられる。更に焼結体の原料は複雑な多元型材料によって構成されており、この場合は結晶粒制御は容易ではないはずであるが、これについても触れられていない。

特許文献８のクラッド材は、銅単体やアルミニウム単体では実現できない特性を有しているものの、大電流が流れる半導体素子の接合用のクラッド材を目的としたものではなく、よって応力緩和性を要する用途に適しているか否か不明である。また、特許文献９のクラッド技術に使用されるはんだ材も固相線温度が１９９℃であるＺｎ−Ｓｎ系合金を基本としており、大電流が流れる半導体素子の接合用には適していない。

本発明は上記した従来の技術が抱えている各種の問題に鑑みてなされたものであり、パワーデバイスなどの高信頼性が要求される半導体素子と基板とを良好に接合する技術を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による接合体は、半導体素子がクラッド材によって基板に接合されてなる接合体であって、該半導体素子と該クラッド材とが互いに対向する両面においては該半導体素子側の面の方が該クラッド材側の面よりも狭く、該クラッド材はＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、及びＦｅ−Ｎｉ系合金のうちのいずれかからなる金属母材と、その少なくとも該半導体素子に対向する面に設けられた層状のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ合金とからなることを特徴としている。

本発明によれば、厳しい使用環境にも耐え得る信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。

本発明に係る接合体の一具体例の斜視図である。

以下、本発明の一具体例の接合体について説明する。図１に示すように、この接合体は半導体素子１が板状のクラッド材２によって基板３に接合されており、クラッド材２は箔状又は板状のＮｉ系金属母材２１と、その両面に設けられたＰｂフリーのＺｎ−Ａｌ系合金はんだ層２２とからなる積層構造になっている。なお、クラッド材は上記の半導体素子１と対向する面にのみＺｎ−Ａｌ系合金はんだ層２２を有するものでもよい。この場合は、例えばクラッド材と基板との間に別途用意したはんだでろう付けされることになる。

このようにクラッド材２はＮｉ系金属母材２１と少なくとも半導体素子１との対向面に設けたＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ層２２とによって構成されているので、比較的柔軟なＮｉ系金属母材２１が応力を緩和させる役割を担い、よって熱応力等が加わってもクラックが発生しにくくなる。また、Ｎｉ系金属母材２１は接合時に溶融しないようにすることで、基板１に対して半導体素子１が傾くのを極めて小さく抑えることができる。更にクラッド材２では合金はんだ層２２及びＮｉ系金属母材がそれぞれ熱伝導性のよいＺｎやＡｌ、及びＮｉ等（１００℃におけるＮｉの熱伝導率は８３Ｗ／（ｍ・Ｋ））から構成されるため、熱伝導性に非常に優れている。加えて、クラッド材２は非常に強度の高いＺｎ−Ａｌ系合金がクラッディングによってＮｉ系金属母材に強固に接合されたものであるため、極めて高い接合強度を有している。

また、半導体素子１とクラッド材２とが互いに対向する両面においては、半導体素子１側の面の方がクラッド材２側の面よりも狭くなっている。このようにクラッド材２側の接合面積より半導体素子１側の接合面積を小さくすることにより、半導体素子１の周縁部にフィレットと称する山の裾野のように濡れ広がる部分が形成される。その結果、熱応力等が加わっても半導体素子やはんだ接合部の周縁部に加わる応力が緩和され、クラックが入りづらくなり、高い接合信頼性を得ることができる。

クラッド材２を構成するＰｂフリーのＺｎ−Ａｌ系合金はんだ層２２とＮｉ系金属母材２の原料は一般的に市場で入手できる原料を用いてもよいが、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだ層２２は、Ａｌを０.９質量％以上９.０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＺｎから構成されるのが好ましい。更に、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだ層２２は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、及びＰのうちの１種以上を含有するのがより好ましい。この場合の含有量は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、及びＳｎでは各々２.０質量％以下とし、Ｇｅでは６.０質量％以下とし、Ｐでは０.５質量％以下とする。

