JP6776621B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置及び電気機器に関する。本発明は、特には、高温はんだを用いた場合に電気的接続性を確保することができる接合部を備える半導体装置及び電気機器に関する。

鉛フリーはんだ実装技術分野において、リードフレームのアイランド部に半導体チップを搭載し、樹脂封止体でモールドした半導体装置において、リードフレーム材を樹脂とすることで熱膨張係数を同程度とし、モールド樹脂との密着性を確保するとともに、該リードフレームのうち少なくともリード部の表面に導電性の金属薄層を固着形成することを特徴とした半導体装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

リードフレームのアイランド部と半導体チップ間をはんだ材を用いて接合する際、接合プロセス条件によっては、リードフレーム表面に固着形成した導電性の金属薄層が接合層中に拡散し、金属薄層厚さの低減あるいは消失により、電気的接続性の確保が困難になることが懸念される。

被接合体表面に形成した金属薄層の低減対策として、Ｚｎ合金母材表面に近い側から、Ｎｉめっき層（膜厚０．３μｍ以上１．０μｍ以下）及びＳｎめっき層（膜厚０．５μｍ以上２．０μｍ以下）を成膜して、１５０℃以上１７０℃以下の温度条件で熱処理した後、Ｓｎめっき層を残留させることで、Ｚｎの拡散を防止する技術が知られている（例えば、特許文献２を参照）。また、Ｚｎの拡散を防止することで、ＺｎＯ（酸化亜鉛）の層が形成されることなく、電気的接続性を確保している。

特開2000-277679号公報 特開平11-135226号公報

しかしながら、上記を、Ｚｎ系はんだ（融点：３８２℃）等の高温はんだ材のリフロー工程に適用するとき、温度４００℃でのＳｎからＺｎへの拡散係数が温度１７０℃での拡散係数に比べて約１０^５倍大きいことを考慮すると、プロセス中にＳｎめっき成分が接合層（はんだ）中に溶出する、もしくは、消失に至ることが懸念される。具体的には、Ｚｎ中へのＳｎの拡散係数（Ｄ_{Ｓｎ→Ｚｎ}）が、１５０℃では、１．４×１０^―２０ｍ^２／ｓ、１７０℃では、６．９×１０^―２０ｍ^２／ｓであるのに対し、４００℃では、６．９×１０^―１５ｍ^２／ｓになる。その結果、下地Ｎｉめっきがはんだ中に拡散して、Ｚｎ−Ｎｉ化合物が接合界面に形成することで界面抵抗が上昇し、電気的接続性の確保が困難になることが想定される。

Ｚｎ系はんだに比べて融点が低いＢｉ系はんだ材（融点：２６２℃）を用いたリフロー工程に関しても、プロセス中にＳｎめっき成分が接合層（はんだ）中に溶出する、もしくは消失すると、接合界面にＢｉ−Ｎｉ化合物が形成して界面抵抗が上昇し、電気的接続性の確保が困難になることが想定される。

上記課題を解決するために、本発明者は、Ｎｉ処理層を表面に、あるいは内部に備える被接合体の接合面に、Ｎｉの拡散を防止する膜を形成することを考え、本発明を完成するに至った。本発明は、一実施形態によれば、はんだ接合部であって、Ｎｉ処理膜を備え、接合面にＳｎ拡散防止膜を備える被接合体と、ＢｉまたはＺｎを主成分とするはんだ材を溶融させてなるはんだ接合層とを少なくとも備えてなる。

前記はんだ接合部において、前記被接合体が、Ｎｉ処理膜を含む電極上にＳｎ拡散防止膜を備える半導体素子であることが好ましい。

前記はんだ接合部において、前記被接合体が、母材表面にＮｉ処理膜を備え、前記Ｎｉ処理膜上にＳｎ拡散防止膜を備えるリードフレームもしくは基板電極であることが好ましい。

前記はんだ接合部において、前記Ｓｎ拡散防止膜が、２〜１０μｍであることが好ましい。

前記はんだ接合部において、前記ＢｉまたはＺｎを主成分とするはんだ材が、Ｂｉ単体、Ｚｎ単体、または、ＢｉまたはＺｎに、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ、Ａｌから選択される１以上の添加元素を含む、固相線温度が２６０℃以上の高温はんだであることが好ましい。

