JP2008221290A - 接合体および接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｐｂを実質的に含有しない接合材を用い、高温条件においても良好な機械的強度を保持可能な接合体及び半導体装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、ＳｎとＳｎより高い融点を有する金属とからなり、これらの成分の金属間化合物もしくは耐熱合金からなる固相線温度４００℃以上の接合剤を用いて２つの被接合部材を接合した接合体である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、特に電子機器の部品の接合に好適に用いられる接合体、及び、接合方法に関に関する。

従来から、電気・電子機器において電気的接続を行うための方法として、はんだ接合は極めて広範囲に行われていることであり、このはんだ接合において実用に極めて適しているところから、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだが多用されてきた。しかし、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだに含まれるＰｂは、人体に対し有害であることから、Ｐｂを含まない、いわゆる非Ｐｎ系はんだの開発が急務とされている。

一方、現在半導体デバイスの中で例えばパワーデバイスの接合材としては、主に融点が１８３℃の低温系はんだ（Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ）と、融点が約３００℃程度の高温系はんだ（Ｐｂ−５Ｓｎはんだ）が多用されており、それぞれ工程に応じて使い分けられている。

このうち、低温系はんだについては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を中心としたものが実用化の段階に到達しており、今後数年で多くのセットメーカーで非Ｐｂ系共晶はんだの代替は完了することが予定されている。

しかしながら、高温系はんだ、すなわち例えば２６０℃の高温条件下においても良好な機械的強度を保持する接合部を形成する接合材については、高Ｐｂ含有材料以外はＡｕを主成分としたＡｕ系合金が挙げられるが、貴金属のＡｕを使用するため、大幅な材料価格が上昇するため汎用的に使用するには、難しい材料である。また、Ｐｂ及びＡｕ以外の金属材料を主成分とした金属合金も、高温系はんだとして未だに実用化には至ってはいない。

これまでに、Ｐｂ及びＡｕ以外の金属材料を主成分とし２６０℃の高温条件下においても良好な機械的強度を保持する接合部を形成する接合材のひとつとして、Ｚｎ系合金が候補として挙げられている（特許文献１、２参照）。この接合材料は、Ｚｎ元素から成る金属材料であるため、安価であり、環境にも配慮された接合材である。しかしながら、Ｃｕとのぬれ性が悪く、また、接合材料としても硬いため、実用化にまで至っていない。

また、Ｓｎを主成分とするＳｎ系合金を高温はんだ適用しようと試みられている（特許文献３、４参照）が、Ｓｎ系合金の場合、Ｃｕなどの被接合材との接合性や硬さなどの加工性には優れるものの、低融点で液化が始まるため、高温はんだとしての耐熱性を満たすことは困難であった。

特開２００４−２３７３５７号公報 特開２００１−１２１２８５号公報 特開２００３−３６４３６３号公報 特開２００１−２８４７９２号公報

本発明は、実質的にＰｂおよびＡｕを含有しない材料を用い、高温条件においてもなお良好な機械的強度を保持する接合部を形成可能とする接合方法、接合体を提供することを目的とするものである。

第１の本発明は、第１の被接合部材と、第２の被接合部材と、これらの被接合部材間に介在している接合層からなる接合体であって、
前記接合層が、Ｓｎと、Ｓｎより高い融点を有する金属材料を含み、
該接合層中に、Ｓｎの量が、２０質量％以上５０質量％以下である第１の層を有することを特徴とする接合体である。

前記第１の本発明の前記接合層が、質量比の異なる複数の層からなり、ＳｎとＳｎより高い融点を有する金属材料との金属間化合物を含むことが好ましい。また、前記接合層が固相線温度４００℃以上の材料からなるものであることが好ましい。また、第１の被接合部材はＣｕであることが好ましい。また、前記接合層が、ＣｕとＳｎの金属間化合物であることが好ましい。また、前記第１の層はＳｎの質量比が２０％以上５０％以下であるＣｕ及びＳｎの金属間化合物であって、Ｓｎの質量比が１０％以上３５％以下であるＡｇ及びＳｎの金属間化合物である第２の層を更に含むことが好ましい。

