JP6330786B2

JP6330786B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6330786B2
Application number: JP2015224317A
Authority: JP
Inventors: 卓矢門口; 直矢武
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2035-11-16
Also published as: CN107104056B; US10312211B2; JP2017092399A; BR102016025775B1; RU2648300C1; KR101967511B1; TWI632623B; BR102016025775A2; DE102016121502B4; TW201729305A; DE102016121502A1; US20170141068A1; CN107104056A; KR20170057138A

Description

本明細書で開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置では、例えば半導体素子とリードフレームといった二以上の部材が、はんだによって接合されている。二つの部材をはんだによって接合する場合、接合界面における金属間化合物の過度な成長を防止するために、各部材の表面にＮｉ（ニッケル）めっきといったＮｉ膜を設けておくことが広く行われている。しかしながら、このＮｉ膜についても、２００℃に達するような高温を長時間に亘って経験していると、はんだとの間で金属間化合物（例えばＮｉ_３Ｓｎ_４）を生成することがある。この場合、接合強度の低下といった問題が懸念される。

上記の問題に関して、特許文献１には、Ｃｕ_６Ｓｎ_５を含有するＳｎ−Ｃｕ系はんだを用いた半導体装置の製造方法が記載されている。この製造方法は、二つの部材の間にＳｎ−Ｃｕ系はんだを配置する工程と、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだを加熱して溶融させ、各部材のＮｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させる工程を有する。この製造方法によると、Ｎｉ膜上に生成された（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が、Ｎｉ膜の金属間化合物化を抑制するバリア層として機能し、はんだとＮｉ膜との接合界面における接合強度の低下を防止することができる。

特開２００７−６７１５８号公報

特許文献１に記載の製造方法では、二つの部材の間ではんだが溶融させることにより、二つの部材の各Ｎｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を同時に生成させている。この場合、二つの部材の間ではんだが溶融している間に、はんだに含まれるＣｕ_６Ｓｎ_５の一部が一方の部材へ移動して（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成し、他の一部が他方の部材へ移動して（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成する。ここで、二つの部材の間に位置するはんだを均一に加熱することは難しく、例えば、加熱中のはんだの温度分布が、その厚み方向において不均一となり得る。このとき、一方の部材に接触する範囲では、はんだの温度上昇が早く、はんだが早期に溶融する一方で、他方の部材に接触する範囲では、はんだの温度上昇が遅く、はんだが遅れて溶融することがある。この場合、一方の部材で先に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の生成が開始され、他方の部材では（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の生成が遅れて開始される。その結果、はんだに含まれるＣｕ_６Ｓｎ_５の大部分が、一方の部材で消費されてしまい、他方の部材に予定された量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させられないことがある。

上記の問題に関して、例えば、使用するＳｎ−Ｃｕ系はんだのＣｕ濃度を高くすることが考えられる。Ｃｕ濃度が高くなれば、はんだに含まれるＣｕ_６Ｓｎ_５の量も多くなる。そして、はんだにＣｕ_６Ｓｎ_５が潤沢に含まれていれば、仮に二つの部材の間で（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が不均一に生成された場合でも、二つの部材の各表面に必要とされる（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させることができる。しかしながら、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだでは、Ｃｕ濃度が高くなるほど、溶融温度（液相温度）も高くなる（図２２参照）。従って、使用するＳｎ−Ｃｕ系はんだのＣｕ濃度を高くすると、はんだを溶融させる工程ではんだをより高温まで加熱する必要が生じる。例えば、特許文献１に記載の製造方法では、Ｃｕを３〜７重量パーセント含有するＳｎ−Ｃｕ系はんだが使用されており、その溶融温度はおよそ３３０℃〜４００℃に達する。

以上の実情を鑑み、本明細書は、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだを用いて二以上の部材が接合された半導体装置を製造する方法において、比較的にＣｕ濃度が低いＳｎ−Ｃｕ系はんだを用いた場合でも、各部材のＮｉ膜上に予定された量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させられる技術を提供する。

本明細書は、第１の部材と第１の部材に接合された第２の部材とを有する半導体装置の製造方法を開示する。この製造方法は、第１熱処理工程と第２熱処理工程と第３熱処理工程を備える。第１熱処理工程では、Ｃｕを０．９重量パーセント以上含有する第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだを、第１の部材に形成されたＮｉ膜上で溶融させて、第１の部材のＮｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させる。第２熱処理工程では、Ｃｕを０．９重量パーセント以上含有する第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを、第２の部材に形成されたＮｉ膜上で溶融させて、第２の部材のＮｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させる。そして、第３熱処理工程では、第１熱処理工程後の第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだと第２熱処理工程後の第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだとを溶融させて一体化し、第１の部材と第２の部材とを互いに接合する。ここで、第３熱処理工程で第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだ及び第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを溶融させる時間は、第１熱処理工程で第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだを溶融させる時間及び第２熱処理工程で第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを溶融させる時間よりも短くするとよい。第１熱処理工程と第２熱処理工程は同時に行われてもよいし、異なるタイミングで行われてもよい。第１熱処理工程と第２熱処理工程の順序も特に限定されない。また、Ｎｉ膜は、純Ｎｉの膜に限られず、Ｐ（リン）その他の元素が添加されたものを含む。

