KR101361252B1 - 접속 재료, 반도체 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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유끼 무라사또
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Abstract

종래의 Zn/Al/Zn 클래드재를 이용한 접속을 행하는 경우, 접속부의 열저항을 적어도 현행의 고 리드 솔더로 하기 위해서는, 접속부의 두께는 현행의 솔더의 2배(약 100㎛) 이하로 할 필요가 있다. 또한 Al층의 응력 완충능을 충분히 발현시키기 위해서는, Al층의 두께를 가능한 한 두껍게 할 필요가 있다. 충분한 접속성을 얻기 위해서는, 접속시에 약 2g/㎟ 이상의 하중으로 가압할 필요가 있어, 양산 코스트가 현저하게 상승하게 되는 과제를 갖는다. 반도체 소자와, 프레임과, 상기 반도체 소자와 상기 프레임을 접속하는 접속부를 갖고, 상기 접속부는 Zn-Al 합금을 포함하고, 상기 접속부와 상기 반도체 소자와의 계면 및 상기 접속부와 상기 프레임과의 계면은, Al 산화물막의 면적이 계면 전체의 면적에 대하여 0％ 이상 5％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치이다.

Description

접속 재료, 반도체 장치 및 그 제조 방법{CONNECTING MATERIAL, SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 접속 재료나 반도체 장치에 관한 것이다.
납은 인체의 신경이나 조혈계에의 악영향이 명백하게 되어 있고, 유럽에서는 자동차 중의 납 사용을 제한하는 ELV 명령(End-of Life Vehicles directive, 폐자동차에 관한 명령) 및 전기ㆍ전자 기기 중의 납 사용을 금지하는 RoHS(Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment) 명령이 2000년 10월 및 2006년 7월에 각각 시행되었다. 전기ㆍ전자 기기의 부품의 전기적 접속에 사용되고 있는 솔더에는, 종래, 납이 포함되어 있었다. 솔더는, 융점에 의해 고온, 중온, 저온의 3종류로 나누어지지만, 중온 솔더로서는 Sn-Ag-Cu계 솔더, Sn-Cu계 솔더 등, 저온 솔더로서는 Sn-Bi계 솔더, Sn-In계 솔더 등이 이미 개발ㆍ실용화되어, ELV 명령, RoHS 명령에 적합하였다. 그런데, 이들의 솔더의 납 함유율은 85％ 이상으로 높고, 고융점을 갖는 고 리드 솔더를 대신하는 납 프리의 고내열 접속 재료가 개발되어 있지 않기 때문에, 고 리드 솔더에 대해서는 상기 ELV 명령, RoHS 명령의 대상 제외로 되어 있다. 그러나, 고 리드 솔더는, 구성 성분으로서 85wt％ 이상의 납을 함유하고 있고, RoHS 명령으로 금지되어 있는 Sn-Pb 공정(共晶) 솔더에 비해 환경에의 부하가 크다. 따라서, 고 리드 솔더를 대신하는 대체 접속재의 개발이 요망되고 있다.
특허 문헌 1(특허 제3850135호 공보)에는 「Al을 1∼9질량％ 포함하고, Ge를 0.05∼1질량％ 포함하고, 잔량부가 Zn 및 불가피 불순물로 이루어지는 고온 납땜용 Zn 합금」이 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 2(특허 제3945915호 공보)에는 「Al을 1∼9질량％ 포함하고, Mg를 0.05질량％ 이상 0.5질량％ 미만, Ga를 0.1∼8질량％ 포함하고, 잔량부가 Zn 및 불가피 불순물로 이루어지는 솔더용 Zn 합금」이 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 3(일본 특허 공개 제2008-126272호)에는 「Al계 합금층의 최표면에 Zn계 합금층을 설치한 것이다. 특히, Al계 합금층의 Al 함유율이 99∼100wt％, 또는, Zn계 합금층의 Zn 함유율이 90∼100wt％인 접속 재료」가 개시되어 있다.
여기서, 종래의 고내열 접속의 적용예를 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다. 도 1은 종래의 반도체 장치의 구조의 일례를 나타내는 도면이며, 도 2는 종래의 반도체 장치에 있어서, 재용융된 솔더에 의한 플래시가 발생한 경우의 설명도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 반도체 장치(7)는, 반도체 소자(1)가 프레임(2) 상에 솔더(3)에 의해 접속(다이 본딩)되고, 와이어(4)에 의해 리드(5)의 이너 리드와 반도체 소자(1)의 전극이 와이어 본딩된 후, 밀봉용의 레진(6) 혹은 불활성 가스에 의해 밀봉되어 제조된다.
이 반도체 장치(7)는, Sn-Ag-Cu계 중온의 납 프리 솔더에 의해 프린트 기판에 리플로우 납땜된다. Sn-Ag-Cu계 납 프리 솔더의 융점은 약 220℃로 높고, 리플로우 접속시에 접속부가 최고 260℃까지 가열되는 것이 상정된다. 그로 인해, 리플로우 접속시에 접속(다이 본딩)부가 재용융되지 않도록, 다이 본딩에는, 290℃ 이상의 융점을 갖는 고 리드 솔더가 사용된다.
현재, 이미 개발되어 있는 Sn-Ag-Cu계 등 중온 납 프리 솔더는 융점이 약 220℃이므로, 반도체 소자의 다이 본딩에 사용한 경우, 반도체 장치를 프린트 기판에 리플로우 접속할 때에 솔더가 용융되게 된다. 접속부 주위가 레진으로 몰드되어 있는 경우, 내부의 솔더가 용융되면, 용융시의 체적 팽창에 의해, 도 2에 도시하는 바와 같이, 플래시라고 해서, 밀봉용의 레진(6)과 프레임(2)의 계면으로부터 솔더(3)가 누출되는 경우가 있다. 혹은, 누출되는 것까지는 아니어도, 누출되는 것과 같이 작용하여, 그 결과, 응고 후에 솔더 중에 큰 보이드(8)가 형성되어 불량품으로 된다. 대체 재료의 후보로서는, 융점의 면으로부터 Au-Sn, Au-Si, Au-Ge 등의 Au계 솔더, Zn, Zn-Al계의 솔더 및 Bi, Bi-Cu, Bi-Ag 등의 솔더가 보고되어 있고, 온 세계에서 검토가 진행되고 있다.
그러나, Au계의 솔더는, 구성 성분으로서 Au를 80wt％ 이상 함유하고 있어, 코스트의 면에서 범용성이 문제가 있고, 또한 딱딱하고 취약한 하드 솔더이다. Bi계 솔더는, 열전도율이 약 9W/mㆍK로 현행의 고 리드 솔더보다 낮아, 고방열성이 요구되는 파워 반도체 장치 및 파워 모듈 등에의 적용은 어렵다고 추정할 수 있다. 또한, 이 솔더도 딱딱하고 취약하다. 또한, Zn 및 Zn-Al계 솔더는, 약 100W/mㆍK로 높은 열전도율을 갖지만, 젖기 어려워(특히 Zn-Al계 솔더), 솔더가 딱딱하고, 열팽창율이 크기 때문에, 접속 후의 냉각시에 열응력에 의해 반도체 소자가 파괴되기 쉬운 등의 문제가 있다. 또한, 순 Zn은 반응성이 높고, 고온에서 계면 반응이 현저하게 진행되므로, 예로 들어 양호한 접속이 얻어졌다고 해도, 고내열성이 얻어지지 않는다.
