JP2019093450A - 半導体装置用はんだ材 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐熱温度が高く、熱伝導特性が高温領域で変化しない鉛フリーはんだ材が溶融された接合層を備える半導体装置の提供。【解決手段】Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％と、Ｎｉを０．１〜０．４質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなるはんだ材、並びに半導体素子１１と、基板電極もしくはリードフレームとの間に、かかるはんだ材を含んでなる接合層１０を備えるＩＧＢＴモジュール等の半導体装置。【選択図】図１

Description

本発明は、はんだ材に関する。本発明は、特には、半導体装置における接合に用いられる、高信頼性のはんだ材に関する。
近年、環境問題からＳｎ−Ｐｂ系はんだの代替として鉛成分を含まないＰｂフリーはんだが採用されるようになっている。ＩＧＢＴモジュール（パワーモジュール）などの半導体装置に適用するはんだ材としては、現在知られている各種組成の鉛フリーはんだの中でも、取りわけ接合性（はんだ濡れ性）、機械的特性、伝熱抵抗などの面で比較的バランスがよく、かつ製品への実績もあるＳｎ−Ａｇ系のＰｂフリーはんだが多く使われている。
ヒートシンクの上に絶縁基板、さらにその上に半導体素子をはんだ接合した階層接続構造を備える半導体装置において、下位の接合部には高温系の鉛フリーはんだとしてＳｎ−Ｓｂ系はんだを使用し、上位接合部にはＳｎ−Ｓｂ系はんだよりも融点が低いＳｎ−Ａｇ系はんだにＣｕなどの元素を添加した組成の鉛フリーはんだを使用するはんだ接合構造が知られている。例えば特許文献１参照。
また、絶縁基板にはんだマウントした半導体素子（ＩＧＢＴ）の上面電極に配線部材としてヒートスプレッダを兼ねたリードフレームをはんだ接合し、半導体素子の発生熱をリードフレームに逃がして発熱密度の集中を防ぐようにした構造も知られている。例えば、特許文献２参照。
半導体素子の発熱に伴う高温でのクラックの防止に対して有効なはんだ材料として、温度１７０℃において優れた延性を有すると共に冷間加工性に優れた、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ組成を備えるテープ又はワイヤー状半田材料も知られている。例えば、特許文献３参照。
特開２００１−３５９７８号公報 特開２００５−１１６７０２号公報 特開平７−２８４９８３号公報
パワー半導体といわれているＭＯＳ型やＩＧＢＴ型の素子は、動作時に自己発熱し、高い温度になる。発熱と冷却を繰り返す素子は、はんだにより接合されているが、素子の繰り返し発熱によってはんだ部に繰り返し歪みが負荷され、劣化する。高温で動作する半導体素子の接合には、放熱性の高いはんだ合金を用いることが好ましい。代表的なＰｂフリーはんだであるＳｎＡｇ系はんだ材では、温度とともに熱抵抗が増加し、放熱特性が低下する。また、長期間の熱サイクルが加わるパワー半導体の接合部に、高温になると熱伝導率が低下するＳｎＡｇ系はんだ材を用いた場合、より高い大電力を印加すると、発熱が高くなってしまう場合がある。
近年、大電流仕様のパワー半導体の需要が高まっており、素子の自己発熱量もより大きくなる傾向にある。また、車載用のパワー半導体など、１７５℃を超える使用環境温度での作動が求められるものも増加している。このような状況において、素子の印加できる出力に対して、はんだの熱伝導率の低さが、電力印加量の律速になってしまう場合がでてくる。自己発熱や環境温度により、室温から高温に温度変化するとはんだの熱伝導率が低下するような場合は、チップから熱が逃げづらくなってしまう。その結果、チップの温度がさらに上昇してしまう。現在、はんだの融点のより近傍まで素子が発熱しても使用できるように、素子の印加電力の最大を使用する要求が高くなっている。これらの要求を満たすために、高温での熱伝導率の低下が少ないはんだ材が求められる。
本発明者らは、鋭意検討の結果、ＳｎＡｇ系はんだにＳｂをさらに添加し、かつ特定の組成％範囲とすることで、温度上昇とともに熱伝導率が低下せず、かつ濡れ性等のはんだ材の接合特性にも優れたはんだ材とすることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、一実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。
上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｓｎとを含むはんだ材において、さらに、Ｎｉを、０を超えて１．０質量％以下含有することが好ましい。
上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｓｎとを含むはんだ材において、さらに、Ｎｉを、０．１〜０．４質量％含有することが好ましい。
上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｓｎとを含むはんだ材において、さらに、Ｓｉを、０を超えて１．０質量％以下含有することが好ましい。