上記した製造方法では、第１の部材と第２の部材を組み合わせる前に、第１の部材に対して第１熱処理工程を実施し、かつ、第２の部材に対して第２熱処理工程を実施することができる。第１熱処理工程では、第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだを用いて、第１の部材のＮｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させる。第２熱処理工程では、第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだとは別の第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを用いて、第２の部材のＮｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させる。特許文献１に記載された製造方法のように、一つのはんだに含まれるＣｕ_６Ｓｎ_５を二つの部材で分け合うことがないので、第１及び第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだのＣｕ濃度が比較的に低い場合でも、第１の部材及び第２の部材の各Ｎｉ膜上へ、予定された量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させることができる。ここで、第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだのＣｕ濃度が０．９重量パーセント以上であると、第１の部材のＮｉ膜上に、バリア層として機能し得る量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させることができる。第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだについても同様である。第１熱処理工程及び第２熱処理工程の後は、第１の部材と第２の部材を組み合わせて第３熱処理工程を実施することにより、第１の部材と第２の部材を互い接合することができる。

はんだ付け方法の一工程を示す図であって、第１のはんだ１４が配置された第１の部材１０と、第２のはんだ２４が配置された第２の部材２０を示す。はんだ付け方法の一工程を示す図であって、第１熱処理工程後の第１の部材１０と第２熱処理工程後の第２の部材２０を示す。はんだ付け方法の一工程を示す図であって、第１熱処理工程後の第１の部材１０と第２熱処理工程後の第２の部材２０とを組み合わせた様子を示す。はんだ付け方法の一工程を示す図であって、第３熱処理工程後の第１の部材１０及び第２の部材２０を示す。図５（Ａ）〜図５（Ｅ）は、はんだ付け後（第３熱処理工程後）のＮｉ膜１２（Ｎｉ−Ｐ）とはんだ接合層３０との接合界面を撮影した電気顕微鏡写真である。図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、はんだ付け後（第３熱処理工程後）のＮｉ膜１２（Ｎｉ）とはんだ接合層３０との接合界面を撮影した電気顕微鏡写真である。第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度を変化させて実施したはんだ付けした結果を示す表。第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度毎に、高温耐久試験において測定されたＰリッチ層の成長を示すグラフ。図９（Ａ）〜図９（Ｅ）は、５００時間の高温耐久試験後にＮｉ膜１２（Ｎｉ−Ｐ）とはんだ接合層３０との接合界面を撮影した電気顕微鏡写真である。図９（Ａ）〜（Ｅ）は、第１及び第２のはんだ１４、２４のＣｕ濃度をそれぞれ０．７重量パーセント、０．９重量パーセント、１．４重量パーセント、１．５重量パーセント、１．６重量パーセントとしたものを示す。図１０（Ａ）〜図１０（Ｅ）は、高温耐久試験後にＮｉ膜１２（Ｎｉ−Ｐ）とはんだ接合層３０との接合界面を撮影した電気顕微鏡写真である。図１０（Ａ）はＣｕ濃度を０．７重量パーセントとし、２５０時間の高温耐久試験を行ったものであり、図１０（Ｂ）はＣｕ濃度を０．９重量パーセントとし、２５０時間の高温耐久試験を行ったものであり、図１０（Ｃ）はＣｕ濃度を１．４重量パーセントとし、５００時間の高温耐久試験を行ったものであり、図１０（Ｄ）はＣｕ濃度を１．５重量パーセントとし、５００時間の高温耐久試験を行ったものであり、図１０（Ｅ）はＣｕ濃度を１．６重量パーセントとし、１０００時間の高温耐久試験を行ったものである。半導体装置５０を模式的に示す斜視図。半導体装置５０の構造を模式的に示す分解図。なお、樹脂パッケージ６０は図示省略されている。半導体装置５０の電気的な構成を示す回路図。図１１のＸＩＶ−ＸＩＶ線における断面図。図１４のＸＶ部の拡大図。半導体装置５０の製造方法の一工程を示す図であって、第１熱処理工程又は第２熱処理工程後の各部材を示す。半導体装置５０の製造方法の一工程を示す図であって、一部の部材が組み合わされた半製品を示す。半導体装置５０の製造方法の一工程を示す図であって、第３熱処理工程後の半製品を示す。半導体装置５０の製造方法の一工程を示す図であって、さらに他の部材が組み合わされた半製品を示す。半導体装置５０の製造方法の一工程を示す図であって、二度目の第３熱処理工程後の半製品を示す。半導体装置５０の製造方法の一工程を示す図であって、樹脂パッケージ６０が形成された半導体装置５０を示す。Ｓｎ−Ｃｕ系はんだの状態図（相図）を示す。