또한 Zn-Al계 솔더의 과제인 젖기 어려운 것 및 딱딱한 것을 해결하는 접속재로서, Zn/Al/Zn 클래드재를 이용하는 방법이 개시되어 있다. 개시 내용에 따르면, 표면의 Zn층에 의해 습윤성(접속성)을 확보할 수 있고, 내층의 Al은 금속 중에서는 부드럽기 때문에, 응력 완충능이 있어, 접속 신뢰성을 확보할 수 있는 것으로 한다. 또한, Zn 및 Al의 융점은 각각 420℃, 660℃이며, Zn과 Al의 확산에 의해 생성하는 Zn-Al 공정(Zn-6Al)의 융점도 382℃이므로, 접속재는 고융점이며, 고내열성을 갖는다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 제3850135호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 제3945915호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특허 공개 제2008-126272호 공보
특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 기재된 Zn-Al계 솔더의 경우, Al이 성분이므로, 용융된 순간에 Al 산화물막이 표면에 형성되어, 기계적으로 산화물막을 파괴하지 않으면 충분한 습윤이 얻어지지 않는다. 그 경우에는, 접속할 수 있었던 경우라도, 극히 국소적으로밖에 접속하지 않기 때문에 매우 낮은 접속 강도밖에 얻어지지 않아, 실용적으로는 견딜 수 없다고 하는 과제를 갖는다.
한편, 특허 문헌 3에 기재된 Zn/Al/Zn 클래드재를 이용한 접속에 관해서 본 발명자가 검토한 바, 접속성 및 접속 신뢰성이 얻어지는 것은 확인할 수 있었지만, 접속부의 열저항을 적어도 현행의 고 리드 솔더로 하기 위해서는, 접속부의 두께는 현행의 솔더의 2배(약 100㎛) 이하로 할 필요가 있는 것이 판명되었다. 또한 Al층의 응력 완충능을 충분히 발현시키기 위해서는, Al층의 두께를 가능한 한 두껍게 할 필요가 있다. 이들에 의해, Zn층의 두께는 10∼20㎛로 얇게 하지 않을 수 없다. Zn층의 두께가 얇은 경우, 충분한 접속성을 얻기 위해서는, 피접속재의 접속면과 Zn/Al/Zn 클래드재의 Zn층을 밀착시킬 필요가 있어, 그러하기 위해서는, 접속시에 약 2g/㎟ 이상의 하중으로 가압할 필요가 있는 것이 판명되었다. 또한, 특허 문헌 3에도 접속시에 가압이 필요한 취지가 명기되어 있다. 접속시에 예로 들어 저하중으로도 가압이 필요해지면, 양산 코스트가 현저하게 상승하게 된다. 또한, 제품에 따라서는 적용이 곤란하게 되는 경우도 있다.
종래의 Zn/Al/Zn 클래드재를 이용한 접속에 있어서는, 접속시에 가압을 필요로 하는 점이 과제이다.
또한, 특허 문헌 3에 기재된 Zn/Al/Zn 클래드재를 이용한 접속을 행함으로써, 접속성 및 접속 신뢰성을 얻을 수 있지만, Zn-Al의 공정 접속을 이용해도, 최저라도 382℃, 실용상은 390∼400℃ 이상의 접속 온도가 필요하다. 접속 후의 냉각시, 접속부가 마지막으로 응고되는 온도는 Zn-Al 공정의 융점 382℃이다. 382℃로부터 실온까지의 온도차는 382-25=357℃로 매우 크다. 또한 Zn/Al/Zn 클래드재의 주된 용도인 반도체 장치 내의 다이 본딩의 경우, 통상, 반도체 소자(Si칩)와 Cu 또는 Cu 합금제의 프레임을 접속한다. Si와 Cu 또는 Cu 합금의 열팽창율차는 매우 크기 때문에, 솔더의 응고 온도로부터 실온까지의 온도차가 큰 경우, 상술한 열팽창율차에 의해 생기는 열응력을 완화시킬 수 없어, 반도체 소자가 파괴되게 되는 경우가 있다. 또한 접속 온도가 390∼400℃ 이상으로 높으면, Si칩, 프레임의 피접속재를 포함하는 주변 부재의 내열성은 적어도 400℃ 이상 필요해져, 부재의 선택지의 폭이 좁아진다고 하는 과제가 있다.
본원에 있어서 개시되는 발명 중, 대표적인 것의 개요를 간단히 설명하면, 다음과 같다.
(1) Al층과, 상기 Al층의 양쪽 주면에 각각 설치된 제1 및 제2 Zn층을 구비한 접속 재료에 있어서, 상기 제1 또는 상기 제2 Zn층에 대한 상기 Al층의 두께의 비는 0.59 이하인 것을 특징으로 하는 접속 부재이다.
(2) 반도체 소자와, 프레임과, 상기 반도체 소자와 상기 프레임을 접속하는 접속부를 갖고, 상기 접속부는 Zn-Al 합금을 포함하고, 상기 접속부와 상기 반도체 소자와의 계면 및 상기 접속부와 상기 프레임과의 계면은, Al 산화물막의 면적이 계면 전체의 면적에 대하여 0％ 이상 5％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치이다.
(3) 제1 부재와 제2 부재 사이에 접속 재료를 설치하는 설치 공정과, 상기 접속 재료를 가열 용융하여 상기 제1 부재와 제2 부재를 접속하는 접속 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 접속 재료는, Al층의 양쪽 주면에 Zn층을 형성한 것이며, 상기 접속 공정에서는, 상기 접속 재료의 상기 Al층 및 상기 Zn층을 전부 용융시켜 접속을 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법이다.
본 발명이 따르면, 이하의 어느 하나의 효과를 갖는다. 가압을 하지 않고 접합하는 것이 가능하게 된다. 또한, 양호한 응력 완충능을 갖는 접속 재료를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 반도체 장치의 구조를 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 반도체 장치에 있어서, 재용융된 솔더에 의한 플래시를 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료의 제조 방법의 일례를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료의 제조 방법의 다른 일례를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료의 단면의 일례.
도 6은 본 발명의 실시 형태에서 이용하는 접속 재료의 각 층의 두께를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면.
도 8은 도 7의 반도체 장치에 있어서의 접속 재료에 의한 접속부의 단면 사진을 나타내는 도면.
도 9는 도 7의 반도체 장치에 있어서, 습윤성, 응력 완충성 및 접속시 가압 필요 여부의 결과를 비교예와 함께 나타내는 도면.
도 10은 도 9의 응력 완충성의 결과 판정의 기초로 되는 온도 사이클 시험 결과의 일부를 비교예와 함께 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 실시예의 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면.
도 12는 도 11의 반도체 장치에 있어서, 접속 재료 일체형의 금속 캡을 도시하는 도면.
도 13은 도 11의 반도체 장치에 있어서, 습윤성 및 접속시 가압 필요 여부의 결과를 비교예와 함께 나타내는 도면.
도 14는 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료를 반도체 장치의 범프로서 이용한 도면.
도 15는 종래의 고 리드 솔더를 이용하여 접속한 반도체 장치의 구조의 일례를 나타내는 도면.
도 16은 도 15의 반도체 장치에 있어서, 재용융된 솔더에 의한 플래시의 설명도.
도 17은 클래드 압연의 방법의 설명도.
도 18은 가압 성형의 방법의 설명도.
도 19는 본 발명에 따른 접속 재료의 단면의 일례를 나타내는 도면.
도 20은 본 발명에 따른 접속 재료의 실험 조건을 도시하는 도면.
도 21은 본 발명에 따른 접속 재료를 이용하여 접속한 반도체 장치의 단면의 일례를 나타내는 도면.
도 22는 본 발명에 따른 접속 재료에 의한 접속부의 단면 사진을 나타내는 도면.
도 23은 본 발명에 따른 반도체 장치에 있어서의 실험 결과를 나타내는 도면.
도 24는 본 발명에 따른 접속 재료를 이용하여 접속한 반도체 장치의 단면의 일례를 나타내는 도면.
도 25는 도 24의 반도체 장치에 있어서의 접속 재료 일체형의 금속 캡의 일례를 나타내는 도면.
도 26은 본 발명에 따른 반도체 장치에 있어서의 실험 결과를 나타내는 도면.
도 27은 본 발명에 따른 접속 재료를 이용하여 접속한 반도체 장치의 단면 및 실장 구조의 일례를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 실시예를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 부재에는 원칙으로서 동일한 부호를 붙여, 그 반복된 설명은 생략한다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료의 단면의 일례이다. 아래로부터 순서대로 Zn층(이후 「Zn」으로 칭함)(101), Al층(이후 「Al」로 칭함)(102), Zn층(이후 「Zn」으로 칭함)(101)이 적층되어 있다.