上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｓｎとを含むはんだ材において、さらに、Ｖを、０を超えて０．１質量％以下含有することが好ましい。
上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｓｎとを含むはんだ材において、さらに、Ｃｕを、０を超えて１．２質量％以下含有することが好ましい。
上記のいずれかのはんだ材において、さらに、Ｐを、０．００１〜０．１質量％含有することが好ましい。
上記のいずれかのはんだ材において、さらに、Ｇｅを、０．００１〜０．１質量％含有することが好ましい。
上記のいずれかのはんだ材において、１００℃〜２００℃における熱伝導率が、２５℃における熱伝導率よりも低下しないことが好ましい。
本発明は、別の実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、基板電極もしくはリードフレームとの間に、上記のいずれかのはんだ材が溶融された接合層を備える。
前記半導体装置において、半導体素子が、ＳｉＣ半導体素子であることが好ましい。
本発明に係るはんだ材によれば、熱伝導率が温度上昇とともに低下することなく、好ましくは、熱伝導率が温度上昇とともに向上する。そのため、放熱特性に優れ、熱疲労寿命向上の効果が得られる。また、本発明に係るはんだ材は濡れ性が高く、はんだ接合層におけるボイドの発生を低く抑えることができる。本発明に係るはんだ材は、特には、材料の融点のＴｒ＝０．６以上の温度以上で使用されるダイボンドはんだ接合部において、好ましく用いられる。なお、Ｔｒは、融点に対する使用温度の比であり、Ｔｒ＝Ｔｍ／Ｔｊで表される。Ｔｍは融点、Ｔｊは使用温度（いずれも単位はＫ）を示す。なお、ボイドとは、はんだ接合層内部および接合界面に生じる空隙のことである。接合温度において、はんだと接合部材との濡れ性が悪いと、空気等のガスと巻き込んだり、凹んだりしたまま凝固するために、ボイドが発生しやすいという問題があるが、本発明においては、ボイドの発生を低く抑えることができる点で有利である。さらに、本発明に係るはんだ材においては、所定量のＧｅをさらに含むことで、Ｓｎの酸化を防止し、濡れ性を向上させることができる。
また、本発明に係るはんだ材を接合層として形成された半導体装置は、放熱特性に優れており、自己発熱の高い素子を搭載した場合や、環境温度が高い場合の使用にも適しており、かつ、装置の小型化、低コスト化が可能になる。また、接合層におけるボイドが少ないため、製品寿命が向上する。それゆえ、ますます需要の高まる大電流仕様の電子機器に好適に用いることができ、特には、半導体装置におけるダイボンド接合、端子間の接合やその他の部材の接合など、広く半導体装置用途に好適に用いることができる。
図１は、本発明に係るはんだ材が接合層として適用された半導体装置の一例を示す概念図である。 図２は、本発明に係るはんだ材、並びに比較例のはんだ材について、温度と熱伝導率との関係を示すグラフである。各温度における熱伝導率は、２５℃における熱伝導率を基準とした規格値を示している。 図３は、本発明に係るはんだ材、並びに比較例のはんだ材を用いた半導体モジュールについて、破壊寿命の規格値と故障確率との関係を示すグラフである。 図４は、本発明に係るはんだ材の濡れ性試験の結果を示す写真である。 図５は、本発明に係るはんだ材の熱衝撃試験の結果を示す写真である。
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
［第１実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ三元系］
本発明は、第１実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる合金である。不可避不純物とは、主として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ａｓ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｐ、Ｐｂなどをいう。本発明によるはんだ材は、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだ合金である。Ｓｎを主成分とするはんだ材に、上記の組成範囲で、Ａｇ及びＳｂを含むことにより、はんだ材の濡れ性を確保し、これらの元素がはんだ材を構成する合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱拡散率を低く抑えて、温度が上昇しても、合金の熱伝導率の低下を抑えることができる。
さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％〜８．０質量％含有し、Ａｇを３．０〜４．０質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、温度の上昇とともに、合金の熱伝導率も上昇させることができる。
［第２実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｎｉ四元系］