最初に、本明細書で開示されるはんだ付け方法について説明する。このはんだ付け方法では、図１〜図４に示すように、第１のはんだ１４と第２のはんだ２４を用いて、第１の部材１０と第２の部材２０とを互いに接合する。このはんだ付け方法は、各種の工業製品の製造に適用することができる。従って、第１の部材１０及び第２の部材２０は、特定の部材に限定されない。例えば、第１の部材１０及び第２の部材２０は、半導体装置を構成する複数の部材のうちの二つである。この場合、本明細書で開示されるはんだ付け方法は、半導体素子と導電部材（例えばリードフレーム）との間のはんだ付け、導電部材と導電部材との間のはんだ付け、及び、半導体素子と半導体素子との間のはんだ付けのいずれにも適用することができる。

先ず、図１に示すように、第１の部材１０の表面１０ａに第１のはんだ１４を配置し、第２の部材２０の表面２０ａに第２のはんだ２４を配置する。第１の部材１０の表面１０ａには、Ｎｉ膜１２が形成されている。ここで、Ｎｉ膜とは、Ｎｉ（ニッケル）を主成分とする金属層を意味し、例えば無電解Ｎｉ−Ｐめっき層や電解Ｎｉめっき層であってよい。Ｎｉ膜１２は、第１の部材１０と第１のはんだ１４との接合界面における金属化合物の過剰な生成を抑制するために設けられている。Ｎｉ膜１２の初期厚みＤ０は、特に限定されず、例えば数μｍ〜数百μｍとすることができる。同様に、第２の部材２０の表面２０ａにも、Ｎｉ膜２２が形成されている。なお、Ｎｉ膜１２、２２は、その腐食を防止するために、Ａｕ（金）又はＡｇ（銀）といった他の金属膜によって覆われていてもよい。このような金属膜は、後の第１熱処理工程又は第２熱処理工程において、はんだ１４、２４が溶融している間に当該はんだ１４、２４中に拡散する。

第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のそれぞれは、Ｓｎ（錫）にＣｕ（銅）が添加されたＳｎ−Ｃｕ系はんだであり、ＣｕとＳｎとの金属間化合物であるＣｕ_６Ｓｎ_５（符号１６、２６）が含まれている。詳しくは後述するが、各々のはんだ１４、２４は、Ｃｕを０．９重量パーセント以上含有することが好ましい。各々のはんだ１４、２４は、様々な形態のものであってよく、シート状、ワイヤ状、ペースト状であってよい。また、第１のはんだ１４と第２のはんだ２４との間で、Ｃｕ濃度は同一であってもよいし、異なってもよい。

次に、図２に示すように、第１の部材１０上に配置された第１のはんだ１４を加熱する第１熱処理工程と、第２の部材２０上に配置された第２のはんだ２４を加熱する第２熱処理工程とを実施する。第１熱処理工程と第２熱処理工程は、同時に行われてもよいし、別々のタイミングで行われてもよい。また、第１熱処理工程と第２熱処理工程は、物理的に離れた位置で個別に行われてもよい。第１熱処理工程では、第１のはんだ１４を加熱することによって、第１のはんだ１４を第１の部材１０のＮｉ膜１２上で溶融させる。即ち、第１熱処理工程では、第１のはんだ１４を、その溶融温度（液相点）以上まで加熱する。ここで、図２２に示す相図から理解されるように、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだの溶融温度は、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだに含まれるＣｕ濃度に応じて変化し、Ｃｕ濃度が高くなるほど溶融温度も高くなる。例えば、Ｃｕ濃度が０．９重量パーセントの場合、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだの溶融温度は２３０℃〜２３５℃となる。この点に関して、第１のはんだ１４のＣｕ濃度は、低い方が好ましい。後述する第２のはんだ２４についても同様である。

第１のはんだ１４が溶融すると、第１のはんだ１４に含まれるＣｕ_６Ｓｎ_５がＮｉ膜１２上へ移動して、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５（符号１８）が生成される。これにより、第１の部材１０と第１のはんだ１４が強固に接続される。（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５は、Ｎｉ膜１２を覆うことによって、Ｎｉ_３Ｓｎ_４の生成を抑制するバリア層として機能する。第１熱処理工程において、第１のはんだ１４を溶融した状態に維持する溶融時間は、例えば５分〜１０分とすることができる。但し、当該溶融時間は、３分〜１０分に限られず、予定する量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が生成されるのに要する時間を考慮して、適宜設定することができる。なお、Ｎｉ膜１２上に生成される（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の量は、第１のはんだ１４のＣｕ濃度に応じて変化し、Ｃｕ濃度が高くなるほど（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の生成量は多くなる。この点に関しては、第１のはんだ１４のＣｕ濃度は、高い方が好ましい。後述する第２のはんだ２４についても同様である。