여기서, 중간의 Al층의 두께는 10㎛ 이상 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이, Zn층/Al층/Zn층의 두께비가 1:0.52:1보다 Al층의 비율이 큰 것이 바람직하고, 접속 신뢰성을 확보하기 위해서는 총 두께는 최저 48마이크론 이상 필요하기 때문에, Al층의 두께는 최저 10마이크론 필요해진다. 즉, Al층의 두께가 10마이크론 이상 있으면, Zn/Al/Zn층의 총 두께(접속부의 두께)가 48마이크론 이상으로 되어, 접속 신뢰성을 확보하는 것이 가능하게 된다. 50㎛ 이하로 얇으면, 접속시의 열부하(접속 온도, 접속 시간)에 의한 Zn층과 Al층의 반응에 의해, Al층을 완전하게 소실시킬 수 있다.
또한, 접속 재료의 Zn층/Al층/Zn층의 두께비가 1:0.52∼0.59:1보다 Al층의 비율이 큰 것이 바람직하다. Zn층/Al층/Zn층의 두께비가 상기 범위 내인 경우, Al이 완전하게 소실되었을 때, 접속부의 Al 함유율이 9질량％ 이상으로 되고, 이에 의해, 접속부의 Al 리치의 Zn-Al상의 비율이 Zn-6Al상의 20％ 이상으로 많아지므로, 크랙의 진전이 저해되어, 응력 완충성, 즉 접속 신뢰성이 향상되기 때문이다. 또한, 1:0.59:1보다 Al층을 두껍게 하면, 접속부의 Al 함유율이 10질량％보다도 커지고, 이 경우, 접속 온도 420℃에서는 Al층이 완전하게 소실되지 않아, 보다 높은 온도로 높여야만 한다는 과제가 있다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료의 제조 방법의 일례를 나타내는 도면이다. 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료는, Zn층(101a), Al층(102a), Zn층(101a)을 이 순서대로 거듭 적층하고, 압연 가공, 즉 클래드 압연을 행함으로써 제조한다. 롤러(103)를 이용하여 압연을 행하면, Zn층(101a)과 Al층(102a)이 접촉함과 동시에 압력에 의해 큰 변형이 생기므로, Zn층(101a) 및 Al층(102a)의 표면에 형성되어 있었던 산화물막이 파괴되어, 새로 생긴 면에 의해 금속 접합된다. 하기의 실시예 1 내지 실시예 30에서는, 상기 방법을 이용하여 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료(Zn/Al/Zn 클래드재)를 제작하였다.
또한, 도 4는, 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료의 제조 방법의 다른 일례를 나타내는 도면이다. 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료는, Zn층(101b), Al층(102b), Zn층(101b)을 이 순서대로 되풀이하여 적층하고, 가압 성형을 행함으로써 제조할 수도 있다. 가압 성형기(104)를 이용하여 가압 성형을 행하면, Zn층(101b)과 Al층(102b)이 접속함과 동시에 압력에 의해 큰 변형이 생기므로, Zn층(101b) 및 Al층(102b)의 표면에 형성되어 있었던 산화물막이 파괴되어, 새로 생긴 면에 의해 금속 접합된다. 가압 성형에 있어서, Zn과 Al의 확산이 현저해지는 온도까지 열부하가 걸리지 않도록 하면, Al이 표면의 Zn층을 확산하여 최표면까지 도달하지 않고, 접속시에 양호한 습윤을 얻는 것이 가능하게 된다.
상기 제조 방법에 의해 제작한 Zn/Al/Zn 클래드재를 이용하여, 반도체 장치의 내부의 다이 본딩을 행하였다. 구체적으로는, 반도체 소자와, 상기 반도체 소자를 접속하는 프레임과, 일단이 외부 단자로 되는 리드와, 그 리드의 타단과 상기 반도체 소자의 전극을 접속하는 와이어와, 그 반도체 소자 및 그 와이어를 수지 밀봉하는 레진을 갖는 반도체 장치에 있어서, 상기 반도체 소자와 그 프레임과의 접속에 그 Zn/Al/Zn 클래드재를 이용하였다. 접속시의 열부하는 Al층이 소실되어, 접속부 전체가 완전하게 용융되도록, 접속 온도 400℃ 이상, 접속 시간 2min 이상으로 하였다. 접속부 전체가 용융되므로, 접속시의 가압없이도 충분한 습윤을 확보할 수 있었다. 접속 후, 접속부는 대부분이 Zn-Al 합금으로 이루어지고(일부 Zn상이 남는 경우도 있음), 접속부와 반도체 소자의 계면 및 접속부와 프레임의 계면에 Al 산화물은 거의 존재하지 않고, 각각의 계면에 존재하는 Al 산화물막의 면적은 각각의 계면 전체의 면적에 대하여 5％ 이하이었다. 계면에 존재하는 Al 산화물은 금속의 습윤을 저해하기 때문에, Al 산화물이 존재하고 있는 부분은 금속 접합하지 않는다. 따라서, 이것이 계면 전체의 면적에 대하여 5％ 이하의 경우는 충분한 접합 강도를 얻을 수 있다.
또한, 접속부는, 대부분이 Zn-Al 합금으로 이루어지므로(일부 Zn상이 남은 경우도 있음), 이 중에서 가장 융점이 낮은 것은 Zn-6Al 공정 382℃로 된다. 즉, 상기 접속부는 380℃의 내열성도 갖고 있게 된다. 또한, Al층은 소실되어 있지만, Zn-Al 합금상 중에는 딱딱하고 취약한 금속간 화합물상이 존재하지 않으므로(Zn과 Al은 금속간 화합물을 형성하지 않음), 응력 완충성, 즉 접속 신뢰성을 갖는다.
특히, 접속 재료의 Zn층/Al층/Zn층의 두께비가 1:0.52∼0.59:1보다 Al층이 두꺼워지도록 하여, Al이 완전하게 소실되었을 때, 접속부의 Al 함유율이 9질량％ 이상 10질량％ 이하로 되도록 하는 것이 바람직하다. 1:0.52:1보다 Al층이 두꺼워지도록 함으로써, Al이 완전하게 소실되었을 때, 접속부의 Al 함유율이 9질량％보다도 커지고, 이에 의해, 접속부의 Al 리치의 Zn-Al상의 비율이, Zn-6Al상의 20％ 이상으로 많아지기 때문에, 이에 의해 크랙의 진전이 저해되어, 응력 완충성, 즉 접속 신뢰성이 향상된다. 또한, 1:0.59:1보다 Al층을 두껍게 하면, 접속부의 Al 함유율이 10질량％보다도 커지고, 이 경우, 접속 온도 420℃에서는 Al층이 완전하게 소실되지 않아, 보다 높은 온도로 높여야만 하기 때문이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료(Zn/Al/Zn 클래드재)를, 반도체 장치의 내부의 기밀 밀봉부의 접속 및 다이 본딩에 이용할 수도 있다.
구체적으로는, 반도체 소자와, 상기 반도체 소자를 접속하는 기판과, 일단이 외부 단자로 되는 리드와, 상기 리드의 타단과 상기 반도체 소자의 전극을 접속하는 와이어와, 그 반도체 소자 및 상기 와이어를 기밀 밀봉하고, 상기 기판에 접속하는 금속 캡을 갖는 반도체 장치에 있어서, 상기 기판과 상기 금속 캡과의 접속에 상기의 Zn/Al/Zn 클래드재를 이용하였다. 접속시의 열부하는 Al층이 소실되어, 접속부 전체가 완전하게 용융되도록, 접속 온도 400℃ 이상, 접속 시간 2min 이상으로 하였다. 접속부 전체가 용융되기 때문에, 접속시의 가압없이도 충분한 습윤을 확보할 수 있었다. 접속 후, 접속부는 Zn-Al 합금으로 이루어지고(일부 Zn상이 남는 경우도 있음), 기판과 접속부의 계면 및 접속부와 금속 캡의 계면에 Al 산화물은 거의 존재하지 않고, 각각의 계면에 존재하는 Al 산화물막의 면적은 각각의 계면 전체의 면적에 대하여 5％ 이하이었다. 이에 의해 충분한 접합 강도가 얻어졌다.