本発明は、別の実施形態によれば、前述のいずれかに記載のはんだ接合部を備える半導体装置に関する。

本発明は、また別の実施形態によれば、前述のいずれかに記載のはんだ接合部を備える電気機器に関する。

本発明は、また別の実施形態によれば、半導体装置の製造方法であって、Ｎｉ処理膜を備える被接合体の接合面にＳｎ拡散防止膜を形成する工程と、前記被接合体を、ＢｉまたはＺｎを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上の高温はんだ材を用いて、リフロー接合する工程とを含む。

前記半導体装置の製造方法において、前記Ｓｎ拡散防止膜を形成する工程が、蒸着、スパッタリング、電気めっき、無電解めっき、溶融めっきから選択される方法により実施されることが好ましい。

前記半導体装置の製造方法において、前記Ｎｉ処理膜を備える被接合体が、Ｎｉ処理膜を含む電極を備える半導体素子、及び／または、母材表面にＮｉ処理膜を備えるリードフレームもしくは基板電極であることが好ましい。

本発明に係るはんだ接合部によれば、Ｓｎ拡散防止膜を成膜することにより、Ｎｉ処理膜の、高温はんだ材を溶融させた接合層への拡散及び／または消失を抑制することができる。そして、これにより電気的接続性を確保した半導体装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係るはんだ接合部を備える半導体装置の概念的な断面図である。 図２は、本発明の実施例に係る評価サンプルを模式的に示す平面図である。 図３は、本発明の実施例に係るはんだ接合部の断面を示す写真である。 図４は、本発明の比較例に係るはんだ接合部の断面を示す写真である。

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。

本発明は、一実施形態によれば、はんだ接合部に関する。はんだ接合部は、接合面にＳｎ拡散防止膜を備え、Ｎｉ処理膜を備える被接合体と、ＢｉまたはＺｎを主成分とするはんだ材を溶融させてなるはんだ接合層とを少なくとも備えてなる。

はんだ接合部は、典型的には電気機器における比較的大面積を接合する接合部であってよい。電気機器としては、例えば、半導体装置、ＬＥＤ素子を用いた照明部品や、インバータの駆動回路、電力変換機等が挙げられるが、これらには限定されない。好ましくは、電気機器は、半導体装置であり、接合部は、リードフレームと半導体ダイの電極との接合部、基板電極と半導体ダイの電極との接合部、あるいは半導体ダイの電極とインプラントピンとの接合部が挙げられるが、これらには限定されない。以下、本発明を半導体装置におけるダイボンド接合部を一例として説明するが、本発明の接合部は特定の装置の特定の接合部に接合されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態によるはんだ接合部を備える半導体装置の一例である、半導体モジュールの概念的な断面図である。半導体モジュール１００は、主として、半導体素子１と、はんだ接合層２と、リードフレーム３と、ワイヤ４並びに、これらをモールドする封止樹脂５から構成される。図示する半導体モジュール１００においては、半導体素子１、はんだ接合層２、リードフレーム３がダイボンド接合部Ｐを構成する。

図示する実施形態において、被接合体は、半導体素子１及びリードフレーム３であり、これらが、はんだ接合層２により接合される。

はんだ接合層２は、ＢｉまたはＺｎを主成分とするはんだ材を溶融させてなる。ＢｉまたはＺｎを主成分とするはんだ材は、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材であって、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ、Ａｌといった添加元素が含まれていてもよく、さらに不可避不純物を含みうる。不可避不純物とは、主として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ａｓ、Ｃｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｐ、Ｐｂなどをいう。また、本発明によるはんだ材は、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだである。以下、本明細書において、当該はんだ材を、高温はんだ材と指称することがある。

このようなはんだ材のうち、Ｂｉを主成分とするはんだ材としては、純Ｂｉ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ｇｅ、Ｂｉ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｃｕ、Ｂｉ−Ｚｎ、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｇ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｐ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｎｉ−Ｐが挙げられるが、これらには限定されない。また、Ｚｎを主成分とするはんだ材としては、純Ｚｎ、Ｚｎ−Ｂｉ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅが挙げられるが、これらには限定されない。

はんだ接合層２の形成方法については後述するが、典型的には、高温はんだ材の固相線温度以上の温度で溶融させる、リフロー工程により形成されたものであってよい。

図１（ｂ）を参照すると、被接合体である半導体素子１、リードフレーム３は、両者とも接合面にＳｎ拡散防止膜１０、３０を備え、接合面の内側（接合面に対し、はんだ接合層の逆側）にＮｉ処理膜１１、３１を備えるものである。