また、Ｎｉ系金属母材の材質は、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、及びＦｅ−Ｎｉ系合金のうちのいずれかとする。これらの原料を用いて例えば箔状のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと箔状のＮｉ系金属母材とを準備し、必要に応じて表面粗さを調整してからクラッディングすることでクラッド材が得られる。得られたクラッド材は用途に応じて熱処理を行ってもよい。次に、上記したＮｉ系金属母材、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ、クラッディング方法及び熱処理について詳しく説明する。

＜Ｎｉ系金属母材＞
本発明の具体例のクラッド材２に用いられるＮｉ系金属母材２１の材質は、Ｎｉ材、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、及びＦｅ−Ｎｉ系合金のうちのいずれかから選択する。その理由は、ＮｉやＦｅはＺｎと適度に反応し、特にＺｎとは過剰に反応しないので厚い金属間化合物が形成されることはなく、よってクラッド材の金属母材の材質として好ましいからである。

上記のＮｉ系金属母材のうち、Ｎｉ材の場合は純Ｎｉを使用するのが好ましく、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の場合は、Ｎｉを約２９質量％、Ｃｏを約１７質量％、及びＦｅを約５３.５質量％含む組成が好ましく、更にその他の元素としてＳｉやＭｎを含有してもよい。この合金は所謂コバール材と呼ばれるものであり、熱膨張係数が約５.０×１０^−６Ｋ^−１と金属の中では硬質ガラスやセラミックスに近い低い値となるように設計されている。このため、半導体接合用基板等に好適に用いられており、本発明においても半導体素子と基板との間に生ずる熱応力を緩和するのに有効に働く。

Ｆｅ−Ｎｉ系合金の場合は、Ｎｉを約４２質量％、及びＦｅを約５７質量％含む組成が好ましく、更にその他の元素としてＣｕやＭｎを含有してもよい。この合金は所謂４２アロイと呼ばれるものであり、熱膨張係数が約４.５〜６.５×１０^−６Ｋ^−１である。このＦｅ−Ｎｉ系合金もＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金と同様に硬質ガラスやセラミックスに近い熱膨張係数となるように設計されており、半導体接合用基板等として好適に用いられている。

上記したＮｉ系金属母材を例えば圧延することでクラッド材の金属母材を作製することができる。その際、使用する原料に特に限定はなく、市場で入手できる一般的なものでよい。次に、一例としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金からなる箔状の金属母材の製造方法について説明する。

先ず、原料として９９.９９質量％以上の純度のＦｅ、Ｎｉ、及びＣｏを準備する。これらを所定量秤量してグラファイト製の坩堝に入れ、横型連続鋳造機の槽内にセットする。連続鋳造機の槽内に窒素を流しながら高周波でこれらの原料を溶解する。原料が十分に溶融したことを確認後、横孔から板状になったＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を引き出す。その際の引出速度は０.３〜５ｍ／分程度が好ましい。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の形状は合金が引き出される横孔の形状によって決まる。合金の引き出し方向に垂直な断面形状は円形や長方形などが一般的であり、横孔の形状を例えば５ｍｍ×６０ｍｍの長方形の形状にすることで、厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍの板状のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を得ることができる。このようにして連続鋳造によって得たＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を十分に冷却した後、適当な長さに裁断する。

次に、得られた合金材を圧延機を用いて所定の厚さまで圧延する。その際、冷間圧延、温間圧延、熱間圧延のいずれの方法で圧延してもよいが、冷間圧延では合金材の表面酸化が進みにくく、後述するクラッディングの際に良好な接合性や高い接合強度が得られるので好ましい。製造速度を上げるために温間圧延や熱間圧延を行ってもよい。但し、その場合は合金材の表面酸化に十分考慮する必要がある。これにより、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金からなる箔状の金属母材が得られる。

＜ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ＞
本発明の一具体例のクラッド材２に用いられるＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ層２２の組成は、Ａｌを０.９質量％以上９.０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除きＺｎからなるのが好ましい。Ａｌの含有量が０.９質量％未満では液相線温度と固相線温度の差が大きくなりすぎ、溶け別れ現象などを生じてしまい、逆に９.０質量％を超えるとＡｌの酸化膜が強固になって良好な接合強度を得にくくなってしまい好ましくない。