同様に、第２熱処理工程では、第２のはんだ２４を加熱することによって、第２のはんだ２４を第２の部材２０のＮｉ膜２２上で溶融させる。即ち、第２熱処理工程では、第２のはんだ２４を、その溶融温度（液相点）以上まで加熱する。第２のはんだ２４が溶融すると、第２のはんだ２４に含まれるＣｕ_６Ｓｎ_５がＮｉ膜２２上へ移動して、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５（符号２８）が生成される。（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５についても、Ｎｉ膜２２を覆うことによって、Ｎｉ_３Ｓｎ_４の生成を抑制するバリア層として機能する。第２の熱処理工程においても、第２のはんだ２４を溶融した状態に維持する溶融時間は、例えば３分〜１０分とすることができる。但し、この溶融時間についても、予定する量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が生成されるのに要する時間を考慮して、適宜設定することができる。第２熱処理工程における溶融時間は、第１熱処理工程における溶融時間と同一であってもよいし、異なってもよい。なお、第１の部材１０のＮｉ膜１２や第２の部材２０のＮｉ膜２２がＡｕ又はＡｇといった他の金属膜によって覆われている場合でも、このような金属膜は、はんだ１４、２４が溶融している間にはんだ１４、２４中に拡散するので、Ｎｉ膜１２、２２上には同じく（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が生成される。

次に、図３に示すように、第１のはんだ１４と第２のはんだ２４とが向かい合うように、第１の部材１０と第２の部材２０とを組み合わせる。このとき、第１のはんだ１４と第２のはんだ２４とを直接的に接触させてもよいし、第１のはんだ１４と第２のはんだ２４との間に別のはんだ又はその他の部材を介在させてもよい。

次に、図４に示すように、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４を加熱する第３熱処理工程を実施する。第３熱処理工程では、第１熱処理工程後の第１のはんだ１４と、第２熱処理工程後の第２のはんだ２４とを溶融させて一体化する。その後、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４が凝固すると、第１の部材１０と前記第２の部材２０との間に、両はんだ１４、２４が一体となったはんだ接合層３０が形成され、第１の部材１０と第２の部材２０とが互いに接合される。第３熱処理工程では、各々のはんだ１４、２４が短時間でも溶融すれば、両者を一体化させることができる。従って、第３熱処理工程では、はんだ１４、２４を溶融した状態に維持する溶融時間を例えば数秒に設定してもよい。従って、第３熱処理工程における溶融時間は、各種の条件を考慮して適宜設定することができるが、第１熱処理工程及び第２熱処理工程における各溶融時間よりも短くすることができる。

上記したはんだ付け方法では、第１の部材１０と第２の部材２０を組み合わせる前に、第１の部材１０に対して第１熱処理工程が実施され、第２の部材に対して第２熱処理工程が実施される。第１熱処理工程では、第１のはんだ１４を用いて、第１の部材１０のＮｉ膜１２上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成する。第２熱処理工程では、第１のはんだ１４とは別の第２のはんだ２４を用いて、第２の部材２０のＮｉ膜２２上に（Ｃｕ、Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成する。これに対して、従来のはんだ付け方法では、二つの部材の間で共通のはんだを溶融させることにより、二つの部材の各Ｎｉ膜上へ（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を同時に生成していた。このような方法であると、はんだに含まれるＣｕ_６Ｓｎ_５を二つの部材で分け合うことになり、一方の部材で（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が過剰に生成されると、他方の部材で（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が十分に生成されないことがあった。これに対して、本明細書で開示されるはんだ付け方法によると、一つのはんだに含まれるＣｕ_６Ｓｎ_５を第１の部材１０及び第２の部材２０で分け合うことがない。従って、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度が比較的に低い場合でも、第１の部材１０及び第２の部材２０の各Ｎｉ膜１２、２２上へ、予定された量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成することができる。第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度を低くすれば、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４の各溶融温度が低下する（図２２参照）。従って、第１熱処理工程で第１のはんだ１４を加熱する目標温度、及び、第２熱処理工程で第２のはんだ２４を加熱する目標温度をそれぞれ低くすることができる。これらの目標温度を低くすることができれば、例えば、それぞれの熱処理工程で必要とされるエネルギー消費量を抑制することができる。あるいは、第１のはんだ１４又は第２のはんだ２４と共に加熱される各種の部材への悪影響を避けることができる。

次に、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度について検討する。前述したように、第１のはんだ１４のＣｕ濃度を高くするほど、Ｎｉ膜１２上により多くの（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が生成され、好適なバリア層を形成することができる。第２のはんだ２４についても同様であるので、以下では、第１のはんだ１４を例にして説明する。図５は、はんだ付け後のＮｉ膜１２とはんだ接合層３０との界面を撮影した電子顕微鏡写真である。なお、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）の各写真は、第１の部材１０をＣｕとし、Ｎｉ膜１２を無電解Ｎｉ−Ｐめっき層としたものである。また、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）は、第１のはんだ１４のＣｕ濃度を、それぞれ０．７重量パーセント、１．７重量パーセント、２．７重量パーセント、３．０重量パーセント、３．２重量パーセントとしたものを示す。図５（Ａ）に示すように、第１のはんだ１４のＣｕ濃度が０．７重量パーセントの場合、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の生成が不十分であり、Ｎｉ_３ＳｎＰが広く生成されていることが確認される。また、生成されたＰリッチ層（Ｎｉ_３Ｐが生成された層）の厚みＤ１も大きい。ここで、Ｐリッチ層の厚みＤ１は、Ｎｉ膜１２から消費されたＮｉの量に相関し、Ｐリッチ層の厚みＤ１が大きいときほど、Ｎｉ膜１２から多くのＮｉが消費されたことを示す。一方、図５（Ｂ）〜図５（Ｅ）に示すように、第１のはんだ１４のＣｕ濃度が１．７重量パーセント以上であると、Ｎｉ_３ＳｎＰの生成が確認されず、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が十分に生成されていることが確認される。また、Ｐリッチ層の厚みＤ１も比較的に小さく、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５がＮｉ膜１２を覆い、バリア層として機能したことが確認される。