第２の本発明は、Ｓｎより高い融点を有する金属材料を含む第１の被接合部材表面に、Ｓｎ膜を付与する工程と、
このＳｎ膜表面に第２の被接合部材を密着させて、加圧しながら３００℃以上４５０℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法である。

第３の本発明は、第１の被接合部材表面に、Ｓｎ膜と、Ｓｎより高い融点を有する金属材料膜とを、それぞれ少なくとも１層ずつ付与する工程と、
前記工程で付与した金属材料の膜の表面に第２の被接合部材を密着させて、加圧しながら３００℃以上４５０℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法である。

本発明によれば、実質的にＰｂおよびＡｕを含有しない材料を用い、高温条件においてもなお良好な機械的強度を保持する接合部を形成可能とする接合方法、接合体を提供することができる。

［第１の実施の形態：接合体］
本実施の形態の接合体は、融点が２３２℃のＳｎと、これより高融点の金属元素とを、反応もしくは合金化し、高融点の金属間化合物乃至高融点合金を形成して被接合部材の接合を行うことにより、耐熱性に優れた接合体を得ることができることに着目してなされたものである。
すなわち、接合体の概略断面図である図１に示すように、本実施の形態の接合体１０は、第１及び第２の２つの被接合部材１１，１２と、その間に介在している接合層１３とからなる接合体である。
接合層１３は１３ａ、１３ｂ、１３ｃの３層からなり、いずれも金属間化合物からできている。被接合部材１１中の金属成分と接合時に第１及び第２の被接合部材間に配置する接合層用材料（以下接合層用材料と称する）の金属成分とからなる金属間化合物であり、１３ｃは被接合部材１２中の金属成分と接合層用材料の金属成分とからなる金属化合物である。また、１３ｂは被接合部材１１及び被接合部材１２の金属成分と接合層材料の金属成分からなる金属間化合物を指す。
本実施の形態の接合層においては、図中の１３ａ、１３ｂ、１３ｃの３層の少なくとも１層が金属間化合物からできていればよく、被接合部材１１及び１２中の金属成分と接合層用材料の金属成分とからなる合金が含まれていて良い。
本実施の接合体はこの接合層１３が、Ｓｎと、このＳｎより高い融点を有する金属材料とからなり、この接合層中に、Ｓｎの量が２０質量％以上、５０質量％以下の範囲にある第１の層を有することを特徴としている。

本実施の形態の接合体は、具体的には、回路基板とその上に搭載される電子部品、あるいはリードフレームとその上に搭載される半導体素子、などが接合して形成される接合体である。この接合体は、電子機器の実装基板の一部に組み込まれたものであっても差し支えない。また、この接合体は、耐熱性が優れていることにより、高温環境において用いられる電子機器製品分野、あるいは、その接合の形成後、さらにリフローはんだ接合処理を施すプロセスを採用する製品分野において特にその効果を発揮する。
本実施の形態の接合体は、有害なＰｂ及び高価なＡｕを実質的に使用せずとも十分な接合強度を有し、かつ高温条件においても機械的強度が維持可能で、高い耐熱性を持つ。

（被接合部材）
被接合部材の材料としては、耐熱性を有する材料であれば何ら制限されず、使用することができる。Ｓｎと親和性を有する材料であることが好ましいが、親和性を有しない材料であっても、後述するようにその表面にメタライズ層を形成することによって使用可能となる。

かかる被接合部材の材料としては、具体的には、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｎｂ、Ｍｎ、あるいはこれらの合金などが、好ましい。
さらに、Ｓｎとの親和性が低いが、メタライズ層を形成することによって使用するのに適した材料としては、Ｓｉ、Ｆｅ−Ｎｉ合金などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