本発明は、第２実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％と、Ｎｉを、０を超えて１．０質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。第１実施形態の組成に、さらにＮｉを上記添加範囲で添加する利点としては、合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱伝導率を上昇させるとともに、濡れ性を向上させ、接合層としたときに低いボイド率が実現できるためである。また、Ｎｉは高融点材料であり、高温での強度を増すことができる。特に、上記添加量範囲とするのは、上記添加範囲より多く添加するとはんだ材の融点が３００℃超えるため、固溶可能範囲で、はんだ材の融点を抑制するためである。
さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％〜８．０質量％含有し、Ａｇを３．０〜４．０質量％含有し、Ｎｉを０．０１〜０．５質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、はんだ材の融点を２６０℃以下に低減できるといった利点が得られる。
［第３実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｓｉ四元系］
本発明は、第３実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％と、Ｓｉを、０を超えて１．０質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。第１実施形態の組成に、さらにＳｉを添加する利点としては、合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱伝導率を上昇させるとともに、濡れ性を向上させ、接合層としたときに低いボイド率が実現できるためである。また、Ｓｉは高融点材料であり、高温での強度を増すことができる。特に、上記添加量範囲とするのは、Ｓｉは固溶しづらいがこの範囲なら固溶させることができるためである。また、高融点材料であるＳｉを上記範囲より多く入れると、はんだ材の融点が高くなりすぎ、３００℃超える場合がある。
さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％〜８．０質量％含有し、Ａｇを３．０〜４．０質量％含有し、Ｓｉを０．１〜０．４質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、はんだ材の融点を２６０℃以下にすることができるといった利点が得られる。
［第４実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｓｉ五元系］
本発明は、第４実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％と、Ｎｉを、０を超えて１．０質量％以下含有し、Ｓｉを、０を超えて１．０質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。添加元素として、Ｎｉ及びＳｉを共存させた五元系とすることにより、界面強度とバルクの高温強度が増す、すなわちＮｉとＳｉの相乗効果で高温強度が上がるといった利点が得られる。
さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％〜８．０質量％含有し、Ａｇを３．０〜４．０質量％含有し、Ｎｉを０．０１〜０．５質量％含有し、Ｓｉを０．１〜０．４質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。
［第５実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｖ四元系］
本発明は、第５実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％と、Ｖを、０を超えて０．１質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。第１実施形態の組成に、さらにＶを添加する利点としては、合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱伝導率を上昇させるとともに、濡れ性を向上させ、接合層としたときに低いボイド率が実現できるためである。特に、上記添加範囲とするのは、Ｖは高融点材料であり、高温での強度を増すことができるためである。高融点材料であるＶを上記範囲より多く入れると、はんだ材の融点が高くなりすぎ、例えば、融点が３００℃超える場合がある。また固溶させることが難しくなるおそれがある。
さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％〜８．０質量％含有し、Ａｇを３．０〜４．０質量％含有し、Ｖを０．０１〜０．０８質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、高融点材料であるＶを上記範囲よりも多く入れると、はんだ材の融点が高くなりすぎる場合があるが、上記範囲内であれば融点を２５０℃以下に抑えることができる。また、過剰な量のＶをいれると酸化物になり、金属となじまないため、ボイドが生じやすくなる場合がある。