図６（Ａ）〜図６（Ｅ）の各写真は、図５（Ａ）〜図６（Ｅ）に示すものと比較して、Ｎｉ膜１２を電解Ｎｉめっき層に変更したものである。図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、第１のはんだ１４のＣｕ濃度を、それぞれ０．７重量パーセント、１．７重量パーセント、２．７重量パーセント、３．０重量パーセント、３．２重量パーセントとしたものを示す。図６（Ａ）に示すように、第１のはんだ１４のＣｕ濃度が０．７重量パーセントの場合、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の生成が不十分であり、（Ｎｉ，Ｃｕ）_３Ｓｎ_４が広く生成されていることが確認される。また、Ｎｉ膜１２の厚みＤ２も、初期厚みＤ０から比較的に大きく減少している。即ち、Ｎｉ膜１２から多くのＮｉが消費されたことが確認される。一方、図６（Ｂ）〜図６（Ｅ）に示すように、第１のはんだ１４のＣｕ濃度が１．７重量パーセント以上であると、（Ｎｉ，Ｃｕ）_３Ｓｎ_４の生成が確認されず、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が十分に生成されていることが確認される。また、Ｎｉ膜１２の消失量（即ち、Ｄ０とＤ２との差）も比較的に小さく、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５がＮｉ膜１２を覆い、バリア層として機能したことが確認される。

上記した実験結果から、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度が１．７重量パーセント以上であると、各Ｎｉ膜１２、２２上にバリア層として機能し得る量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が生成されることが確認された。しかしながら、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだの溶融温度は、Ｃｕ濃度が１．７重量パーセントの場合、２５０℃〜２６０℃となる（図２２参照）。前述したように、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだでは、Ｃｕ濃度が低くなるほど溶融温度が低くなり、それによって、第１熱処理工程及び第２熱処理工程における目標加熱温度を低下させることができる。ここで、図５、図６に示す実験結果によると、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度が１．７重量パーセント未満であっても、各Ｎｉ膜１２、２２上に、バリア層として機能し得る量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成し得ることが推測される。そのことから、以下では、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度が０．７〜１．７重量パーセントの範囲の場合についてさらに検討する。

図７〜図１０は、本発明者らが実施した実験の結果を示す。この実験では、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度を変化させた各サンプルに対して、２００℃の高温雰囲気下に放置する高温耐久試験を行っている。なお、この実験では、Ｎｉ膜１２、２２を無電解Ｎｉ−Ｐめっき層とし、第１の部材１０及び第２の部材２０をＣｕとした。また、各サンプルの評価については、Ｃｕ濃度が０．７重量パーセントである場合を基準とし、それに対する「Ｎｉ消失量の少なさ」及び「（Ｎｉ，Ｃｕ）_３Ｓｎ_４の生成されにくさ」を相対的に判断している。図７に示す表において、丸印「○」は当該基準（Ｒｅｆ）よりも優れていることを示し、丸印の数が多いものほど、より優れていることを示す。ここで、「はんだ付け」の欄は、はんだ付け直後に各サンプルを観察及び測定した結果を示し、「高温耐久（２００℃）」の欄は、高温耐久試験後に各サンプルを観察及び測定した結果を示す。図８は、高温耐久試験における保持時間（各サンプルを２００℃の高温雰囲気下に放置した時間）と、測定されたＰリッチ層の厚みＤ１との関係を示すグラフである。ここで、図７に示す「Ｎｉ消失量の少なさ」は、図８に示すＰリッチ層の厚みＤ１に基づいて評価されている。

図８、図９、図１０から確認されるように、Ｃｕ濃度が０．７重量パーセントのサンプルでは、５００時間の高温耐久試験によって、Ｎｉ膜１２がほぼ完全に消失しており、（Ｎｉ，Ｃｕ）_３Ｓｎ_４の顕著な生成が確認される。これに対して、Ｃｕ濃度が０．９重量パーセント以上であると、５００時間の高温耐久試験によっても、Ｎｉ膜１２の残存が確認されており、（Ｎｉ，Ｃｕ）_３Ｓｎ_４の生成も抑制されている。このことから、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度が０．９重量パーセント以上であれば、２００℃に達するような高温を経験し得る工業製品においても、実用化に耐え得るはんだ付けを行うことができると判断される。

さらに、図８のグラフによると、Ｃｕ濃度が高くなるほど、生成されるＰリッチ層の厚みは減少する。これは、Ｃｕ濃度が高くなるほど、Ｎｉ膜１２、２２上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が厚く生成され、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５によるバリア性が優れることを示す。特に、Ｃｕ濃度が１．６重量パーセントのサンプルでは、５００時間〜１０００時間の高温耐久試験においても、Ｐリッチ層の生成が安定して抑制されており、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の層が特に優れたバリア性を有することが確認される。そのことから、第１のはんだ１４及び第２のはんだ２４のＣｕ濃度は、１．６重量パーセント以上であることがより好ましいと判断される。