前記メタライズ層とは、被接合材料表面に、接合層用材料との親和性を改善するために形成した金属膜をいう。例えば、半導体素子のＳｉは、Ｓｎとの親和性に劣り、接合を行うことは困難であるが、Ｓｉの表面にＳｎと親和性のある材料例えばＣｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕなどで被覆を形成することによって接合を行うことができるようになる。このような薄膜材料は、メタライゼーション技術として半導体技術分野においては周知のものであり、本実施の形態においてもかかる技術を採用することができる。
このメタライズ層の形成は、スパッタリング、真空蒸着、化学メッキ、イオンプレーティングなど、薄膜形成技術として周知の手段を採用することができる。

また、前記Ｓｎとの親和性向上のためのメタライズ層とは異なるが、電気的特性改善のためにＣｕなどの表面にＡｕなどの層を形成することがある。このような場合でも、Ａｕ層が１０μｍ程度以下であれば全く支障なく用いることができる。

（接合層）
本実施の形態の接合層は、Ｓｎ（第１の金属成分）と、このＳｎより高い融点を有する金属材料（第２の金属成分）とからなるものであり、これらの金属成分が高融点金属間化合物乃至高融点合金を形成していることが好ましく、前記接合層１３材料が、固相線温度が４００℃以上の材料からなっていることが好ましい。固相線温度が４００℃を下回った場合には、この接合体をはんだリフロープロセスなどの加熱処理工程に適用する場合に、接合部の高温強度が維持されないという不都合が生じる。また、高温環境下で使用されるデバイスに適用することが不適切とされる不都合が生じる。

前記第２の金属成分は、Ｓｎより融点が高い金属材料であれば使用可能であるが、好ましくは、Ｓｎと加熱により反応して高融点の金属間化合物もしくは高融点合金を形成する材料を使用することが好ましい。より好ましくは、Ｓｎと高融点の金属間化合物を形成する金属材料である。
かかる第２の金属成分である高融点金属元素として、具体的には、Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｃｏなどが挙げられ、これらの内の少なくとも１種類を用いることができる。

上記第２の金属成分としてＣｕを用いてＳｎと反応させた場合、η相（Ｃｕ_６Ｓｎ_５）、ε相（Ｃｕ_３Ｓｎ）あるいはδ相（Ｃｕ_４０．５Ｓｎ_１１）のような金属間化合物が形成される。η相は、融点が４１５℃、ε相は、融点が６７６℃であり、接合後の耐熱性としては、十分な温度範囲にあり好ましい。
かかる金属間化合物においては、Ｓｎ質量比は２０％質量％以上７０質量％以下の範囲となる。Ｓｎが２０質量％未満、あるいは７０質量％を超えると金属間化合物が形成できない恐れがあるため、好ましくない。
また、Ｓｎの質量比が低い場合には、第２の金属成分として用いた高融点金属元素の拡散が促進され、より強度の高い接合層となる。そのためＳｎの質量比は５０質量％以下がより好ましい。

また、第２の金属成分としてＡｇを用いた場合には、Ａｇ_３Ｓｎなどの金属間化合物が形成される。かかる金属間化合物を形成するため、Ｓｎ質量比は１０％以上３５％以下が好ましい。

さらに、第２の金属成分としてＡｇ及びＣｕを用いた場合には、Ａｇ₃Ｓｎなどの組成を有する金属間化合物、または、η相（Ｃｕ_６Ｓｎ_５）、ε相（Ｃｕ_３Ｓｎ）あるいはδ相（Ｃｕ_４０．５Ｓｎ_１１）などの組成を有する金属間化合物を形成し耐熱性を有する接合材となる。

上記金属間化合物は、構成元素の一部が、他元素により置換されていても構わない。例えば、Ａｇ₃ＳｎにＣｕが置換した場合には（Ａｇ，Ｃｕ）_３Ｓｎ、Ｃｕ_３ＳｎにＡｇが置換した場合には（Ｃｕ，Ａｇ）_３Ｓｎ、Ｃｕ_４０．５Ｓｎ_１１にＡｇが置換した場合には（Ｃｕ，Ａｇ）_４０．５Ｓｎ_１１のような結晶構造となる。