また、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ層２２は、必要に応じてＡｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、及びＰのうちの１種以上を添加してもよい。この場合、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、及びＳｎの各含有量は２.０質量％以下、Ｇｅの含有量は６.０質量％以下、Ｐの含有量は０.５質量％以下が好ましい。これらの元素を適切な量で含有させることにより、加工性や応力緩和性が向上したり、濡れ性が向上したり、接合強度が高くなったりするなどの効果が得られる。次に、このＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだの製造方法の一例について説明する。

先ず原料として９９.９９質量％以上のＺｎ、Ａｌ、及びＧｅを準備する。これらを所定量秤量し、グラファイト製の坩堝に入れ、横型連続鋳造機の槽内にセットする。この連続鋳造機の槽内に窒素を流しながら高周波で原料を溶解する。これにより溶解時に酸化物が生成するのを抑えることができる。原料が十分に溶融した後、溶けた原料を撹拌棒で撹拌して混合しながら横孔から１.０ｍ／分の速度で板状のＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ合金を引き出す。横孔のサイズを５ｍｍ×６０ｍｍの長方形の形状にすることで厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍのＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ合金板が得られる。このように連続鋳造によって得たＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ合金板を十分に冷却した後、適当な長さに裁断する。

次に、得られたＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ合金板を圧延機を用いて所定の厚さまで圧延して合金箔の形態にする。その際、冷間圧延、温間圧延、熱間圧延のいずれの方法で圧延してもよいが、Ｚｎ−Ａｌ系合金はＡｌ含有量が５質量％程度であれば共晶点付近の組成になるため延性に富んで加工しやすくなるので冷間圧延で行うことが好ましい。また、前述したＮｉ系金属母材箔の作製の場合と同様に、冷間圧延の場合は表面酸化が進みにくく、よってクラッディング際に良好な接合性や高い接合強度が得られるので好ましい。製造速度を上げるために温間圧延や熱間圧延を行ってもよいが、その場合は表面酸化に十分考慮する必要がある。

＜クラッディング方法＞
上記のクラッド材２を作製する際に採用するクラッド法には特に限定はなく、例えば上記のＮｉ系金属母材箔の片面又は両面にＺｎ−Ａｌ系合金箔を重ね合わせた状態でロール圧延機を通して圧延することで得られる。その際、それぞれの箔の表面状態には十分注意を要する。具体的には、箔の表面に不純物や異物が付着していたり、酸化膜が厚く存在していたりすると良好な接合が困難になるおそれがあるので注意が必要である。

その理由は、両金属箔同士を力学的な力によって接合させようとしても、表面に不純物等が存在しているとＮｉ系金属母材とＺｎ−Ａｌ系合金とが金属同士良好に接触できず、また、後述する熱処理を行っても両金属の拡散が阻害されて進まず、その結果良好に接合できなくなるからである。どのような金属でも酸化膜は存在するが、この酸化膜が薄ければ圧延時に金属箔同士が互いに押しつけ合う力によって酸化膜が破れ、金属同士が接することができるので良好に接合することができる。なお、金属表面を不純物等のない状態にするため、表面を研磨したり、酸洗浄したりしてもよい。

各金属箔の表面は表面粗さが算術平均粗さＲａで０.１μｍ以上であるのが好ましい。このように表面に適度な凹凸があることによってアンカー効果が期待でき、より強固な結合が可能になる。すなわち、表面に凹凸があることによって、界面部において両金属は各々相手側の金属にアンカーように深く刺さり込み、よって高い接合強度を得ることができる。金属表面の表面粗さは研磨紙や研磨石、又は金属製ブラシや有機樹脂製ブラシなどによって調整することができる。一般的には、所望の接合強度や接合条件に合わせて表面粗さを適宜調整するのが好ましい。