［第６実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ四元系］
本発明は、第６実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％と、Ｃｕを、０を超えて１．２質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。第１実施形態の組成に、さらにＣｕを添加する利点としては、合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱伝導率を上昇させるとともに、濡れ性を向上させ、接合層としたときに低いボイド率が実現できるためである。上記添加範囲とするのは、特にＣｕ材の接合に用いる場合に、Ｃｕ材に対しては融点が上がらず、組成に対して融点が鈍感であり、組成マージンが広く成分変動が小さいため、有利になるためである。また、Ｃｕ板からはんだ材へのＣｕの溶け込みを防止できる点で有利になるためである。
さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％〜８．０質量％含有し、Ａｇを３．０〜４．０質量％含有し、Ｃｕを０．１〜０．９質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、特に濡れ性が良いといった利点が得られる。
［第７実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｇｅ四元系］
本発明は、第７実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％と、Ｇｅを０．００１〜０．１質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる合金である。第１実施形態の組成に、さらにＧｅを添加する利点としては、Ｓｎの酸化を抑え、はんだの濡れ性の向上に大きく寄与するため、及び合金の熱拡散経路に影響を与えることができるためである。Ｇｅの添加量は、より好ましくは、０．００３〜０．０５質量％である。この範囲で添加することにより、過剰なＧｅＯの生成を抑制し、適切な量のＧｅＯを生成させることにより、還元、除去しにくいＳｎの酸化物を抑制することができる。また、これによりボイド抑制の効果が得られる。さらに好ましくは、０．００３質量％以上０．００５質量％を超えない量である。
さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％〜８．０質量％含有し、Ａｇを３．０〜４．０質量％含有し、Ｇｅを上記いずれかの範囲で含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、Ｓｎの酸化を抑えながら、温度の上昇とともに、合金の熱伝導率も上昇させることができる。
［第８実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｇｅ−Ｎｉ五元系］
本発明は、第８実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％と、Ｇｅを、０．００１質量％〜０．１質量％と、Ｎｉを、０を超えて、１．０質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。Ｎｉの添加量は、０．１〜０．４質量％とすることがさらに好ましい。第７実施形態の組成に、さらにＮｉを上記添加範囲で添加する利点としては、Ｇｅの濡れ性向上効果を保持したまま、界面のはんだ強度を向上させることができるためである。また、Ｎｉは高融点材料であり、高温での強度を増すことができるという利点もある。
さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％〜８．０質量％含有し、Ａｇを３．０〜４．０質量％含有し、Ｎｉを０．０１〜０．５質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、はんだ材の融点を２６０℃以下に低減できるといった利点が得られる。
さらなる変形形態として、第１〜第８実施形態によるはんだ材にＰを添加することができ、例えば、０．００１質量％〜０．１質量％のＰを含有することができる。Ｐは、はんだ材の酸化抑制の効果があり、濡れ性の向上に寄与しうるためである。第１〜第６実施形態によるはんだ材にはまた、Ｐに代えて、あるいはＰに加えて、Ｇｅを添加することもできる。Ｇｅもはんだ材の酸化抑制の効果があり、合金の熱拡散経路に影響を与えることができるためである。この場合のＧｅの添加量は、０．００１〜０．１質量％とすることができ、０．００３〜０．０２質量％とすることが好ましく、０．００３以上０．００５質量％を超えない量とすることがさらに好ましい。Ｇｅ、Ｐの両者を添加する場合も、上記範囲から添加量を適宜選択することができる。ＧｅとＰは、両者ともにＳｎよりも酸化しやすく、この添加範囲でＳｎの酸化を防止し、はんだ材の濡れ性を確保することができる。