上記接合層は、第１及び第２の被接合部材に挟まれ、質量比などの異なる複数層に分かれて存在している構造とすることが好ましい。

すなわち、第２の金属成分として１種の金属元素を用いた場合には、接合層の中心部分には、第１及び第２の金属成分が反応もしくは合金化して形成された層が存在し、その表層方向の層は、中心部を構成する組成に加えて被接合部材から拡散によって浸透する金属成分が多く含まれている層を存在させることが好ましい。
例えば２層のＣｕ層の間にＳｎ層を積層し反応させる場合、反応はＣｕ層とＳｎ層の界面において開始され、Ｃｕ層からＣｕがＳｎ層に拡散し反応し金属間化合物を形成するが、中心部においては、よりＳｎがリッチな組成の金属間化合物が形成され、表層部においてはＣｕがリッチな組成の金属間化合物が形成される。

また、第２の金属成分として複数の金属元素を用いて反応させた場合、例えば、ＡｇとＣｕを用いた場合には、Ａｇ成分がリッチな（Ａｇ，Ｃｕ）Ｓｎ層と、Ｃｕがリッチな（Ｃｕ，Ａｇ）Ｓｎ層とができる。

この接合層を複数層で構成された層とすることにより、単一層で形成した場合と比較して、複数層では完全に金属間化合物化するために要する時間が減少するため、低融点Ｓｎ相が残存する可能性が低い点で有利である。
この反応形態によって高融点の金属間化合物が形成され、耐熱性向上に寄与している。

上記接合層は、薄膜状であることが好ましく、その厚さは、１〜２０μｍの範囲とすることが好ましい。この厚さが２０μｍをこえると、金属間化合物形成のための所要時間が長時間となり接合効率が悪化する問題が生じ、この厚さが１μｍに満たないと、被接合体とのぬれ性が低下する問題が生じて好ましくない。

本実施の形態において、上記構成を採用することにより、接合層は、高い融点を有する金属の金属間化合物乃至高融点合金を構成することにより、接合形成後にさらにリフローによりはんだ接合する場合などに、リフロー温度（通常２５０℃前後）よりも高温の融点を有しているため、リフロー後の熱劣化がみられないという効果を発揮する。また、この接合採用した電子デバイスにおいては、高温環境下の使用においても接合の劣化を招くことなく高温信頼性のあるデバイスを実現することができる。

［第２の実施の形態：接合方法］
本実施の形態の接合方法は、２つの被接合部材の間に、接合層用材料を配置し、加熱して接合層用材料を反応もしくは合金化させ、耐熱性のある接合層を形成して接合を行うものであり、接合層用材料として、Ｓｎ（第１の金属成分）と、これより高い融点を有する金属材料（第２の金属成分）を用いるものである。
この接合方法において、第２の金属成分として、被接合部材に含まれている金属元素を用いることができる。すなわち、２つの被接合部材間に第１の金属成分を介在させ、被接合部材を構成する金属元素と第１の金属成分との間で、反応もしくは合金化を行い、接合層を形成するものである。
この方法によれば、被接合部材に第１の金属成分のみの膜を付与し、第２の金属成分の膜付与工程を省略することができる。また、被接合部材と接合層との結合が強固になることが期待される。

以下本実施の形態である接合方法についてさらに詳細に説明する。
本実施の形態の接合方法は、第１の被接合部材の表面に、Ｓｎ膜を付与する工程と、前記Ｓｎ膜表面に第２の被接合部材を密接させ、２５０℃以上４５０℃以下で加熱して密着させ、接合する工程を有する接合方法である。接合温度はより好ましくは、３００℃以上４００℃以下である。接合温度がこれより低いと、接合層材料が十分反応もしくは合金化せず、耐熱性の改善が不十分である。一方、接合温度が上記範囲を超える場合、被接合部材に熱的にダメージを与える可能性が大きく、好ましくない。