リードフレーム３は、Ｃｕ母材３２表面に、Ｎｉ処理膜３１を備えており、さらにＮｉ処理膜３１上にＳｎ拡散防止膜３０を備えている。Ｎｉ処理膜３１は、一般的に、防錆等の目的でＣｕ部材表面に設けられるものであり、無電解Ｎｉめっき膜、無電解Ｐ−Ｎｉめっき膜、電解Ｎｉめっき膜であってよいが、これらには限定されない。Ｎｉ処理膜３１の膜厚は、目的によって適宜決定することができ、例えば、０．１〜５μｍであってよく、０．５〜３μｍとすることができるが、特定の膜厚には限定されない。

Ｓｎ拡散防止膜３０は、Ｎｉ処理膜３１上に形成されためっき膜、スパッタリング膜などであってよい。また、Ｓｎを主成分とするものであれば、Ｓｎ以外の成分を含んでいてもよい。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｎｉから選択される１以上の元素とＳｎとからなる膜であって良いが、これらには限定されない。特に、はんだ接合層を形成するはんだ材の主成分がＢｉの場合は、ＳｎとＢｉを含むＳｎ拡散防止膜とすることができ、はんだ材の主成分がＺｎの場合は、ＳｎとＺｎを含むＳｎ拡散防止膜とすることができる。拡散防止膜の主成分をＡｕやＡｇとした場合、はんだ接合層中に拡散して、Ｓｉチップやリードフレームの表面処理膜の接合材への拡散を抑制する効果は殆どなくなるため、ＡｇやＡｕは拡散防止膜の主成分として適さず、Ｓｎを主成分とすることが好ましい。なお、Ｓｎを主成分とすれば、Ａｇ等を含んでいても拡散防止機能に影響を与えるものではない。

Ｓｎ拡散防止膜３０の厚みは、Ｓｎ拡散防止膜３０が実質的にＳｎのみからなる場合には、２〜１０μｍとすることが好ましい。２μｍ以上とするのは、ピーク加熱温度３５０℃、加熱時間３ｍｉｎのリフロー温度プロファイル条件下で、Ｓｎがはんだ接合層中に完全に拡散した結果、残留Ｓｎめっき膜厚を確保する理由からである。１０μｍ以下とするのは、剥離を防止するためである。なお、Ｓｎ拡散防止膜３０に、はんだ材の主成分であるＢｉまたはＺｎを含める場合には、ＢｉまたはＺｎの含有率に応じて、この膜厚を減ずることができる。一方、Ｓｎ拡散防止膜３０に、ＢｉまたはＺｎ以外の元素を含める場合には、Ｓｎ単体で２μｍ以上の膜を形成しうる膜厚とすることが好ましい。

図示するリードフレームは、Ｎｉ処理膜３１に接触してＳｎ拡散防止膜３０を設けているが、他の被接合体においては、場合により、Ｎｉ処理膜３１とＳｎ拡散防止膜３０との間にはんだ濡れ性向上、ワイヤボンディング性向上といった目的で他の層を設けることもできる。この場合、他の層は、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）あるいはこれらを含む組み合わせからなる、０．０１〜１μｍの層であってよいが、これらには限定されない。また、リードフレーム材は、Ｃｕ母材（Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐなど）、Ｆｅ母材（Ｆｅ−４２％Ｎｉなど）のいずれを用いることもできる。

半導体素子（シリコンチップ）１は、裏面電極上にＳｎ拡散防止膜１０を備えている。さらに具体的には、Ｓｉ結晶１４に対して、Ｔｉ層１３、Ｎｉ処理膜１１、Ａｕ層１２からなる一般的な裏面電極層が形成され、Ａｕ層１２上にＳｎ拡散防止膜１０を備えている。Ｔｉ層１３、Ｎｉ処理膜１１、Ａｕ層１２の厚みは、半導体素子１の特性により異なっており、当業者が適宜決定することができる。典型的には、Ｎｉ処理膜１１は、無電解Ｎｉめっき膜、無電解Ｐ−Ｎｉめっき膜、電解Ｎｉめっき膜であってよいが、これらには限定されない。また、Ｎｉ処理膜１１の膜厚は、通常、例えば、０．１〜５μｍであってよく、０．５〜３μｍとすることができるが、特定の膜厚には限定されない。また、Ａｕ層１２の厚みは、通常、例えば、０．０１〜０．３μｍであってよく、０．０３〜０．１μｍとすることができるが、特定の膜厚には限定されない。