또한, 접속부는, Zn-Al 합금으로 이루어지므로(일부 Zn상이 남은 경우도 있음), 이 중에서 가장 융점이 낮은 것은 Zn-6Al 공정 382℃로 된다. 즉, 그 접속부는 380℃의 내열성도 갖고 있게 된다. 또한, Al층은 소실되어 있지만, Zn-Al 합금상 중에는 딱딱하고 취약한 금속간 화합물상이 존재하지 않기 때문에(Zn과 Al은 금속간 화합물을 형성하지 않음), 응력 완충성, 즉 접속 신뢰성을 갖는다. 특히, 접속 재료의 Zn층/Al층/Zn층의 두께비가 1:0.52∼0.59:1보다 Al층이 두꺼워지도록 하여, Al이 완전하게 소실되었을 때, 접속부의 Al 함유율이 9질량％ 이상 10질량％ 이상으로 되도록 하는 것이 바람직하다. 1:0.52:1보다 Al층이 두꺼워지도록 함으로써, Al이 완전하게 소실되었을 때, 접속부의 Al 함유율이 9질량％보다도 커지고, 이에 의해, 접속부의 Al 리치의 Zn-Al상의 비율이, Zn-6Al상의 20％ 이상으로 많아지기 때문에, 이에 의해 크랙의 진전이 저해되어, 응력 완충성, 즉 접속 신뢰성이 향상된다. 또한, 1:0.59:1보다 Al층을 두껍게 하면, 접속부의 Al 함유율이 10질량％보다도 커지고, 이 경우, 접속 온도 420℃에서는 Al층이 완전하게 소실되지 않아, 보다 높은 온도로 높여야만 하기 때문이다.
또한, 이 반도체 장치의 다이 본딩에, 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료(Zn/Al/Zn 클래드재)를 이용한 경우도 마찬가지의 결과가 얻어졌다.
본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료(Zn/Al/Zn 클래드재)를, 반도체 장치의 내부의 반도체 소자와 기판의 접속에 이용할 수도 있다. 이 경우도, 반도체 장치의 내부의 다이 본딩을 행한 경우나, 반도체 장치의 내부의 기밀 밀봉부의 접속에 이용한 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
<실시예 1>
도 6은, 본 실시예에서 이용하는 접속 재료(클래드재 1 내지 클래드재 8)의 각 층의 두께를 나타내는 도면이다. 예를 들면, 클래드재 1은, Zn층, Al층, Zn층의 두께가 각각 19㎛, 10㎛, 19㎛이며, 이하 마찬가지로 표기하고 있다. 여기서, 클래드재 1 내지 클래드재 4가 본 발명의 실시예에서 이용한 접속 재료, 클래드재 5 내지 클래드재 7이 비교예로서 이용한 접속 재료이다.
이하에 나타내는 실시예에서 이용하는 Zn/Al/Zn 클래드재는, 도 3 또는 도 4에 있어서 도시한 접속 재료의 제조 방법을 이용하여 제작한 것이다(실시예 1 내지 실시예 12).
도 7은, 본 발명의 실시예 1에 있어서의 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면이다. 반도체 장치(11)는, 반도체 소자(1)와, 이 반도체 소자(1)를 접속하는 프레임(2)과, 일단이 외부 단자로 되는 리드(5)와, 이 리드(5)의 타단과 반도체 소자(1)의 전극을 접속하는 와이어(4)와, 반도체 소자(1) 및 와이어(4)를 수지 밀봉하는 밀봉용의 레진(6)을 갖고, 반도체 소자(1)와 프레임(2)은 접속부(10)에서 접속되어 구성된다.
반도체 소자(1)와 프레임(2) 사이에 도 3 또는 도 4에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 접속 재료를 배치하고, 도 3 또는 도 4에 기재된 접속 재료를 이용하여 접속부(10)를 통하여 반도체 장치(11)를 다이 본딩한 것이다.
다음으로, 도 7에 기재된 반도체 장치(11)의 제조 방법을 설명한다. 이 반도체 장치(11)의 제조에서는, Ni 혹은 Ni/Ag 혹은 Ni/Au 도금을 실시한 프레임(2) 상에, 도 3 또는 도 4에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 접속 재료를 배치하고, 크기 5㎜×5㎜의 반도체 소자(1)를 적층한 후, 가압없이 N2 분위기 속에서 400∼420℃, 2∼5min 가열하여 다이 본딩을 행하였다. 그때의 접속부(Zn-Al 합금)(10)의 단면을 도 8에 도시한다. 접속 재료(Zn/Al/Zn 클래드재)의 Al층의 두께는 50㎛ 이하로 얇기 때문에, 접속시의 가열에 의해 Zn과 Al이 반응함으로써 Al층이 소실되어, 접속부가 완전하게 용융되었다. 이에 의해 가압없이 접속할 수 있었다. 가열 후, 접속부(10)는 Zn-Al 합금상으로 되었다. 그 후, 반도체 소자(1)와 리드(5) 사이를 와이어(4)로 와이어 본딩하고, 180℃에서 밀봉용의 레진(6)으로 밀봉을 행하였다.
도 9는, 도 6에 기재된 클래드재 1 내지 클래드재 4의 각각에 대해서, 다이 본딩시의 습윤성 및 다이 본딩만을 행한 시료를 -55℃/150℃(15min/15min)에서 온도 사이클 시험을 행하였을 때의 각 사이클수에 있어서의 접속부 단면의 크랙 진전율로부터 응력 완충성을 평가한 결과이다. 도 9의 응력 완충성의 결과 판정의 기본으로 되는 온도 사이클 시험 결과의 일부를, 비교예 1 내지 비교예 18과 함께 도 10에 나타낸다.
습윤성에 대해서는, 반도체 소자의 면적(25㎟)에 대하여 90％ 이상의 습윤이 얻어진 경우에 ○, 90％ 미만 75％ 이상의 경우를 △, 75％ 미만의 경우를 ×로 하였다. 응력 완충성에 대해서는, 크랙 진전율이 현행의 Pb-1.5Ag-5Sn 솔더 이하의 경우를 ○, 현행의 Pb-1.5Ag-5Sn 솔더의 125％ 이하의 경우를 △, 125％를 초과하는 경우를 ×로 하였다. 또한, -는 접속하지 않고, 온도 사이클 시험, 즉 응력 완충성의 평가를 할 수 없었던 경우를 나타낸다.
이 평가의 결과, 클래드재 1 내지 클래드재 4(Zn/Al/Zn)의 접속 재료를 이용하여 접속한 경우, 모두 90％ 이상의 습윤성이 얻어졌다. 응력 완충성에 대해서는, 총 두께가 50㎛로 얇은 클래드재 1은, 크랙 진전율이 현행의 Pb-1.5Ag-5Sn 솔더의 100∼125％로 되고, △로 되었지만, 클래드재 2 내지 클래드재 4는, 크랙 진전율이 모두 현행의 Pb-1.5Ag-5Sn 솔더 이하로 되어, ○로 되었다.
한편, 비교예 1 내지 비교예 9(도 6의 클래드재 5 내지 클래드재 7을 사용)의 경우는, 충분한 접속성을 얻기 위해, 피접속재의 접속면과 Zn/Al/Zn 클래드재의 Zn층을 밀착시키는 것이 필요하고, 그로 인해, 접속시에 1.75g/㎟의 하중으로 가압할 필요가 있었다. 이와 같이 하여 제작한 시료의 습윤성, 응력 완충성은 모두 ○이었다.