Ｎｉ系金属母材箔及びＺｎ−Ａｌ系合金箔は、最終的なクラッド材の形態での箔厚（半導体素子と基板とを接合する際に用いる箔状のクラッド材の厚み）を考慮してクラッド前の各々の厚さを決める。すなわち、Ｎｉ系金属母材とＺｎ−Ａｌ系合金では同じ応力で圧延しても圧下率が異なるため、事前に圧下率を考慮に入れて各箔の厚さを決めて準備するのが好ましい。一般的にはクラッド材の厚みは５０〜７００μｍ程度であるため、Ｎｉ系金属母材の厚みは２０〜３００μｍ程度が好ましく、Ｚｎ−Ａｌ系合金箔の厚みは１０〜３００μｍ程度が好ましい。

このようにして準備したＮｉ系金属母材とＺｎ−Ａｌ系合金箔とを重ね合わせてロールで圧延する。その際、あらかじめ圧下率を設定しておき、圧延時は圧延油をたらしながら行う。また、両金属箔の接合面には圧延油が入らないように、ロールに当たる面だけに圧延油をかけていく。クラックやバリが発生していないことを確認した後、圧下率を下げて目的の厚さより１０％程度厚めの状態まで圧延していく。このようにして段階的に圧延した後、最終圧延として圧下率がほぼゼロに近いような状態で厚さを測りながら少しずつ圧延していく。これにより所望の厚みを有するクラッド材が得られる。

＜クラッド材の熱処理＞
圧延後はクラッド材に熱処理を行ってもよい。これにより硬さや伸び率などを調整することができる。また、熱処理によって界面近傍の金属原子が相手側の金属にまで拡散する相互拡散が生じるのでより強固な結合が可能になる。特に残留応力を軽減するためには２００℃以下で熱処理を行うのが好ましく、接合面の接合強度を上げるためには２００℃以上で熱処理を行うのが好ましい。但し、熱処理する場合、表面の酸化には十分注意を要する。酸化が進行しすぎると接合強度を極端に低下させてしまうおそれがあるからである。例えば真空中、不活性ガス中、又は還元雰囲気中などで熱処理することで酸化の進行を抑制できるので好ましい。

以下、箔状のＮｉ系金属母材の両面に種々の組成のはんだ合金箔を圧延することで作製したクラッド材、及びＮｉ系金属母材を有さない単層のはんだ合金箔を用意し、これらを用いて半導体素子を基板にはんだ接合して接合体試料を作製し、それらのボイド率、シェア強度、及びヒートサイクル試験の耐性について評価した。

先ず、クラッド材の母材となるＮｉ系合金箔を作製すべく原料として９９.９９質量％以上の純度のＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを準備した。これらから所定量を秤量してグラファイト製の坩堝に入れ、横型連続鋳造機の槽内にセットした。原料の酸化を抑制するために連続鋳造機の槽内に窒素を５Ｌ／分の流量で流しながら高周波電源を入れ、約２０℃／分の昇温速度でＣｕを昇温していった。原料が１２００℃に達した後、その温度を保持するように制御した。原料が十分に溶融したことを確認した後、横孔から１.５ｍ／分の速度で板状の合金を引き出した。横孔のサイズは５ｍｍ×６０ｍｍの長方形の形状とすることで、厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍのＮｉ系金属母材板を得た。

上記の連続鋳造によって得たＮｉ系金属母材板を十分に冷却した後、５ｍの長さに裁断した。これにより原料の配合比の異なる純Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金（コバール）、及びＦｅ−Ｎｉ系合金（４２アロイ）の３種類のＮｉ系金属母材用の金属母材を作製した。これら金属母材の組成をＩＣＰ発光分光分析装置（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて分析したところ、純ＮｉはＮｉが９９.９９質量％以上であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金はＮｉが２９.０±０.１質量％、Ｃｏが１７.０±０.１質量％、残部がＦｅであり、Ｆｅ−Ｎｉ系合金はＮｉが４２.０±０.１質量％、残部がＦｅであった。