Ｓｎ拡散防止膜１０は、Ａｕ層１２上に形成されためっき膜、スパッタリング膜などであってよく、その組成、形成方法、膜厚等は、リードフレーム３上のＳｎ拡散防止膜３０と同様の範囲から選択することができる。半導体素子１上のＳｎ拡散防止膜１０と、リードフレーム３上のＳｎ拡散防止膜３０とは、両者が同一の組成、形成方法、膜厚等であってもよく、組成、形成方法、膜厚のいずれか１以上が異なっていてもよい。

次に、このようなはんだ接合部を含む半導体装置の製造方法について説明する。半導体装置の製造方法は、Ｎｉ処理膜を備える被接合体の接合面にＳｎ拡散防止膜を形成する工程と、前記被接合体を、ＢｉまたはＮｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上の高温はんだ材を用いて、リフロー接合する工程とを含む。

Ｎｉ処理膜を備える被接合体の接合面にＳｎ拡散防止膜を形成する工程は、リードフレーム、基板電極、半導体素子などの接合面にＳｎ拡散防止膜を形成する工程である。Ｓｎ拡散防止膜は、蒸着、スパッタリング、電気めっき、無電解めっき、溶融めっき等の方法により形成することができる。被接合体の態様により、Ｎｉ処理膜の表面上にＳｎ拡散防止膜を形成する場合もあり、Ｎｉ処理膜に接触することなく、他の材質からなる膜上にＳｎ拡散防止膜を形成する場合もある。当業者であれば、これらの方法を用いて、先に詳述した組成、膜厚を備えるＳｎ拡散防止膜を形成することができる。

被接合体をリフロー接合する工程は、被接合体間にはんだ材を接触させた状態で、はんだ材を溶融させる。はんだ材は、フラックスと併用する粉末材、あるいは、板材、線材のいずれであってよい。フラックスと併用する粉末材とする場合、はんだ材は、平均粒径が、１５〜５０μｍ、好ましくは、２５〜４０μｍのものを用いることができる。平均粒径が１５〜５０μｍの範囲において、隣接するはんだ材が凝集することなく、安定して製造できるためである。フラックスは、接合の条件等に応じて、当業者が適宜選択することができ、特に限定されるものではないが、ＺｎもしくはＢｉの酸化を抑制することが可能な組成を有するフラックスを用いることが好ましい。一例として、ハロゲン活性化ロジンフラックス等を挙げることができる。線材は、例えば、直径が２００〜１０００μｍの線材とすることができ、板材は、例えば、厚みが５０〜２００μｍの板材とすることができる。

例えば、糸状あるいは板状のはんだ材を、一方の被接合体上に供給し、あるいは粉末状のはんだ材をフラックスとともに一方の被接合体上に供給し、他方の被接合体をはんだ上に搭載して、加熱する。このときの加熱温度は、はんだ材の固相線温度以上とし、加熱ピーク温度をはんだ材の液相線温度＋３０℃程度に設定することが好ましい。加熱時間は少なくとも６０秒以上保持することで良好な濡れ性が得られる。加熱ピーク温度に関しては、必ずしも液相線温度以上の加熱の必要はなく、純Ｂｉもしくは純Ｚｎにより近い成分の場合は、これらの固相線温度＋３０℃程度の加熱をすることで、良好な接合を確保することができる。加熱は、水素やギ酸など活性雰囲気下において実施することもできる。

以上のような工程で、Ｓｎ拡散防止膜を形成した接合部を備える半導体装置を製造することにより、Ｎｉ処理膜の接合層への拡散を抑制し、熱衝撃耐性の低い金属間化合物の生成を抑制することができる。すなわち、Ｓｎ拡散防止膜が存在しない場合に、はんだ接合層の被接合体との界面に生成しうるＢｉ_３Ｎｉ、ＢｉＮｉなどのＢｉ−Ｎｉ化合物や、Ｎｉ_２Ｚｎ_１１、ＮｉＺｎ_３、Ｎｉ_５Ｚｎ_２１などのＺｎ−Ｎｉ化合物の生成を抑制し、電気的接続性を確保することができる。