上記第１〜第８実施形態及びそれらの変形形態のいずれにおいても、１００℃〜２００℃における熱伝導率が、２５℃における熱伝導率よりも低下しないという熱伝導特性を備えるはんだ材を得ることができる。ここで、「１００℃〜２００℃における熱伝導率が、２５℃における熱伝導率よりも低下しない」とは、１００℃〜２００℃の任意の温度における、はんだ材の熱伝導率が、２５℃における熱伝導率と同一であるか、これよりも高いことを意味する。１００℃〜２００℃の任意の温度においてこの条件を満たせば、例えば、１００℃〜２００℃の間に、熱伝導率が漸増してもよく、いったん上昇して、下降してもよく、変化がなくてもよい。このような特性を備えることで、高温領域での使用に適したはんだ材とすることができる。本発明におけるはんだ材は、好ましくは、１００℃〜２００℃までは熱伝導率がほぼ単調に増加する。さらに、２５℃を超えて１００℃までの間の任意の温度におけるはんだ材の熱伝導率も、２５℃におけるはんだ材の熱伝導率と同一であるか、これよりも高いことが好ましいが、２５℃を超えて１００℃までの間では、いったん熱伝導率がわずかに減少することも許容されうる。たとえば、温度と熱伝導率の関係が、２５℃を超えて１００度の間に変曲点を好ましくは１つ有する下に凸の曲線で表され、２５℃における熱伝導率をλ２５、変曲点における熱伝導率をλＩＰとしたときに、λＩＰ／λ２５が０．９以上となる熱伝導特性を備えるはんだ材も、本発明の好ましい範囲に入る。いずれの場合であっても、熱伝導率の測定値は、１０％程度の誤差を有するものとする。なお、熱伝導率λは、温度傾斜法などの定常法や、レーザーフラッシュ法や熱線法などにより熱拡散率等を求める非定常法により求めることができる。具体的には、熱伝導率λはρ密度とＣｐ比熱とα熱拡散率から、次式より求められる。
λ＝α・ρ・Ｃｐ （式１）
密度はアルキメデス法により、比熱はＤＳＣ法（示差走査熱量法）により、熱拡散率はレーザーフラッシュ法により求めることができる。なお、熱伝導率λは、JIS R1611、R1667、H7801、H8453などに準拠し測定することができる。
本発明によるはんだ材は、上記第１〜第８実施形態及びそれらの変形形態のいずれも、通常の方法に従って、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｇ、及び添加元素から選択される各原料、あるいは各原料を含む母合金を電気炉中で溶解することにより調製することができる。各原料は純度が９９．９９質量％以上のものを使用することが好ましい。
また、第１〜第８実施形態及びそれらの変形形態によるはんだ材は、板状のプリフォーム材として、あるいは粉末状にしてフラックスと合わせてクリームはんだとして、加工することができる。粉末状に加工してフラックスと合わせてクリームはんだとする場合に、はんだ粉末の粒径としては、粒径分布が、１０〜１００μｍの範囲にあるものが好ましく、２０〜５０μｍの範囲にあるものがさらに好ましい。平均粒径では、例えば、一般的なレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した場合に、２５〜５０μｍのものとすることができる。フラックスとしては、任意のフラックスを用いることができるが、特には、ロジン系フラックスを好ましく用いることができる。
本発明の第１〜第８実施形態及びそれらの変形形態によるはんだ材による被接合体は、少なくとも接合面に金属部材を備える一般的な電子機器部材であってよく、典型的には電極として機能する金属部材であり、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、あるいはこれらの合金から構成される電極部材であってもよい。
本発明の第１〜第８実施形態及びそれらの変形形態によるはんだ材は、例えば、半導体装置用に用いることができる。特には、半導体装置における、ダイボンド接合用、端子と端子の接合用、端子と他の部材との接合用、あるいは、そのほかの任意の接合用に用いることができるが、例示した接合用途には限定されない。特には、高温環境、例えば１７５℃以上の環境で使用される機器におけるダイボンド接合に用いることが好ましい。１７５℃以上の高温環境で使用される機器としては、例えば、インバータ、メガソーラー、燃料電池、エレベータ、冷却装置、車載用半導体装置等が挙げられるが、これらには限定されない。特には、これらの機器において、例えば、ＳｉやＳｉＣなどの半導体素子や、ペルチェ素子の接合に好ましく用いられる。なお、本発明に係るはんだ材は、前述のような熱伝導特性を備えており、好ましくは、１００℃以上では熱伝導率が概ね単調増加し、概ね２４０℃以上で溶解する。したがって、この範囲の温度条件で用いられうる機器に、好ましくは適用することができる。