또한, 비교예 10 내지 비교예 12(Zn-6Al-5Ge)의 경우는, 용융된 Zn-Al 합금의 표면에 강고한 Al 산화물막이 형성되어 있기 때문에, 모두 프레임에 대하여 75％ 미만의 습윤으로 되어, 거의 젖게 할 수 없었다. 따라서, 응력 완충성의 평가를 행할 수 없었다. 비교예 13 내지 비교예 15(Zn)의 경우, Zn의 융점 420℃ 이상의 온도에서 접속을 행함으로써, 90％ 이상의 습윤이 얻어졌다. 그러나, 접속 후의 냉각시에 반도체 소자와 Cu제 프레임의 열팽창율차에 의해 생기는 열응력을 완화시킬 수 없어, 반도체 소자가 파괴되는 것이 생겼다. 파괴를 면한 것에 대해, 온도 사이클 시험을 행한 바, 반도체 소자의 파괴가 생겼다. 비교예 16 내지 비교예 18(현행의 Pb-1.5Ag-5Sn)의 경우, 습윤성, 응력 완충성은 모두 ○이었다. 본 검토에서는 접속시에 0.02g/㎟의 하중으로 가압하였지만, 가압없이도 접속 가능하다. 그러나, 본 비교 재료는 납을 93.5질량％도 포함한다.
이상에 의해, 실시예 1 내지 실시예 12에 따르면, 본 발명의 실시예에서의 접속 재료(도 3 또는 도 4에 기재)를, 반도체 장치(11)의 다이 본딩에 이용하여 접속함으로써, Al층이 50㎛ 이하로 얇기 때문에, 접속시의 가열에 의해 Zn과 Al이 반응하여 Al층이 소실되어, 접속부가 완전하게 용융되고, 이에 의해 가압없이 접속할 수 있는 것을 알 수 있었다.
(실시예 13 내지 실시예 24)
도 11은, 본 발명의 실시예의 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면이다. 실시예 13 내지 실시예 24는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 기밀 밀봉을 필요로 하는 반도체 장치(21)의 밀봉재로서 도 3 또는 도 4에 기재된 접속 재료를 이용하여 접속된 것이다. 이 반도체 장치(21)는, 반도체 소자(1)와, 이 반도체 소자(1)를 접속하는 모듈 기판(23)과, 일단이 외부 단자로 되는 리드(5)와, 이 리드(5)의 타단과 반도체 소자(1)의 전극을 접속하는 와이어(4)와, 반도체 소자(1) 및 와이어(4)를 기밀 밀봉하고, 모듈 기판(23)에, 반도체 소자(1) 및 칩 부품 등을 Sn계의 납 프리 솔더(3), 혹은 도전성 접착제, Cu분/Sn계 솔더분 복합재 등으로 접속한 후, 접속 재료(10a)를 모듈 기판(23)과 금속 캡(22) 사이에 두고, 가압없이 400∼420℃, 2∼5min 가열하여 접속을 행하였다. 접속 재료(Zn/Al/Zn 클래드재)의 Al층의 두께는 50㎛ 이하로 얇기 때문에, 접속시의 가열에 의해 Zn과 Al이 반응함으로써 Al층이 소실되어, 접속부가 완전하게 용융되었다. 이에 의해 가압없이 접속할 수 있었다. 가열 후, 접속부(10a)는 Zn-Al 합금상으로 되었다.
또한 금속 캡에 대해서는, 기밀 밀봉을 행하기 위해, 도 12에 도시하는 바와 같이, 코바르(Kovar), 인바 등의 금속 합금(24)과 Al층(102) 및 Zn층(101)을 함께 클래드 압연으로 가공하여, 접속 재료 일체형의 금속 캡(22a)으로 해도 상관없다.
실시예 13 내지 실시예 24(도 6의 클래드재 1 내지 클래드재 4를 사용)에 대해서, 밀봉시의 습윤성에 대해서 평가한 결과를 도 13에 도시한다. 습윤성에 대해서는, 밀봉 면적에 대하여 기밀이 유지 가능한 습윤이 얻어진 경우에 ○, 보이드, 크랙 등으로서 기밀을 유지할 수 없는 경우를 ×로 하였다. 이 평가의 결과, 클래드재 1 내지 클래드 4(Zn/Al/Zn)의 접속 재료를 이용하여 접속한 경우, 모두 90％ 이상의 습윤성이 얻어졌다.
한편, 비교예 19 내지 비교예 24(도 6의 클래드재 5, 클래드재 6을 사용)의 경우는, 충분한 접속성을 얻기 위해, 피접속재의 접속면과 Zn/Al/Zn 클래드재의 Zn층을 밀착시키는 것이 필요하며, 그로 인해, 접속시에 1.75g/㎟의 하중으로 가압할 필요가 있었다. 이와 같이 하여 제작한 시료의 습윤성은 모두 ○이었다. 비교예 25 내지 비교예 27(Zn-6Al-5Ge)의 경우는, 용융된 Zn-Al 합금의 표면에 강고한 Al 산화물막이 형성되어 있기 때문에, 미습윤 및 보이드에 의해 기밀 밀봉을 할 수 없었다.
이상에 의해, 실시예 13 내지 실시예 24에 따르면, 본 실시예에서의 접속 재료(10a)를, 반도체 장치(21)의 밀봉재로서 이용함으로써, Al층이 50㎛ 이하로 얇기 때문에, 접속시의 가열에 의해 Zn과 Al이 반응하여 Al층이 소실되어, 접속부가 완전하게 용융되고, 이에 의해 가압없이 접속할 수 있다.
<실시예 2>
도 14는, 플립 칩 실장을 필요로 하는 반도체 장치(31)의 범프(10b)로서 본 발명의 실시 형태에 따른 접속 재료(도 3 또는 도 4 기재)를 이용한 것이다. 이 반도체 장치(31)는, 반도체 소자(1)를 갖고, 이 반도체 소자(1)와 이것을 실장하는 기판(34)은 접속 재료(10b)로 접속되어 구성된다.
이 반도체 장치(31)의 제조에서는, 접속 재료(10b)를, 기판(34)의 Cu 배선(35)에 Ni 또는 Ni/Au 도금(36)을 실시한 패드와, 반도체 소자(1)의 Al 배선(32)에 Zn 도금(33)을 실시한 전극의 사이에 두고, 380℃에서 가압없이 접속을 행하였다.
이 밖의 실시예에 있어서도, 본 실시예에서의 접속 재료(10b)를, 반도체 장치(31)의 범프로서 이용함으로써, 가압없이 접속할 수 있다.
<실시예 3>
도 19는, 본 발명에 따른 접속 재료의 단면의 일례를 나타내는 도면이다. 접속 재료는, Zn층(301), Al계 합금층(302)을 갖고 구성되고, 이하로부터, Zn층(간단히 Zn으로 기재함)(301), Al계 합금층(간단히 Al계 합금으로 기재함)(302), Zn층(간단히 Zn으로 기재함)(301)의 순서대로 적층되어 이루어진다. 여기서, 중간의 Al계 합금층은 Mg, Sn, Ge, Ga, Bi, In 중 1종 이상의 금속을 함유함으로써, Zn과 반응하였을 때, 융점이 350℃ 이하의 Zn-Al계 합금을 형성한다. Al계 합금층에 Mg를 함유하는 경우는, Mg 함유율은 20∼50질량％가 바람직하다. 또한, Mg 이외에 Sn을 함유하고, 그 함유율이 20∼50질량％인 것이 바람직하다. 이에 의해, 저융점의 Zn-Al-Mg계, Zn-Al-Mg-Sn계, Zn-Al-Mg-Ge계 등의 합금을 접속부에 형성 가능하게 된다.
도 17은, 본 발명에 따른 접속 재료를 제조하기 위한 클래드 압연의 방법의 설명도이다. 여기서, 참조 부호 301a는 Zn층, 참조 부호 302a는 Al계 합금층, 참조 부호 301a는 Zn층이며, 이들을 겹쳐서 롤러(303)에 의해 압연 가공하는, 즉 클래드 압연을 행한다. 롤러(303)를 이용하여 압연을 행하면, Zn층(301a)과 Al계 합금층(302a)이 접촉하는 타이밍에서 압력에 의해 큰 변형이 생기므로, Zn층(301a) 및 Al계 합금층(302a)의 표면에 형성되어 있었던 산화물막이 파괴되어, 새로 생긴 면에 의해 금속 접합된다.