次に、得られた金属母材をロール圧延機を用いて冷間圧延し、２３０μｍの厚さに加工した。冷間圧延を選んだ理由は、金属母材の表面酸化が進みにくく、後段のクラッディングの際に良好な接合性と高い接合強度を得ることが期待できるからである。圧延の際、圧延油には鉱物油と植物油とを１：２（体積比）の割合で混合した混合油を用いた。この混合油を金属母材の表面に供給しながら圧延していった。圧延回数は７回とし、そのうちの最後の２回は仕上げ圧延であって圧下率は２〜５％程度を狙って行った。なお、圧下率の定義を下記計算式１に示す。

［計算式１］
圧下率（％）＝（圧延前の厚さ−圧延後の厚さ）÷圧延前の厚さ×１００

最終圧延の終了後、自動洗浄機でエタノールを用いて圧延油を除去し、その後、真空乾燥機を用いて、常温の真空雰囲気で５時間乾燥した。これにより、複数の長尺のＮｉ系金属母材箔試料を得た。次に、クラッディングの際の接合面となるＮｉ系金属母材箔の両面を研磨装置を用いて自動研磨し、表面粗さを算術平均粗さＲａで０.１５±０.０１μｍとなるように調整した。この研磨時に発生した研磨カスや汚れを除去するため、自動洗浄機でエタノールを用いて洗浄した。その後、真空乾燥機を用いて常温の真空雰囲気で５時間乾燥して、表面粗さが調整されたＮｉ系金属母材箔を得た。

次に、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ試料を作製すべく、原料として９９.９９質量％以上のＺｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｐ、Ｐｂ、及びＡｕを準備した。これらから組成の異なる複数のはんだ合金試料を作製すべくそれぞれ所定量を秤量してグラファイト製の坩堝に入れ、横型連続鋳造機の槽内にセットした。酸化を抑制するために連続鋳造機の槽内には窒素を５Ｌ／分の流量で流しながら高周波電源を入れ、約１５℃／分の昇温速度で昇温させた。

各試料の液相線温度より８０℃高い温度に達した後、その温度を保持するように制御した。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。試料が十分に溶融したことを確認した後、横孔から１.２ｍ／分の速度で板状のはんだ合金試料を引き出した。横孔のサイズは５ｍｍ×６０ｍｍの長方形の形状とすることで、厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍの板状のはんだ合金試料を得た。このようにして連続鋳造により得た各はんだ合金試料の板材を十分に冷却してから５ｍの長さに裁断した。

次に、上記にて得た板状のはんだ合金母材をロール圧延機を用いて冷間圧延を行い、１００μｍの厚さに加工した。圧延の際、圧延油には鉱物油と植物油とを１：２（体積比）の割合で混合した混合油を用いた。この混合油をはんだ合金母材の表面に供給しながら圧延していった。圧延回数は７回とし、そのうちの最後の２回は仕上げ圧延であって圧下率は１〜３％程度を狙って行った。最終圧延の終了後、自動洗浄機でエタノールを用いて圧延油を除去し、その後、真空乾燥機を用いて常温の真空雰囲気で５時間乾燥してはんだ合金箔を得た。

クラッディングの際の接合面となるはんだ合金箔の片面を研磨装置を用いて自動研磨し、表面粗さを算術平均粗さＲａで０.１５±０.０１μｍとなるように調整した。この研磨時に発生した研磨カスや汚れを除去するために自動洗浄機でエタノールを用いて洗浄した。その後、真空乾燥機を用いて常温の真空雰囲気で５時間乾燥して、表面粗さが調整された試料１Ａ〜５５Ａのはんだ合金箔を得た。得られたはんだ合金試料をＩＣＰ発光分光分析装置（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて組成分析した。その分析結果を下記表１〜２に示す。

上記にて作成した試料１Ａ〜５５Ａのはんだ合金箔のうち試料１Ａ〜５１Ａのはんだ合金箔を各々２枚用意し、それらでＮｉ系金属母材箔を挟んでロールで圧延することによりクラッディングを行った。その際、圧延油には鉱物油と植物油とを１：１（体積比）の割合で混合した混合油を用い、接合面に圧延油が入らないようにロールに当たる面だけに圧延油を供給していった。そして、クラックやバリが発生していないことを確認しながら圧下率１０〜３０％の割合で段階的に薄く圧延していき、約１１０μｍの厚さまで圧延した。更に、厚さが１００μｍになるように厚さを測定しながら少しずつゆっくりと圧延して厚み１００±１.５μｍのクラッド材を作製した。このようにして得たクラッド材に対して下記の方法でボイド率及び伸び率を測定した。