なお、本発明は、図示する実施形態に限定されるものではない。被接合体の少なくとも一方が、接合面にＳｎ拡散防止膜が形成され、接合面の内側（はんだ接合層と反対側）にＮｉ処理膜を備えるものであればよく、他方の被接合体の構成は限定されるものではない。したがって、図示するＳｎ拡散防止膜１０または３０の一方が存在しなくてもよい。また、被接合体の接合面にＳｎ拡散防止膜が形成されていれば、Ｓｎ拡散防止膜とＮｉ処理膜とが接触して設けられている必要はない。Ｎｉ処理膜が、被接合体の接合面近傍（例えば、０．１〜５μｍ）に位置しており、Ｓｎ拡散防止膜とＮｉ処理膜との間に、高温はんだ材の接合温度条件下で、拡散しやすい層が存在してもよい。具体的には、Ｓｎ拡散防止膜とＮｉ処理膜との間に、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕ等からなる、０．０１〜１μｍの層が存在していてもよい。はんだ接合層を介して接合される２つの被接合体ともに、接合面にＳｎ拡散防止膜が形成されるものである場合は、それらのＳｎ拡散防止膜の膜厚、組成、並びにＳｎ拡散防止膜とＮｉ処理膜との位置関係は、それぞれ、同一であってもよく、異なっていてもよい。

また、本発明に係る接合部を備える半導体装置のその他の態様として、図示はしないが、別の構成を備える半導体モジュールが挙げられる。具体的には、上下２つの電極で挟まれた絶縁基板を備え、絶縁基板の上側の電極上に、半導体ダイを複数個接合した半導体モジュールであってもよい。このモジュールは、さらに、半導体ダイを、アルミワイヤーで接続し（ワイヤボンディング）、上側の電極から銅配線（銅バー）を引き出し、半導体ダイ、電極、絶縁基板、アルミワイヤーが、封止材により封止されている。このような構成は、特には、Ｓｉチップを搭載する半導体モジュールにおいて好ましく採用される。この場合、Ｓｎ拡散防止膜は、絶縁基板の電極のＮｉ処理膜上、及び／または、半導体ダイの裏面電極（絶縁基板の電極と接合する電極）上に形成することができる。

あるいは、さらに他の態様として、上下２つの銅ブロックで挟まれた絶縁基板を備え、絶縁基板の上側の銅ブロック上に、半導体ダイを複数個接合し、半導体ダイ上にインプラントピンを接合した半導体モジュールであってもよい。このモジュールでは、インプラントピンに、さらにプリント基板を接合し、半導体ダイ、銅ブロック、絶縁基板、ピン、並びにプリント基板が、封止材により封止されている。このような構成は、特には、ＳｉＣチップを搭載する半導体モジュールにおいて好ましく採用される。この場合、Ｓｎ拡散防止膜は、銅ブロックのＮｉ処理膜上、及び／または、半導体ダイの裏面電極（ブロックと接合する電極）、及び／または、半導体ダイのおもて面電極（インプラントピンと接合する電極）、インプラントピンの接合面上に形成することができる。

以下に、本発明を、実施例を参照してより詳細に説明する。しかし、以下の実施例は本発明の代表的な一態様を示すものであり、本発明を限定するものではない。

［Ｎｉ拡散抑制効果及び電気特性試験］
［実施例］
実施例に係る接合部を製造した。被接合体としては、８．７ｍｍ×７．０ｍｍ×ｔ１．４ｍｍのリードフレーム、６ｍｍ×４．５ｍｍ×ｔ０．２８ｍｍのＳｉチップを用いた。リードフレームはＦｅ母材（Ｆｅ−４２％Ｎｉ）上に、膜厚２μｍのＮｉ表面処理膜を形成し、Ｎｉ処理膜上に拡散防止膜として、膜厚２μｍのＳｎ拡散防止膜を電気めっき法にて形成した。一方、Ｓｉチップの表面処理はＳｉチップ側より、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕで構成し、それぞれの膜厚は、Ｔｉ：０．８μｍ、Ｎｉ：１μｍ、Ａｕ：０．０３μｍとした。さらに、Ａｕ表面処理層上に、拡散防止膜として、膜厚２μｍのＳｎ拡散防止膜を上記と同様の方法にて形成した。