또한, 도 18은, 본 발명에 따른 접속 재료를 제조하기 위한 가압 성형의 방법의 설명도이다. 여기서, 참조 부호 301b는 Zn층, 참조 부호 302b는 Al계 합금층, 참조 부호 301b는 Zn층이며, 이들을 겹쳐서 가압 성형기(304)를 이용하여 가압 성형을 행한다. 가압 성형기(304)를 이용하여 가압 성형을 행하면, Zn층(301b)과 Al계 합금층(302b)이 접촉함과 동시에 압력에 의해 큰 변형이 생기므로, Zn층(301b) 및 Al계 합금층(302b)의 표면에 형성되어 있었던 산화물막이 파괴되어, 새로 생긴 면에 의해 금속 접합된다. 가압 성형에 있어서, Zn과 Al계 합금의 확산이 현저해지는 온도까지 열부하가 걸리지 않도록 하면, Al계 합금 성분이 표면의 Zn층을 확산하여 최표면까지 도달하지 않고, 접속시에 양호한 습윤을 얻는 것이 가능하게 된다.
도 21은, 본 발명에 따른 접속 재료를 이용하여 접속한 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면이다. 도 17 또는 도 18에 의해 제작한 Zn/Al계 합금/Zn 클래드재를 이용하여, 반도체 장치(211)의 내부의 다이 본딩을 행한다. 반도체 장치(211)는, 구체적으로는, 반도체 소자(201)와, 접속 재료(210)를 통하여 반도체 소자와 접속되는 프레임(202)과, 일단이 외부 단자로 되는 리드(205)와, 리드(205)의 타단과 반도체 소자(201)의 전극을 접속하는 와이어(204)와, 반도체 소자(201) 및 와이어(204)를 수지 밀봉하는 레진(206)을 갖고 구성된다. 이 반도체 장치(211)에 있어서, 반도체 소자(201)와 프레임(202)과의 접속에, 도 17 또는 도 18에 의해 제작한 Zn/Al계 합금/Zn 클래드재를 이용하였다.
접속시에 Zn/Al계 합금/Zn 클래드재의 Al계 합금층과 Zn층이 반응함으로써, 접속부는 Zn-Al-Mg계 등의 합금으로 된다. 이 합금의 융점은 350℃ 이하이므로, Zn-Al-Mg계 등의 합금의 공정 접속에 의해, 350℃의 저온에서 접속하는 것이 가능하게 된다. 또한, 접속 후의 냉각시에 반도체 소자가 파괴되는 일은 없고, 또한, 접속부는 Zn-Al-Mg계 등의 합금을 갖게 되므로, 융점은 350℃ 이하로 되지만, 적어도 300℃ 이상이므로, 300℃의 내열성을 갖고 있어, 후공정의 260℃ 리플로우에 충분히 견딜 수 있다. 또한, 중간의 Al계 합금층의 응력 완충능에 의해 양호한 접속 신뢰성이 얻어진다고 하는 효과도 갖는다.
이 반도체 장치(211)의 제조 방법에 대해서 설명한다. Ni 혹은 Ni/Ag 혹은 Ni/Au 도금을 실시한 프레임 상에 접속 재료를 공급하고, 크기 5㎜×5㎜의 반도체 소자(201)를 적층한 후, 가압하면서 N2 분위기 속에서 350℃, 2min 가열하여 다이 본딩을 행하고, 반도체 소자(1)와 프레임(2)을 솔더(10)에 의해 접속한다. 도 8은, 이 반도체 장치(11)의 솔더 접속부의 단면도이다. 접속시의 가열에 의해 Zn과 Al계 합금이 반응함으로써, 350℃의 저온에서 접속할 수 있어, 접속 후는 접속부는 Zn-Al-Mg계 등의 합금상으로 된다. 그 후, 반도체 소자(1)와 리드(5) 사이를 와이어(4)로 와이어 본딩하고, 180℃에서 밀봉용의 레진(6)으로 밀봉을 행한다.
또한, 도 24는, 본 발명에 따른 Zn/Al계 합금/Zn 클래드재를, 반도체 장치의 내부의 기밀 밀봉부의 접속 및 다이 본딩에 이용하여 접속한 반도체 장치(221)의 구성도이다.
구체적으로는, 반도체 소자(201)와, 본 발명에 따른 Zn/Al계 합금/Zn 클래드재를 통하여 반도체 소자(201)와 접속되는 기판(223)과, 일단이 외부 단자로 되는 리드(205)와, 리드(205)의 타단과 반도체 소자(201)의 전극을 접속하는 와이어(204)와, 반도체 소자(201) 및 와이어(204)를 기밀 밀봉하고, 기판(223)에 접속하는 금속 캡(222)을 갖는 반도체 장치(221)에 있어서, 기판(223)과 금속 캡(222)과의 접속에 본 발명에 따른 Zn/Al계 합금/Zn 클래드재를 이용하였다.
접속시에 Zn/Al계 합금/Zn 클래드재의 Al계 합금층과 Zn층이 반응함으로써, 접속부는 Zn-Al-Mg계 등의 합금으로 된다. 이 합금의 융점은 350℃ 이하이므로, Zn-Al-Mg계 등의 합금의 공정 접속에 의해, 350℃의 저온에서 접속하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 실시예에 의해 접속한 반도체 장치의 접속 후의 접속부에는 크랙이 발생하지 않는다. 또한 접속부는 Zn-Al-Mg계 등의 합금으로 되므로, 융점은 350℃ 이하로 되지만, 적어도 300℃ 이상이므로, 300℃의 내열성을 갖고 있어, 후공정의 260℃ 리플로우에 충분히 견딜 수 있다. 또한, 중간의 Al계 합금층의 응력 완충능에 의해 양호한 접속 신뢰성이 얻어진다. 또한, 본 발명에 따른 접속 재료를 다이 본딩에 이용하여 접속한 반도체 장치에 있어서도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
도 24에 도시하는 반도체 장치(221)의 제조시에는, 기밀 밀봉의 밀봉재로서 본 발명에 따른 접속 재료를 이용한다. 반도체 장치(221)의 제조 방법을 이하에 설명한다. 반도체 소자(201) 및 와이어(204)를 기밀 밀봉하고, 기판(223)에 반도체 소자(201) 및 칩 부품 등을 Sn계의 납 프리 솔더(203), 혹은 도전성 접착제, Cu분/Sn계 솔더분 복합재 등으로 접속한 후, 접속 재료(210a)를 기판(223)과 금속 캡(222)의 사이에 두고, 가압하면서 350℃, 2min 가열하여 접속을 행한다. 접속시의 가열에 의해 Zn과 Al계 합금이 반응함으로써, 350℃의 저온에서 접속할 수 있다. 접속 후, 접속부는 Zn-Al-Mg계 등의 합금상으로 된다.
또한 금속 캡에 대해서는, 기밀 밀봉을 행하기 위해, 도 25에 도시하는 바와 같이, 코바르(Kovar), 인바 등의 금속 합금(224)과 Al계 합금층(302) 및 Zn층(301)을 함께 클래드 압연으로 가공하여, 접속 재료 일체형의 금속 캡(222a)으로 해도 상관없다.
또한, 본 발명에 따른 Zn/Al계 합금/Zn 클래드재를, 반도체 장치(221)의 내부의 반도체 소자(201)와 기판(223)의 접속에 이용할 수도 있다. 구체적으로는, 반도체 소자(201)와, 본 발명에 따른 접속 재료를 이용하여 접속한 솔더(203)를 통하여 기판(223)과 접속된 반도체 장치이어도 된다.