本発明の第１〜第８実施形態及びそれらの変形形態によるはんだ材は、高温でも熱伝導率が低下することなく、熱放出特性に優れるため、自己発熱量の大きい素子を搭載した電子機器部材及び／または高温環境下で使用される電子機器部材のダイボンド接合においても、ひずみの発生などを低減し、長寿命かつ高信頼性の接合層の形成が可能となる。また、当該はんだ材は、高い濡れ性を持ち、接合層におけるボイド率を大きく低減することができる。ボイドの存在は、放熱特性の低下や局所的な発熱によるはんだの破壊、あるいは、被接合体がＳｉ半導体素子の場合には、Ｓｉの溶解を引き起こすおそれがあるが、そのような危険性を大きく低減することができる。
［第９実施形態：半導体装置］
本発明は、第９実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、基板電極もしくはリードフレームとの間に、前述の第１〜第８実施形態による、あるいはそれらの変形形態によるはんだ材を溶融してなる接合層を備える。
図１に、本実施形態に係る半導体装置の一例である、パワーモジュールの概念的な断面図を示す。パワーモジュール１００は、主として、放熱板１３上に半導体素子１１及び積層基板１２を、接合層１０にて接合した積層構造となっている。接合層１０は前述の第１〜８実施形態による、あるいはそれらの変形形態によるはんだ材を、所定の接合温度プロファイルで溶融し、冷却することにより形成したものである。放熱板１３には、外部端子１５を内蔵したケース１６が接着され、半導体素子１１および積層基板１２の電極と外部端子１５はアルミワイヤ１４にて接続されている。モジュール内部は、樹脂封止材１７が充填されている。
半導体素子１１は、Ｓｉ半導体素子や、ＳｉＣ半導体素子であってよいが、これらには限定されない。例えばＩＧＢＴモジュールに搭載されるこれらの素子の場合、積層基板１２の導電性金属板と接合される裏面電極は、通常、Ａｕから構成される。積層基板１２は、例えば、アルミナやＳｉＮなどからなるセラミックス絶縁層の表裏に銅やアルミニウムの導電性金属板が設けられている。放熱板１３としては、熱伝導性に優れた銅やアルミニウムなどの金属が用いられる。本発明に係るはんだ材は、このような半導体素子１１の裏面電極と、積層基板１２のおもて面の導電性金属板との間の接合層１０の材料、及び積層基板１２の裏面導電性金属板と、放熱板１３との間の接合層１０の材料として好ましく用いられる。このような接合層１０の形成に用いるはんだ材の厚みや形状などは、目的及び用途にしたがって当業者が適宜設定することができ、特には限定されない。しかし、本発明に係るはんだ材は、従来技術と比較して濡れ性がよく、ボイドはできづらくなるので、薄くすることもできる。薄いと熱抵抗も下がるため、半導体装置において好ましい。一方、半導体素子１１のチップが反っていると反り分だけ厚くする必要がある。その際、ボイドができやすいが、濡れ性がよいと空隙によるボイドを防ぐとことができる。また、厚いと応力緩和効果があるので、寿命もよい。よって、薄くも厚くもでき、設計の自由度が上がる。
なお、本実施形態において図示する半導体装置は、一例であり、本発明に係る半導体装置は、図示する装置構成を備えるものには限定されない。例えば、本出願人らによる特許文献２に開示されたリードフレームを備える半導体装置構成において、リードフレームと半導体素子との接合に、本発明のはんだ材を用いることもできる。あるいは、本出願人らによる特開2012-191010号公報に開示された構成を備える半導体装置において、銅ブロックと半導体素子との接合に、本発明のはんだ材を用いることもできる。また、このようなダイボンド接合用途に加えて、端子と端子との接合や、半導体素子と端子との接合など、半導体装置内のはんだ接合部に、本発明のはんだ材を用いることもできる。
（１）熱伝導率と濡れ性の測定
本発明のはんだ材及び比較例のはんだ材を調製し、熱伝導率と濡れ性を測定した。はんだ材の熱伝導率は、密度はアルキメデス法により、比熱はＤＳＣ法により、熱拡散率はレーザーフラッシュ法により求め、先述の式１により求めた。但し、測定値は１０％程度の誤差を有する。各組成の試料につき、２５℃、１００℃、１５０℃、１７５℃、２００℃にて熱伝導率を測定し、１００℃、１５０℃、１７５℃、２００℃の各温度におけるはんだ材の熱伝導率が、２５℃におけるはんだ材の熱伝導率と同一であるか、これよりも高い条件をみたすものを「Y（yes）」、みたさないものを「N（no）」とした。
濡れ性測定の試料は、□９ｍｍのＳｉチップと積層基板１２の導電性金属板（銅）を、接合層厚さ１１０μｍを狙い、本発明のはんだ材及び比較例のはんだ材を用いて接合して作製した。接合は、はんだ材の溶融温度である、液相線温度＋３０℃に２分間保持することにより実施した。このはんだ接合部を超音波探傷（ＳＡＴ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）にて観察し、ＳＡＴ透過像から、チップの面積を１００％として、ボイド率を算出した。チップ面積に対して、１．５％以下のボイド率であったものを、濡れ性あり「Y（yes）」、１．５％を超えるボイド率を示したものを濡れ性なし「N（no）」として記した。結果を下記表１に示す。なお、詳細なデータは添付しないが、本発明者らは、Ｓｎ−Ａｇ系はんだにおけるＡｇ量と表面張力の関係をウイルミヘルム法により測定した。ウイルミヘルム法による測定の結果、Ｓｎ−Ａｇ３．５質量％近傍、特に、Ｓｎ−Ａｇ３．０質量％〜Ｓｎ−Ａｇ４．０質量％が最も表面張力が小さくなることが明らかとなった。この結果は、本実施例によるボイド率測定結果とも一致する。ゆえに、ボイド率の低下には、表面張力を小さくする手段が有効であることが示された。はんだの濡れ性では、表面張力は極力小さいことが接触角度を小さくすることができ、母材（被接合部材）との高い濡れ性を示すといえる。