ダイボンダを用いて、リードフレーム上に、直径φ０．８ｍｍの純Ｂｉからなる糸はんだを供給した。その後、Ｓｉチップを、Ｓｎ拡散防止膜がはんだに接触するようにはんだに搭載してスクラブをかけ、加熱温度３２０℃、Ｎ_２＋１０％Ｈ_２雰囲気（ガス流量：２．２５Ｌ／ｍｉｎ）下で接合することで、図２に示す実施例サンプルを作製した。

Ｓｎ拡散防止膜を成膜したＳｉチップ／リードフレーム接合の接合後の断面観察結果を図３に示す。図３（ａ）は、走査型顕微鏡写真であり、はんだ接合層２に接して、被接合体であるリードフレーム３、Ｓｉチップ１が観察できる。図３（ｂ）は、ＥＤＸマッピングによるＮｉの元素分析結果である。Ｎｉ処理層１１、３１が観察されるが、はんだ接合層２への拡散は見られない。図３（ｃ）は、ＥＤＸマッピングによるＢｉの元素分析結果である。Ｂｉは、はんだ接合層中に存在していることが確認できる。図３（ｄ）は、ＥＤＸマッピングによるＳｎの元素分析結果である。はんだ接合層２の両面に、Ｓｎ拡散防止膜１０、３０の存在（点線で囲んだ部分）が確認できる。これらの観察結果から、Ｓｉチップとはんだ接合層との界面、及び、はんだ接合層とリードフレームとの界面にＳｎ−Ｎｉ系化合物が形成され、はんだ接合層中へのＮｉの拡散を抑制していることが確認された。

Ｓｉチップ及びリードフレームの表面処理膜上に、膜厚２μｍのＳｎめっきからなるＳｎ拡散防止膜を成膜し、表面処理膜成分であるＮｉの拡散を抑制した半導体装置の電気特性試験を行った。その結果、Ｉｄｓｓ（ゲート、ソース間を短絡した時のドレイン、ソース間電流）が規格値を満足することから、電気的接続性を確保することが可能であることもわかった。本実験は、Ｂｉはんだについて行ったが、Ｓｎ拡散防止膜によるＮｉの拡散抑制効果は、Ｚｎ系はんだ材での接合においても同様に確認される。

［比較例］
上記実施例において、Ｓｉチップにも、リードフレームにも、Ｓｎ拡散防止膜を設けなかった以外は上記と同様にして、比較例サンプルを作製した。比較例におけるＳｉチップ／リードフレーム接合の断面観察結果を図４に示す。図４（ａ）は、走査型顕微鏡写真であり、被接合体１、３とはんだ接合層２との界面に、ＮｉとＢｉの化合物Ｘがみられる。図４（ｂ）は、ＥＤＸマッピングによるＮｉの元素分析結果である。Ｎｉ処理層１１、３１が観察され、さらにはんだ接合層２へ拡散し、化合物Ｘを形成しているＮｉ成分がみられる。図４（ｃ）は、ＥＤＸマッピングによるＢｉの元素分析結果である。Ｂｉは、はんだ接合層中に存在していることが確認できる。図４（ｄ）は、ＥＤＸマッピングによるＳｎの元素分析結果である。比較例では、Ｓｎ拡散防止膜は形成しておらず、Ｓｎの存在は確認できない。これらの観察結果から、比較例の接合部では、Ｎｉ処理膜の成分であるＮｉが拡散し、Ｓｉチップ／はんだ接合界面、及び、はんだ／リードフレーム接合界面にＢｉ−Ｎｉ化合物Ｘが異常成長（化合物層厚さ：最大２３μｍ）していることが確認された。Ｓｉチップ１上のＮｉ処理膜は１μｍから０．３μｍに減肉し、リードフレーム３上のＮｉ処理膜は２μｍから０．７μｍへと減肉した。接合プロセス条件によっては、拡散がさらに進行し、Ｎｉ処理膜の消失に至る可能性がある。