접속시에 Zn/Al계 합금/Zn 클래드재의 Al계 합금층과 Zn층이 반응함으로써, 접속부는 Zn-Al-Mg계 등의 합금으로 된다. 이 합금의 융점은 350℃ 이하이므로, Zn-Al-Mg계 등의 합금의 공정 접속에 의해, 350℃의 저온에서 접속하는 것이 가능하게 된다. 또한, 접속 후의 냉각시에 반도체 소자가 파괴되거나, 접속부에 크랙이 발생하는 일은 없으며, 또한, 접속부는 Zn-Al-Mg계 등의 합금을 갖게 되기 때문에, 융점은 350℃ 이하로 되지만, 적어도 300℃ 이상이므로, 300℃의 내열성을 갖고 있어, 후공정의 260℃ 리플로우에 충분히 견딜 수 있다. 또한, 중간의 Al계 합금층의 응력 완충능에 의해 양호한 접속 신뢰성이 얻어진다고 하는 효과도 갖는다.
도 20은, 본 발명에 따른 접속 재료의 실험 조건을 도시하는 도면이다. 상술한 방법에 의해 제작한 클래드재 8 내지 클래드 20의 두께, Al 합금층 조성 및 비고를 나타낸다. 클래드재 8은, Zn층, Al계 합금층, Zn층의 두께가 각각 20, 40, 20㎛이며, 클래드재 9 내지 클래드재 19에 대해서도 마찬가지로 표기하고 있다. 또한 Al계 합금층으로서는, Al-44Mg, Al-34Mg-23Sn, Al-27Mg-36Ge, Al의 4종류를 이용하였다. 여기서, 클래드재 8 내지 클래드재 16은 본 발명에 따른 접속 재료이며, 클래드재 17 내지 클래드재 19는 비교에 이용하는 접속 재료이다. 또한, 이하에 나타내는 실시예에서는, Zn/Al계 합금/Zn 클래드재는 모두, 도 17에 도시한 클래드 압연법을 이용하여 제작하였다.
도 23은, 본 발명에 따른 접속 재료를 이용하여 접속한 반도체 장치의 습윤성 및 접속 후의 칩 균열의 유무의 실험 결과를 나타내는 도면이다. 실시예 25 내지 실시예 51은, 본 발명에 따른 접속 재료인 클래드재를 이용하여 다이 본딩을 행하여 반도체 장치를 제조한 경우의 습윤성 및 접속 후의 칩 균열의 유무를 나타내는 것이며, 비교예 28 내지 비교예 36은, Al계 합금층의 조성이 Al인 클래드재 17 내지 클래드재 19를 각각 이용하여 다이 본딩을 행하여 반도체 장치를 제조한 경우의 습윤성 및 접속 후의 칩 균열의 유무를 나타내는 것이다.
습윤성에 대해서는, 반도체 소자의 면적(25㎟)에 대하여 90％ 이상의 습윤이 얻어진 경우에 ○, 90％ 미만 75％ 이상의 경우를 △, 75％ 미만의 경우를 ×로 하였다.
실험의 결과, 클래드재 8 내지 클래드재 16을 이용한 실시예 25 내지 실시예 51에 대해서는, 클래드재, 어느 하나의 프레임 도금의 경우도, 90％ 이상의 습윤성이 얻어졌다. 또한 마찬가지로 어느 하나의 클래드재, 어느 하나의 프레임 도금의 경우도, 접속 후, 칩 균열의 발생은 없었다.
한편, 클래드재 17 내지 클래드재 19를 이용한 비교예 28 내지 비교예 36의 경우는, 습윤성에 대해서는 실시예 25 내지 실시예 51과 마찬가지로 비교예 28 내지 비교예 36 모두에 대해서 90％ 이상의 습윤성이 얻어졌지만, 접속 후의 칩 균열에 대해서는, 모든 비교예에 대해서 칩 균열이 발생하였다. 이것은, 비교예 28 내지 비교예 36에 있어서는 접속 후의 접속부의 응고 온도가 382℃(Zn-6Al의 융점)로 높은 것이 원인이라고 생각된다.
이상에 의해, 실시예 25 내지 실시예 51에 따르면, 본 발명에 따른 접속 재료를, 반도체 장치의 다이 본딩에 이용함으로써, 350℃의 저온에서 접속하는 것이 가능하게 되는 것을 알 수 있었다. 이에 의해, 접속 후의 냉각시에 발생하는 열응력을 저감할 수 있어, 반도체 소자의 파괴를 방지할 수 있다.
도 26은, 본 발명에 따른 접속 재료를 이용하여 접속한 도 24에 도시하는 반도체 장치(221)의 습윤성 및 접속 후의 접속부의 크랙의 유무의 실험 결과를 나타내는 도면이다. 실시예 52 내지 실시예 69는, 본 발명에 따른 접속 재료인 클래드재를 이용하여 접속한 반도체 장치(221)의 습윤성 및 접속 후의 접속부의 크랙의 유무를 나타내는 것이며, 비교예 37 내지 비교예 42는, Al계 합금층의 조성이 Al인 클래드재 210 또는 클래드재 211 중 어느 하나를 이용하여 접속을 행하여 반도체 장치를 제조한 경우의 습윤성 및 접속 후의 접속부의 크랙의 유무를 나타내는 것이다.
습윤성에 대해서는, 밀봉 면적에 대하여 기밀이 유지 가능한 습윤이 얻어진 경우에 ○, 보이드, 크랙 등으로 기밀을 유지할 수 없는 경우를 ×로 하였다.
실험의 결과, 클래드재 8 내지 클래드재 13을 이용한 실시예 52 내지 실시예 69에 대해서는, 클래드재, 어느 하나의 프레임 도금의 경우도, 90％ 이상의 습윤성이 얻어졌다. 또한 마찬가지로 어느 하나의 클래드재, 어느 하나의 프레임 도금의 경우도, 접속 후, 접속부에 크랙의 발생은 없었다.
한편, 클래드재 210, 클래드재 211 중 어느 하나를 이용한 비교예 37 내지 비교예 42의 경우에는, 습윤성에 대해서는, 실시예 52 내지 실시예 69와 마찬가지로 비교예 37 내지 비교예 42 모두에 대해서 90％ 이상의 습윤성이 얻어졌지만, 접속 후의 접속부의 크랙에 대해서는, 모든 비교예에 대해서 크랙이 발생하였다. 이것은, 비교예 37 내지 비교예 42에 있어서는 접속 후의 접속부의 응고 온도가 382℃(Zn-6Al의 융점)로 높은 것이 원인이라고 생각된다.
이상에 의해, 실시예 42 내지 실시예 69에 따르면, 본 발명에 따른 접속 재료를 반도체 장치(221)의 밀봉재로서 이용함으로써, 350℃의 저온에서 접속하는 것이 가능하게 되는 것을 알 수 있었다. 이에 의해, 접속 후의 냉각시에 발생하는 열응력을 저감할 수 있어, 접속부의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
도 27은, 본 발명에 따른 접속 재료를 이용하여 접속한 반도체 장치의 다른 실시예를 나타내는 것이다. 반도체 장치(231)는, 플립 칩 실장을 필요로 하는 반도체 장치의 범프로서 본 발명에 따른 접속 재료(210b)를 이용한 것이다. 이 반도체 장치(231)는, 반도체 소자(201)를 갖고, 이 반도체 소자(201)와 이것을 실장하는 기판(234)이 접속 재료(210b)로 접속되어 구성된다.
이 반도체 장치(231)의 제조 방법을 이하에 설명한다. 접속 재료(210b)를, 기판(234)의 Cu 배선(235)에 Ni 또는 Ni/Au 도금(236)을 실시한 패드와, 반도체 소자(201)의 Al계 합금 배선(232)에 Zn 도금(233)을 실시한 전극 사이에 두고, 350℃에서 가압하면서 접속을 행하였다.
다른 실시예에 있어서도, 본 발명에 따른 접속 재료(210b)를, 반도체 장치의 범프로서 이용함으로써, 350℃의 저온에서 접속할 수 있어, 접속 후의 열응력 저감에 의해, 반도체 소자의 파괴 혹은 범프부에 발생하는 크랙을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명의 실시예에 기초하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능한 것은 물론이다.