上記表中、試料番号１〜７、２４が比較例であり、残りの試料は実施例である。
はんだ材としてＳｎＡｇ系材料が一般的に用いられているが、ＳｎＡｇの熱伝導率、またはＳｎＡｇＣｕ系合金の熱伝導率は、温度上昇とともに低下した。なお、前記熱伝導率のデータは表には示していない。一方、ＳｎＳｂ系材料は、Ｓｎ−５Ｓｂでは、Ｓｂの固溶効果はでているが、βＳｎの影響が強く、初期の熱伝導率に対して、温度上昇とともに、熱伝導率が若干低下する傾向を示した。なお、詳細なデータは示していない。一方、Ｓｎ６Ｓｂ４Ａｇ共晶では、温度上昇とともに熱伝導率は高くなる傾向を示した。Ｓｎに１３質量％のＳｂを添加すると、濡れ性が低下した。これは、ＳｂＳｎとＳｂ２Ｓｎが析出したためではないかと考えられる。熱伝導率は初期に対し、温度上昇とともに、高くなる傾向にあるが、Ｓｎに８質量％以上のＳｂの添加では、Ａｇ量などに関わらず、熱伝導率は変化しなかった。
図２に、本発明に係る代表的なはんだ材と、比較例に係るはんだ材の温度と熱伝導率との関係を示す。熱伝導率は、２５℃における熱伝導率を基準とした規格値で表した。本発明に係るはんだ材である、試料番号８、９、１３、２０においては、２５℃から２００℃にかけて、熱伝導率が、２５℃の時と比較して上昇していることが、グラフに示す規格値から理解される。一方、比較例に係るはんだ材では、いずれも温度上昇とともに、熱伝導率の明らかな低下がみられた。
熱伝導の機構においては、以下の２つの機構があるものと考えられる。
１．結晶格子間を伝わる振動（フォノン、格子振動）としてのエネルギー伝達
２．伝導電子に基づくエネルギー伝達
通常、金属および合金は伝導電子による寄与の方が大きい。したがって、温度が上昇すると、電子散乱が大きくなり、電子伝導性が低下し、熱伝導率も低下すると考えられる。一方、本発明に係るはんだ材を構成する合金は、所定の温度範囲においては、格子振動の寄与が大きいのではないかと考えられる。つまり、温度が上昇すると、格子振動が大きくなり、電子散乱も大きくなる。しかし、熱伝導が格子振動に大きく依存するとすれば、伝導電子の寄与が低下しても、格子振動によるエネルギー伝達により、熱伝導率は上昇すると推量される。なお、かかる説明は、本発明の理解のための考察に過ぎず、本発明は上記の特定の理論に限定されるものではない。
（２）パワーサイクル試験
本発明に係る三元系のはんだ材であるＳｎＳｂＡｇ系材料、及び比較例に係るはんだ材であるＳｎＡｇ系材料を用い、図１の構成を備えるパワーモジュールを製造した。これらのパワーモジュールを、同じ発熱温度になるようにして、ΔTj＝100℃、Tjmax=175℃で、運転２秒、休止９秒の条件を１サイクルとして、パワーサイクル試験を行った。結果を図３に示す。破壊寿命は、比較例を基準として規格化して表したサイクル数である。縦軸の故障確率は、２０台のパワーモジュールにパワーサイクル試験をして、はんだの損傷により故障したパワーモジュールの割合である。図３は、所定の故障確率の時のサイクル数をプロットしたものである。はんだの損傷による故障の判断基準は、素子の熱抵抗値の変化からおこなった。素子の熱抵抗の変化率をモニタリングし、熱抵抗の変化率を常時確認し、徐々に熱抵抗上昇が起こるものをはんだの損傷とした。また素子通電のためのワイヤボンディング接続部の破壊や、素子劣化による破壊を除外するため、熱抵抗が上昇し、素子の定格電流が印加できないものに対して、断面観察によるはんだ組織の劣化状況を確認し、はんだ損傷の起こっているものに対して、故障としてカウントした。
パワーサイクル試験など、電流を印加して素子を発熱させ、発熱温度の上下限で電流オンオフを繰り返す試験方法では、発熱による接合層の歪みが発生し、数十万サイクル繰り返すことではんだ材が劣化し、素子の破壊に至る。このパワーサイクル試験では、初期には、はんだ材は、金属の微細な組織形態を示すが、劣化することによって、化合物が析出し、凝集、粗大化する場合がある。粗大な化合物が存在することは、一方では、βSnの転位や化合物の少ない組織が増加することを指し、純金属に近い挙動を示し、熱伝導率の変化が起こりうる。本試験の結果、本発明に係るはんだ材は、従来技術に係るはんだ材と比較して、製品寿命が向上することも明らかになった。本発明を特定の理論によって限定する意図はないが、本発明に係るＳｎＳｂＡｇ系材料は、ＳｎＳｂの固溶とＳｎＡｇの析出強化の両者を併せ持つためであると推定される。
（３）濡れ性試験
ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板上に、□９．５ｍｍで、厚みが０．２５ｍｍの板はんだを載置し、Ｈ２還元環境下で、３００℃で、３分間加熱することにより、Ｃｕ板上でのはんだの濡れ性を確認した。なお、ＤＣＢ基板とは、アルミナ系セラミックスなどの絶縁層の両面に銅などの導電性金属板を、Direct Copper Bond法により直接接合してなる積層基板である。板はんだの組成は、表１の試料番号９、１９、２３のものを用いた。それぞれの板はんだは、各試料につき２枚をＤＣＢ基板上に載置して実験した。