＜クラッド材のボイド率＞
クラッディングの接合性を確認するため、クラッド材の形態の各試料のボイド率をＸ線透過装置（株式会社東芝製 ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６１２５）を用いて測定した。ボイド率の測定ではクラッディング面に対して垂直な方向からＸ線を透過して１００ｍｍ^２当たりのボイド面積を測定した。この測定を各試料５点実施し、各々下記計算式２に示す計算を行ってボイド率を計算し、それらを算術平均してその試料のボイド率とした。

［計算式２］
ボイド率（％）＝ボイド面積（ｍｍ^２）÷１００（ｍｍ^２）×１００

＜伸び率＞
クラッド材の形態の各試料を幅３ｍｍ×長さ１００ｍｍの帯状に裁断し、引張試験機（テンシロン万能試験機）を用いて応力緩和性の指標となる伸び率を測定した。この測定を各試料５回実施し、それらを算術平均してその試料の伸び率とした。

次に、上記の試料１Ａ〜５１Ａを用いたクラッド材及び試料５２Ａ〜５５Ａのはんだ合金箔に対して、プレス機を用いて一辺の長さ４.０〜１０.０ｍｍの範囲内の正方形状に打抜いた。また、Ｓｉ、ＳｉＣ、及びＧａＮの３種類の半導体素子を合計５５個準備した。これら半導体素子には一辺の長さ１.０〜７.０ｍｍの正方形状のものを用いた。

そして、これら５５個の半導体素子に対してそれぞれ上記のクラッド材及びはんだ合金箔の試料を用いてＣｕ基板にはんだ接合することで試料１〜５５の接合体を作製し、それらの各々に対して上記と同様の方法でボイド率を測定し、下記の方法でシェア強度の測定とヒートサイクル試験とを行って接合体の接合強度と接合信頼性とを評価した。なお、接合体の接合には濡れ性試験機を用い、各はんだ合金の液相線温度より５０℃高い温度にヒータを加熱した状態で窒素フロー雰囲気において２５秒保持することで接合させた。

＜シェア強度＞
各接合体の試料をシェア試験機（ＸＹＺＴＥＣ社製、装置名：Ｃｏｎｄｏｒ Ｓｉｇｍａ）に固定し、半導体素子の側面に測定用冶具をあてて接合体の接合強度を測定した。

＜ヒートサイクル試験＞
各接合体の試料を２個ずつ作成し、そのうちの一方に対して−４０℃の冷却と１５０℃の加熱とを１サイクルとするヒートサイクルを３００サイクル繰り返し、もう一方はこのヒートサイクルを５００サイクル繰り返した。その後、これら接合体を樹脂に埋め込んで断面研磨を行い、ＳＥＭ（日立製作所製 Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。接合面にはがれやはんだにクラックが入っていた場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」と評価した。

上記したクラッド材のボイド率及び延び率、並びに接合体のボイド率、シェア強度、及びヒートサイクル試験の結果を、Ｎｉ系金属母材の材質、半導体素子の材質、並びに正方形のクラッド材又ははんだ合金箔の一辺の長さ及び正方形の半導体素子の一辺の長さと共に下記表３〜４に示す。

上記表３〜４の結果から、試料１Ａ〜４５Ａ及び試料４８Ａ〜５１ＡのＺｎ−Ａｌ系合金はんだを用いたクラッド材ではボイドが存在しておらず、また、伸び率も１７０％以上を有しているので極めて高い応力緩和性があると考えられる。一方、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだではなく従来のＰｂ系合金はんだを用いた試料４６Ａ〜４７Ａのクラッド材ではボイド率及び延び率のいずれも上記のＺｎ−Ａｌ系合金はんだを用いたクラッド材よりも顕著に劣っていた