즉, 상기 설명에서는, 본 발명의 적용에 대해서, 반도체 장치의 다이 본딩을 예로 들어 설명하였지만, 다이 본딩시키는 반도체 장치이면 다양한 반도체 장치에 적용할 수 있다. 이들에는, 예를 들면, 교류 발전기(alternator)용 다이오드, IGBT 모듈, RF 모듈 등의 프론트 엔드 모듈, 자동차용 파워 모듈 등을 들 수 있다.
또한, 상기 설명에서는, 반도체 장치를 모듈 기판에 리플로우 실장하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 예를 들면, MCM(Multi Chip Module) 구성에 사용하는 경우에도 당연히 적용할 수 있는 것이다.
본 발명의 반도체 장치는, 파워 디바이스, 파워 트랜지스터, 파워 모듈, LSI 등의 반도체 장치로서 이용 가능하다. 특히 다이 본딩, 기밀 밀봉, 플립 칩 본딩 등의 접속부가 납 프리인 반도체 장치로서 이용 가능하다.
1 : 반도체 소자
2 : 프레임
3 : 솔더
4 : 와이어
5 : 리드
6 : 레진
7 : 반도체 장치
8 : 보이드
10, 10a, 10b : 접속 재료
11 : 반도체 장치
21 : 반도체 장치
22, 22a : 금속 캡
23 : 모듈 기판
24 : 금속 합금
31 : 반도체 장치
32 : Al 배선
33 : Zn 도금
34 : 기판
35 : Cu 배선
36 : Ni 또는 Ni/Au 도금
101 : Zn층
102 : Al층
103 : 롤러
104 : 가압 성형기
201 : 반도체 소자
202 : 프레임
203 : 솔더
204 : 와이어
205 : 리드
206 : 레진
207 : 반도체 장치
208 : 보이드
210, 210a, 210b : 접속 재료
211 : 반도체 장치
221 : 반도체 장치
222, 222a : 금속 캡
223 : 모듈 기판
224 : 금속 합금
231 : 반도체 장치
232 : Al계 합금 배선
233 : Zn 도금
234 : 기판
235 : Cu 배선
236 : Ni 또는 Ni/Au 도금
301 : Zn층
302 : Al계 합금층
303 : 롤러
304 : 가압 성형기

Claims (24)

  1. Al계층과,
    상기 Al계층의 양쪽 주면에 각각 설치된 제1 및 제2 Zn계층을 구비한 접속 재료에 있어서,
    상기 제1 또는 상기 제2 Zn계층에 대한 상기 Al계층의 두께의 비는 0.59 이하인 것을 특징으로 하는 접속 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 상기 제2 Zn계층에 대한 상기 Al계층의 두께의 비는 0.52 이상인 것을 특징으로 하는 접속 재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Al계층의 두께가 10㎛ 이상 50㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 접속 재료.
  4. Al계층의 양쪽 주면에 각각 제1 및 제2 Zn계층을 설치하고 클래드 압연을 행하는 접속 재료의 제조 방법에 있어서,
    상기 제1 또는 상기 제2 Zn계층에 대한 상기 Al계층의 두께의 비는 0.59 이하인 것을 특징으로 하는 접속 재료의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 또는 상기 제2 Zn계층에 대한 상기 Al계층의 두께의 비는 0.52 이상인 것을 특징으로 하는 접속 재료의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1 부재와 제2 부재 사이에 접속 재료를 설치하는 설치 공정과,
    상기 접속 재료를 가열 용융하여 상기 제1 부재와 제2 부재를 접속하는 접속 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 접속 재료는, Al층의 양쪽 주면에 Zn층을 형성한 것이며,
    상기 접속 공정에서는, 상기 접속 재료의 상기 Al층 및 상기 Zn층을 전부 용융시켜 접속을 행하고,
    상기 Zn층에 대한 상기 Al층의 두께는 0.59 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제1 부재와 제2 부재 사이에 접속 재료를 설치하는 설치 공정과,
    상기 접속 재료를 가열 용융하여 상기 제1 부재와 제2 부재를 접속하는 접속 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 접속 재료는, Al층의 양쪽 주면에 Zn층을 형성한 것이며,
    상기 접속 공정에서는, 상기 접속 재료의 상기 Al층 및 상기 Zn층을 전부 용융시켜 접속을 행하고,
    접속 후의 상기 접속 재료는 Zn-Al층을 갖고, 그 Zn-Al층의 Al 함유율이 9질량％ 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 접속 공정은, 상기 제1 및 제2 부재와 상기 접속 재료에 가압을 하지 않고 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1 부재는 반도체 소자이며, 상기 제2 부재는 프레임인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  11. Al계 합금층과,
    상기 Al계 합금층의 최표면에 설치된 Zn계 합금층을 구비한 접속 재료에 있어서,
    상기 Al계 합금층은, Zn-Al-X계 합금의 융점이 350℃ 이하로 되는 금속 X를 갖고,
    상기 금속 X는, Mg, Sn, Ge, Ga, Bi, In 중의 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 접속 재료.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 Al계 합금층은 Mg를 함유하고 있고, Mg 함유율이 20∼50질량％인 것을 특징으로 하는 접속 재료.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 Al계 합금층은 Sn을 함유하고 있고, 상기 Al계 합금층의 Sn 함유율이 20∼50질량％인 것을 특징으로 하는 접속 재료.
  15. 제1 Zn계 합금층 상에 Al계 합금층을 겹치고, 상기 Al계 합금층 상에 제2 Zn계 합금층을 겹쳐, 클래드 압연 또는 가압 성형에 의해 제조하는 접속 재료의 제조 방법에 있어서,
    상기 Al계 합금층은, Zn-Al-X계 합금의 융점이 350℃ 이하로 되는 금속 X를 갖고,
    상기 금속 X는, Mg, Sn, Ge, Ga, Bi, In 중의 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 접속 재료의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 반도체 소자와,
    상기 반도체 소자를 접속하는 프레임과,
    일단이 외부 단자로 되는 리드와,
    상기 리드의 타단과 상기 반도체 소자의 전극을 접속하는 와이어와,
    상기 반도체 소자 및 상기 와이어를 수지 밀봉하는 레진을 갖고,
    상기 반도체 소자와 상기 프레임을 접속하는 접속 재료는, Al계 합금층과, 상기 Al계 합금층과 상기 반도체 소자 사이 및 상기 Al계 합금층과 상기 프레임 사이에 설치된 Zn-Al-X계 합금층을 갖고,
    상기 Zn-Al-X계 합금층의 융점이 350℃ 이하이고,
    상기 금속 X는, Mg, Sn, Ge, Ga, Bi, In 중의 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    상기 Zn-Al-X계 합금층의 융점이 300℃ 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  20. 반도체 소자와,
    상기 반도체 소자를 접속하는 기판과,
    일단이 외부 단자로 되는 리드와,
    상기 리드의 타단과 상기 반도체 소자의 전극을 접속하는 와이어와,
    상기 반도체 소자 및 상기 와이어를 기밀 밀봉하고, 상기 기판에 접속하는 금속 캡을 갖고,
    상기 기판과 상기 금속 캡을 접속하는 접속 재료는, Al계 합금층과, 상기 Al계 합금층과 상기 반도체 소자 사이 및 상기 Al계 합금층과 상기 기판 사이에 설치된 Zn-Al-X계 합금층을 갖고,
    상기 Zn-Al-X계 합금층의 융점이 350℃ 이하이고,
    상기 금속 X는, Mg, Sn, Ge, Ga, Bi, In 중의 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  21. 삭제
  22. 제20항에 있어서,
    상기 Zn-Al-X계 합금층의 융점이 300℃ 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  23. 반도체 소자와 피접속 부재 사이에, 제11항에 기재된 접속 재료를 설치하는 공정과,
    상기 접속 재료를 350℃ 이하로 가열하여 용융시키고, 350℃ 이하에서 상기 반도체 소자와 상기 피접속 부재를 접속하는 공정을 갖는 반도체 장치의 접속 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 접속 재료는, 상기 용융에 의해 Zn-Al-X계 합금층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 접속 방법.
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