結果を図４に示す。図４は、加熱後のＤＣＢ基板上のはんだの実体顕微鏡写真である。本発明に係るはんだ材はいずれも良好な濡れ性を備えるが、試料番号９のはんだと比較して、試料番号１９、及び試料番号２３のはんだでは、Ｇｅの添加によりはんだの酸化をさらに抑え、はんだの濡れ性を向上していることが視認できる。試料番号１９は、はんだが、溶融前の形状とほぼ同じ濡れ拡がりを示し、はんだの色が白色に近く、Ｓｎが酸化されていないことがわかる。試料番号２３においても、濡れ性は、同様かやや向上しており、少なくともＮｉの添加によって、濡れ性の悪化などはみられないことがわかる。なお、写真では見えにくいが、試料番号１９、及び試料番号２３の写真においては、四角形でアウトラインを示した領域のほぼ全体にはんだが拡がっている。
（４）耐熱性試験
表１の試料番号５、９、１３の組成を有する厚みが０．２５ｍｍの板はんだを用いて、上記（３）と同様の接合条件で、ＤＣＢ基板と放熱板を接合した。はんだ耐熱性評価として熱衝撃試験を実施した。試験条件は、−４５℃〜１５５℃を各１０分保持し、−４５℃保持と１５５℃１０分保持を１サイクルとカウントして、３００サイクル実施した。次いで、超音波探傷顕微鏡にてはんだ接合部の剥離またはクラックの発生を確認した。結果の顕微鏡写真を図５に示す。（ａ）が試料番号５、（ｂ）が試料番号９、（ｃ）が試料番号１３のはんだを用いた試料の写真である。図に示す黒いところがはんだ接合部で、白くなっているところがクラック、すなわちはんだ破壊の発生した部位である。クラック判定は、点線枠で示す初期のはんだ接合面積に対して、白い部位が多いものは、冷却性能が低下しはんだ接合強度が低下したことを示す。つまり、極力、白い部位が少ないものが、優れた特性を示すということになる。なお、各試料の前記顕微鏡写真の中央部等に見られる白い斑点は、試験前に存在したボイドであり、前記熱衝撃試験によってはんだが破壊した個所ではない。前記熱衝撃試験の結果から、試料番号１３、９、５の順に耐熱性に優れており、Ｎｉ添加により寿命が向上することが示された。
ＳｎＳｂＡｇにＮｉを添加すると、ＳｎＳｂＡｇの組織の凝固の際の凝固核となることで、微細な多結晶体を作りだす。そのため、冷熱サイクルによる応力集中が、結晶方位の異なる高角結晶粒界に集中せず、多結晶体により、応力が分散する効果が働いたと考えられる。また、凝固時に晶出したＳｂＳｎＮｉ相とＣｕＮｉＳｎ相が、ＳｂＳｎ相への分散強化による劣化遅延と高温劣化による化合物および主相Ｓｎ相の粗大化を遅延させる効果が働いたと考えられる。なお、かかる説明は、本発明の理解のための考察に過ぎず、本発明は上記の特定の理論に限定されるものではない。
本発明によるはんだ材は、大電流仕様の電子機器全般において、半導体チップ等の接合部に用いられる。特には、ＩＣなどパッケージ部品に好適に用いられる。また発熱の大きい部品、例えばＬＥＤ素子や、パワーダイオードなどパワー半導体デバイスのダイボンド接合部、さらにはプリント配線板などに搭載される電子部品全般におけるＩＣ素子などの内部接続のダイボンド接合部に好適に用いられる。
１０ 接合層
１１ 半導体素子
１２ 積層基板
１３ 放熱板
１４ アルミワイヤ
１５ 外部端子
１６ ケース
１７ 樹脂封止材
１００ パワーモジュール

Claims (8)

  1. はんだ材が溶融された接合層を備える半導体装置であって、
    前記はんだ材が、Ｓｂを、５．０質量％を超えて１０．０質量％以下と、Ａｇを２．０〜４．０質量％と、Ｎｉを、０．１〜０．４質量％含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる、半導体装置。
  2. 前記半導体装置が、ＩＧＢＴモジュールである、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体素子が、Ｓｉ半導体素子、またはＳｉＣ半導体素子である、請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記はんだ材が、さらに、Ｓｉを、０．１〜１．０質量％含有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記はんだ材が、さらに、Ｃｕを、０．１〜１．２質量％含有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記はんだ材が、さらに、Ｐを、０．００１〜０．１質量％含有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記はんだ材が、さらに、Ｇｅを、０．００１〜０．１質量％含有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記はんだ材の、１００℃〜２００℃における熱伝導率が、２５℃における熱伝導率よりも低下しない、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
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