本明細書で開示されるはんだ付け方法は、はんだ付けを必要とする各種の工業製品の製造に適用することができる。以下では、一例として、本明細書で開示されるはんだ付け方法を適用した半導体装置５０の製造方法を説明する。最初に、図１１〜図１５を参照して半導体装置５０の構成について説明する。この半導体装置５０は、電気自動車（ハイブリッドカー及び燃料電池車を含む）において、モータへの電力供給経路に使用されるパワーモジュールである。

図１１〜図１３に示すように、半導体装置５０は、複数の半導体素子５２、５４、５６、５８と、それらの半導体素子５２、５４、５６、５８を封止する樹脂パッケージ６０を備える。複数の半導体素子５２、５４、５６、５８は、第１トランジスタ素子５２と、第２トランジスタ素子５４と、第１ダイオード素子５６と、第２ダイオード素子５８とを含む。各々の半導体素子５２、５４、５６、５８は、許容電流が１００アンペア以上であり、パワー半導体素子に属するものである。図１３に示されるように、第１トランジスタ素子５２と第２トランジスタ素子５４は電気的に直列に接続されている。第１ダイオード素子５６は第１トランジスタ素子５２に電気的に逆並列に接続されており、第２ダイオード素子５８は第２トランジスタ素子５４に電気的に逆並列に接続されている。

半導体装置５０はさらに、複数の放熱板６２、６４、６６、６８と、複数のスペーサ７２、７４、７６、７８を備える。複数の放熱板６２、６４、６６、６８及び複数のスペーサ７２、７４、７６、７８の各々は、導電部材であり、例えば銅といった金属材料で形成されている。各々の放熱板６２、６４、６６、６８は、樹脂パッケージ６０の下面６０ａ又は上面６０ｂに露出しており、複数の半導体素子５２、５４、５６、５８の熱を外部へ放出する。図１４に示すように、第１トランジスタ素子５２の下面電極５２ａと放熱板６２は互いにはんだ付けされており、両者の間には、はんだ接合層９１が形成されている。第１トランジスタ素子５２の上面電極５２ｂとスペーサ７２の下面は互いにはんだ付けされており、両者の間には、はんだ接合層９２が形成されている。スペーサ７２の上面と放熱板６６は互いにはんだ付けされており、両者の間には、はんだ接合層９３が形成されている。

同様に、第２トランジスタ素子５４の下面電極５４ａと放熱板６４は互いにはんだ付けされており、両者の間には、はんだ接合層９４が形成されている。第２トランジスタ素子５４の上面電極５４ｂとスペーサ７４の下面は互いにはんだ付けされており、両者の間には、はんだ接合層９５が形成されている。スペーサ７４の上面と放熱板６８は互いにはんだ付けされており、両者の間には、はんだ接合層９６が形成されている。また、放熱板６４の継手６５と放熱板６６の継手６７は互いにはんだ付けされており、両者の間には、はんだ接合層９７が形成されている。図示省略するが、第１ダイオード素子５６及び第２ダイオード素子５８についても、第１トランジスタ素子５２及び第２トランジスタ素子５４と同様に、放熱板６２、６４、６６、６８及びスペーサ７６、７８に対してはんだ付けによって固定されている。

図１４、１５に示すように、はんだ接合層９１に接する放熱板６２及び第１トランジスタ素子５２の各表面には、Ｎｉ膜１０１、１０２が形成されている。また、はんだ接合層９２に接する第１トランジスタ素子５２及びスペーサ７２の各表面には、Ｎｉ膜１０３、１０４が形成されている。図示省略するが、その他のはんだ接合層９３〜９７に接する二つの部材の各表面にも、Ｎｉ膜がそれぞれ形成されている。

図１１、図１２に示すように、半導体装置５０はさらに、正極端子８２、負極端子８４、出力端子８６及び複数の制御端子８８を備える。正極端子８２は、放熱板６２と一体に形成されている。負極端子８４は、放熱板６８の継手６９にはんだ付けされている。出力端子８６は、放熱板６４と一体に形成されている。ここで、各々の放熱板６２、６４、６６、６８は、複数の半導体素子５２、５４、５６、５８と電気的に接続されており、導電経路を構成している。各々の制御端子８８は、ボンディングワイヤ８９を介して、第１トランジスタ素子５２又は第２トランジスタ素子５４のゲートパッドその他の電極パッドに接続されている。