そして、比較例の半導体装置の電気特性試験の結果、Ｉｄｓｓが規格値を満足せず、電気的接続性を確保できないことが確認された。

［Ｓｎ拡散防止膜の膜厚評価］
ディスクリート製品のＳｉチップの耐熱性より、リフロープロセス条件として、ピーク加熱温度３５０℃以下、加熱時間３ｍｉｎ以下が求められる。Ｓｉチップ表面にＳｎめっきを２μｍ狙い（平均値）で成膜した場合、膜厚バラツキ±０．４μｍを考慮すると、膜厚範囲は１．６μｍ〜２．４μｍとなる。３ｍｍ×３ｍｍ×ｔ０．４５ｍｍのＳｉチップ上にＳｎめっき２μｍを成膜した。接合層としては実施例と同じ純Ｂｉはんだを用いた。上記のリフロー温度プロファイル条件下で、Ｓｎが接合層中に完全に拡散した結果、残留Ｓｎめっき膜厚の最小値が０．２μｍとなった。すなわち、被接合体のＳｎめっき膜減り量は１．４μｍであり、少なくとも平均２μｍのＳｎめっき膜を成膜する必要がある。したがって、Ｓｉチップやリードフレームの表面処理膜上の成膜するＳｎめっき膜厚の下限値は２μｍに設定した。

１０ｍｍ×１０ｍｍ×ｔ１ｍｍのＣｕ上にＳｎめっき拡散防止膜を形成した。Ｓｎ拡散防止膜厚をパラメータとして剥離発生状況を調べた結果を表２に示す。めっき剥離判定は、超音波探傷像の白色部、もしくは、断面観察により剥離部を特定し、剥離が無い場合は、○、剥離が生じた場合は×とした。Ｓｎ拡散防止膜厚が１１μｍ以上のとき、めっき剥離が確認された。膜厚１１μｍ狙い（平均値）におけるＳｎ拡散防止膜厚バラツキ±０．６μｍを考慮して、拡散防止膜の膜厚の上限値は１０μｍとすることが好ましい。

本発明による接合部は、ダイボンド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素子などの接合部に好適に用いられる。応用される製品では、先に述べたＬＥＤ素子を用いた照明部品や、インバータの駆動回路、パワーモジュールといわれる電力変換機などが対象として挙げられる。

１ 半導体素子
１０ Ｓｎ拡散防止膜
１１ Ｎｉ処理膜
１２ Ａｕ
１３ Ｔｉ
１４ Ｓｉ
２ はんだ接合層
３ リードフレーム
３０ Ｓｎ拡散防止膜
３１ Ｎｉ処理膜
３２ Ｃｕ
４ ワイヤ
５ 封止材
１００ 半導体モジュール

Claims (10)

1. Ｎｉ処理膜を備え、Ｓｎを含み、厚みが５〜１０μｍのＳｎ拡散防止膜を接合面に備える被接合体と、Ｂｉを主成分とするはんだ材を溶融させてなるはんだ接合層とを少なくとも備えてなるはんだ接合部。
2. 前記Ｓｎ拡散防止膜がＳｎからなる、請求項１に記載のはんだ接合部。
3. 前記被接合体が、Ｔｉ層、Ｎｉ処理膜、Ａｕ層を含む電極層が形成され、当該電極層上に前記Ｓｎ拡散防止膜を備える半導体素子である、請求項１または２に記載のはんだ接合部。
4. 前記被接合体が、母材表面にＮｉ処理膜を備え、前記Ｎｉ処理膜上に前記Ｓｎ拡散防止膜を備えるリードフレームもしくは基板電極である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ接合部。
5. 前記Ｂｉを主成分とするはんだ材が、Ｂｉ単体、または、Ｂｉに、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ、Ａｌから選択される１以上の添加元素を含む、固相線温度が２６０℃以上の高温はんだである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のはんだ接合部。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のはんだ接合部を備える半導体装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のはんだ接合部を備える電気機器
8. Ｎｉ処理膜を備える被接合体の接合面にＳｎ拡散防止膜を形成する工程と、
   前記被接合体を、Ｂｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上の高温はんだ材を用いて、リフロー接合する工程と
   を含む、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記Ｓｎ拡散防止膜を形成する工程が、蒸着、スパッタリング、電気めっき、無電解めっき、溶融めっきから選択される方法により実施される、請求項８に記載の方法。
10. 前記Ｎｉ処理膜を備える被接合体が、Ｎｉ処理膜を含む電極を備える半導体素子、及び／または、母材表面にＮｉ処理膜を備えるリードフレームもしくは基板電極である、請求項８または９に記載の方法。