また、試料１〜４５及び試料４８〜５１の接合体においても、上記したクラッド材の場合と同様にボイドが存在していないことが分かる。特に、本発明の要件を満たす試料１〜４５の接合体はシェア強度が全て１００ＭＰａ以上であり非常に強固に接合されていることが分かる。また、ヒートサイクル試験においても−４０℃及び＋１５０℃の繰り返しという非常に厳しい条件を５００サイクル繰り返してもクラック等の不良の発生が見られなかった。

一方、Ｐｂを主成分とするはんだを用いた本発明の比較例の試料４６及び４７の接合体はいずれの評価項目においても上記した試料１〜４５の接合体に比べて劣っていた。この理由として、Ｐｂを主成分とするはんだは柔らかい反面、強度が低く、比較的高い温度でのヒートサイクル試験などでは熱応力による発生するクラックの進展を止めることができないためと考えられる。

また、比較例の試料４８〜５１の接合体は上記した試料１〜４５の接合体に比べてシェア強度が低く、ヒートサイクル試験では５００回までにクラック等の不良の発生が確認されるものが発生した。この理由として、半導体素子とクラッド材とが互いに対向する両面において半導体素子側の面の面積がクラッド材側の面の面積以上であったため、半導体素子の周縁部にフィレットが良好に形成されなかったことによるものと考えられる。

また、比較例の試料５２〜５５の接合体は上記した試料１〜４５の接合体に比べていずれの評価項目においても劣っていた。その理由は比較例５２〜５５の接合体ではクラッド材を用いていなかったため、クラッド材を構成するＮｉ系金属母材による高い熱伝導性などのクラッド材の効果が奏されなかったためと考えられる。すなわち、Ｎｉ系母材を用いたクラッド材とすることにより応力緩和等が優れる材料となることが分かる。そして半導体素子の接合面積をクラッド材よりも小さくすることによって接合強度等もより一層優れる結果となっている。

［参考例］
ＰｂフリーのＺｎ−Ａｌ系はんだに含有させるＡｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、及びＰの含有量を様々に変えた以外は上記実施例と同様にして試料５６Ａ〜６１Ａのはんだ合金を作製し、その組成を上記実施例と同様に測定した。その測定結果を下記表５に示す。

次に、これら試料５６Ａ〜６１Ａのはんだ合金を用いて上記実施例と同様にクラッド材を作製し、得られたクラッド材のボイド率及び伸び率を上記実施例と同様に測定した。そして、これらクラッド材を用いて上記実施例と同様に接合体を作製し、得られた接合体のボイド率の評価、シェア強度の評価及びヒートサイクル試験を上記実施例と同様に行った。その評価結果を下記の表６に示す。

上記表６の結果から、Ｚｎ−Ａｌ系はんだに含有させるＡｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、及びＰの含有量が多すぎるとボイド率、シェア強度、及びヒートサイクル試験のいずれにおいても好ましくない結果になることが分かる。

１ 半導体素子
２ クラッド材
３ 基板
２１ Ｎｉ系金属母材
２２ Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだ層

Claims (4)

1. 半導体素子がクラッド材によって基板に接合されてなる接合体であって、該半導体素子と該クラッド材とが互いに対向する両面においては該半導体素子側の面の方が該クラッド材側の面よりも狭く、該クラッド材はＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、及びＦｅ−Ｎｉ系合金のうちのいずれかからなる金属母材と、その少なくとも該半導体素子に対向する面に設けられた層状のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ合金とからなることを特徴とする接合体。
2. 前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだは、Ａｌを０.９質量％以上９.０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＺｎから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の接合体。
3. 前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだは、更にＡｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、及びＰのうちの１種以上を含有しており、その含有量はＡｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、及びＳｎでは各々２.０質量％以下であり、Ｇｅでは６.０質量％以下であり、Ｐでは０.５質量％以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の接合体。
4. 前記半導体素子がＳｉ、ＳｉＣ、及びＧａＮのうちおいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の接合体。

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