以下、図１６〜図２１を参照して、上述した半導体装置５０の製造方法について説明する。先ず、図１６に示すように、互いはんだ付けする二つの部材について、前述した第１熱処理工程及び第２熱処理工程を実施する。それにより、各部材にはんだを溶着させる。例えば、互いにはんだ付けされる放熱板６２と第１トランジスタ素子５２については、放熱板６２に対して第１熱処理工程を実施するとともに、第１トランジスタ素子５２に対して第２熱処理工程を実施する。第１熱処理工程では、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだである第１のはんだ９１ａを、放熱板６２に形成されたＮｉ膜１０１上で溶融させて、当該Ｎｉ膜１０１上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させる。一方、第２熱処理工程では、同じくＳｎ−Ｃｕ系はんだである第２のはんだ９１ｂを、第１トランジスタ素子５２に形成されたＮｉ膜１０２上で溶融させて、当該Ｎｉ膜１０２上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させる。ここで、前述したように、第１のはんだ９１ａ及び第２のはんだ９１ｂは、Ｃｕを０．９重量パーセント以上含有するものであり、Ｃｕを１．６重量パーセント以上含有することがより好ましい。同様にして、その他のはんだ付け箇所についても、各々の部材に第１熱処理工程又は第２熱処理工程を実施して、第１のはんだ９２ａ〜９７ａ又は第２のはんだ９２ｂ〜９７ｂを各部材に溶着させる（なお、図１６に図示されない第１ダイオード素子５６その他の部材も同様である）。

次に、図１７に示すように、放熱板６２上に第１トランジスタ素子５２及びスペーサ７２を重畳的に配置し、放熱板６４上に第２トランジスタ素子５４及びスペーサ７４を重畳的に配置する。このとき、放熱板６２に溶着された第１のはんだ９１ａは、第１トランジスタ素子５２の下面に溶着された第２のはんだ９１ｂと接触又は対向し、第１トランジスタ素子５２の上面に溶着された第１のはんだ９２ａは、スペーサ７２の下面に溶着された第２のはんだ９２ｂと接触又は対向する。第２トランジスタ素子５４側に関しても同様に、第１のはんだ９４ａ、９５ａが、対応する第２のはんだ９４ｂ、９５ｂにそれぞれ接触又は対向する。図示省略するが、放熱板６２上にはさらに、第１ダイオード素子５６及びスペーサ７６を重畳的に配置し、放熱板６４上にはさらに、第２ダイオード素子５８及びスペーサ７８を重畳的に配置する。なお、放熱板６２及び放熱板６４は、複数の制御端子８８等と共に一体に成形されたリードフレームとして用意することができる。

次に、図１８に示すように、前述した第３熱処理工程を実施することにより、各部材に溶着された第１のはんだ９１ａ、９２ａ、９４ａ、９５ａと、各部材に溶着された第２のはんだ９１ｂ、９２ｂ、９４ｂ、９５ｂを溶融させて一体化する。これにより、第１トランジスタ素子５２は、はんだ接合層９１を介して放熱板６２に接合され、かつ、はんだ接合層９２を介してスペーサ７２に接合される。また、第２トランジスタ素子５４は、はんだ接合層９４を介して放熱板６４に接合され、かつ、はんだ接合層９５を介してスペーサ７４に接合される。図示省略するが、同様にして、第１ダイオード素子５６は放熱板６２及びスペーサ７６にはんだ接合層を介して接合され、第２ダイオード素子５８は放熱板６４及びスペーサ７８にはんだ接合層を介して接合される。その後、制御端子８８に対するワイヤボンディングを行う。

次に、図１９に示すように、上述した第３熱処理工程後の半製品に対して、放熱板６６、６８を組み合わせる。このとき、スペーサ７２の上面に溶着された第１のはんだ９３ａは、放熱板６６の下面に溶着された第２のはんだ９３ｂと接触又は対向し、スペーサ７４の上面に溶着された第１のはんだ９６ａは、放熱板６８の下面に溶着された第２のはんだ９６ｂと接触又は対向する。また、放熱板６４の継手６５に溶着された第１のはんだ９７ａは、放熱板６６の継手６７に溶着された第２のはんだ９７ｂと接触又は対向する。

次に、図２０に示すように、二度目の第３熱処理工程を実施することにより、各部材に溶着された第１のはんだ９３ａ、９６ａ、９７ａと、各部材に溶着された第２のはんだ９３ｂ、９６ｂ、９７ｂを溶融させて一体化する。これにより、放熱板６６は、はんだ接合層９３を介してスペーサ７２に接合され、放熱板６８は、はんだ接合層９６を介してスペーサ７４に接合される。また、放熱板６６の継手６７が、はんだ接合層９７を介して放熱板６４の継手６５に接合される。図示省略するが、放熱板６６は、第１ダイオード素子５６上のスペーサ７６にもはんだ付けされ、放熱板６８は、第２ダイオード素子５８上のスペーサ７８にもはんだ付けされる。その後、図２１に示すように、モールド成形によって樹脂パッケージ６０を形成し、リードフレームの切断及び他の必要な工程を行うことによって、半導体装置５０は完成する。

上記した半導体装置５０の製造方法は一例であり、本明細書で開示されるはんだ付け方法は、様々な構成の半導体装置の製造方法にも適用することができる。但し、半導体装置５０は、パワー半導体素子５２、５４、５６、５８を有しており、大電流が通電されることによって、はんだ付け箇所が２００℃に達することも想定される。この点に関して、上記した製造方法によると、各部材のＮｉ膜（例えばＮｉ膜１０１、１０２、１０３）上に十分な（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させることによって、２００℃の高温下でもＮｉ膜の金属間化合物化を抑制し得るバリア層を形成することができる。従って、上記した製造方法は、パワー半導体素子５２、５４、５６、５８を有する半導体装置５０の製造方法に好適に適用することができる。なお、上述した半導体装置５０の製造方法では、本明細書で開示されるはんだ付け方法を、複数のはんだ付け箇所に適用しているが、本明細書で開示されるはんだ付け方法は、複数のはんだ付け箇所の一部のみに適用することもできる。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。以下に、本明細書の開示内容から把握される技術的事項を列記する。なお、以下に記載する技術的事項は、それぞれが独立した技術的事項であり、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。

本明細書では、第１の部材と第１の部材に接合された第２の部材を有する半導体装置の製造方法が開示される。この製造方法は、Ｃｕを０．９重量パーセント以上含有する第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだを、第１の部材に形成されたＮｉ膜上で溶融させて、第１の部材のＮｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させる第１熱処理工程と、Ｃｕを０．９重量パーセント以上含有する第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを、第２の部材に形成されたＮｉ膜上で溶融させて、第２の部材のＮｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させる第２熱処理工程と、第１熱処理工程後の第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだと、第２熱処理工程後の第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだとを溶融させて一体化し、第１の部材と第２の部材とを互いに接合する第３熱処理工程とを備える。この製造方法によると、第１及び第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだのＣｕ濃度が比較的に低い場合でも、第１の部材及び第２の部材の各Ｎｉ膜上へ、予定された量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させることができる。

上記した製造方法では、第３熱処理工程で第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだ及び第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを溶融させる時間を、第１熱処理工程で第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだを溶融させる時間及び第２熱処理工程で第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを溶融させる時間よりも短くするとよい。第３熱処理工程は、金属化合物の生成を目的とするものではなく、第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだ及び第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを単に溶融させることで、両者を一体化することができる。そのことから、第３熱処理工程ではんだを溶融させる時間は、第１熱処理工程及び第２処理工程ではんだを溶融させる時間よりも短くてよく、それにより、半導体装置の製造に要する時間を短縮することができる。

上記した製造方法において、第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだと第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだの少なくとも一方は、Ｃｕを１．６重量パーセント以上含有することが好ましい。これにより、第１部材と第２部材の少なくとも一方のＮｉ膜上に、より優れたバリア性を発揮し得る量の（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させることができる。

上記した製造方法において、第１の部材と第２の部材の少なくとも一方は、パワー半導体素子であることが好ましい。パワー半導体素子を有する半導体装置では、大きな電流が通電されることによって、はんだ付け箇所が例えば２００℃に達するような高温まで加熱されることがある。この点に関して、上記した製造方法によると、Ｎｉ膜に十分な（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を生成させることによって、２００℃の高温下でもＮｉ膜の金属間化合物化を長期間に亘って抑制し得るバリア層を形成することができる。これにより、パワー半導体素子を有する半導体装置の耐熱性を有意に高めることができる。

１０：第１の部材
１２：第１の部材のＮｉ膜
１４：第１のはんだ
２０：第２の部材
２２：第２の部材のＮｉ膜
２４：第２のはんだ
３０：はんだ接合層
５０：半導体装置
５２：第１トランジスタ素子
５４：第２トランジスタ素子
５６：第１ダイオード素子
５８：第２ダイオード素子
６０：樹脂パッケージ
６２、６４、６６、６８：放熱板
７２、７４、７６、７８：スペーサ
６０：樹脂パッケージ
９１、９２、９３、９４、９５、９６：はんだ接合層
９１ａ、９２ａ、９４ａ、９５ａ、９６ａ：第１のはんだ
９１ｂ、９２ｂ、９４ｂ、９５ｂ、９６ｂ：第２のはんだ
１０１、１０２、１０３、１０４：Ｎｉ膜

Claims

第１の部材と前記第１の部材に接合された第２の部材を有する半導体装置の製造方法であって、
Ｃｕを０．９重量パーセント以上含有する第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだを、前記第１の部材に形成されたＮｉ膜上で溶融させて、前記第１の部材の前記Ｎｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を生成させる第１熱処理工程と、
Ｃｕを０．９重量パーセント以上含有する第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを、前記第２の部材に形成されたＮｉ膜上で溶融させて、前記第２の部材の前記Ｎｉ膜上に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を生成させる第２熱処理工程と、
前記第１熱処理工程後の前記第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだと、前記第２熱処理工程後の前記第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだとを溶融させて一体化し、前記第１の部材と前記第２の部材とを互いに接合する第３熱処理工程と、
を備え、
前記第３熱処理工程で前記第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだ及び前記第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを溶融させる時間は、前記第１熱処理工程で前記第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだを溶融させる時間及び前記第２熱処理工程で前記第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだを溶融させる時間よりも短い、製造方法。
前記第１のＳｎ−Ｃｕ系はんだと前記第２のＳｎ−Ｃｕ系はんだの少なくとも一方は、Ｃｕを１．６重量パーセント以上含有する、請求項１に記載の製造方法。
前記第１の部材と前記第２の部材の少なくとも一方は、パワー半導体素子である、請求項１又は２に記載の製造方法。