この接合方法における接合工程において、第１の被接合部材の表面に形成する接合層材料は、第１の金属成分の箔を載置してもよいし、また、第１の金属成分をスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング、電子ビーム蒸着法などの物理的薄膜形成技術を用いて付与してもよい。さらに、化学メッキ法を採用することもできる。
この方法においては、第１の被接合部材及び第２の被接合部材に含まれるＳｎと反応もしくは合金化する第２の金属成分の量が、Ｓｎの量より多量である必要がある。Ｓｎの量が第２の金属成分の量より少量であると、未反応のＳｎが残存し、耐熱性が低下する可能性があり好ましくない。

上記接合工程において、加熱時間は、１秒〜５分となるように加熱すればより好ましい。加熱時間がこれより短いと十分金属間化合物あるいは合金形成に至らず、耐熱性が十分ではない。一方、上記範囲を超えて加熱しても、加熱時間増加に見合った耐熱性向上の効果が望めず、不経済である。
上記接合工程は、大気中雰囲気で行ってもよいが、酸化されやすい金属を含む接合材を用いた場合には、窒素のような非酸化性雰囲気で加熱を行うことが好ましい。さらには、水素を含有した還元性雰囲気で加熱を行うことがなお好ましい。

前記接合層の厚さは、１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲であることが望ましい。複数層にわたって成層する場合、合計の膜厚を、上記範囲とすることが好ましい。接合層が１μｍより薄い場合には、良好な接合性を確保することが困難となり、また、５０μｍ以上の場合には、物理的成膜法によって接合層を形成する場合、製造効率を妨げる恐れがあるため、好ましくない。

本実施の形態の接合方法によれば、２７０℃以上の耐熱性を有する接合層が形成されるため、２７０℃の高温条件下においても接合層の耐熱性を維持することができ、高温系マウント材として求められる２５０℃において耐熱性があるという要求に十分応えることができる。また、接合層材料内部において、第１の被接合部材、または第２の被接合部材の構成元素が、接合層に固溶した相、または、接合層中の接合材構成元素と各被接合部層用材料構成元素とで構成される金属間化合物相等が生成してよい。その結果として、高温条件下においても機械的強度の良好な接合体が短時間で得ることができる。

本実施の形態に係る接合体、接合方法は、はんだ接合を行うことができるいかなる分野で用いられてもよいが、特に製造プロセス、あるいは製品使用時に高温条件下に置かれる電子機器部品、半導体デバイス特にパワー系半導体デバイスにおける部品の接合に好適に用いられる。特に半導体素子とリードフレームとの接合に際しては特に好適に用いられる。

［第３の実施の形態：接合方法の変形例］
上記第２の実施の形態の接合方法においては、第２の金属成分として、被接合部材を構成する金属そのものを用いる例を示したが、本実施の形態は、第１の金属成分と第２の金属成分をそれぞれ膜として被接合部材に付与する例である。
すなわち、本実施の形態の接合方法は、第１の被接合部材表面に、Ｓｎ膜と、Ｓｎより高い融点を有する金属材料膜とを、それぞれ少なくとも１層ずつ付与する工程と、前記工程で付与した金属材料の膜の表面に第２の被接合部材を密着させて加圧しながら２５０℃以上４５０℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法である。

この接合方法における接合工程において、第１の被接合部材の表面に形成する接合層材料は、第１の金属成分及び第２の金属成分の箔をそれぞれ載置してもよいし、また、接合層材料膜をスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング、電子ビーム蒸着法などの物理的薄膜形成技術を用いて付与してもよい。さらに、化学メッキ法を採用して膜を付与してもよい。

また、本実施の形態の接合層材料である第１の金属成分及び第２の金属成分を同時に薄膜形成してもよいし、それぞれを順次１層ずつもしくは複数層ずつ積層してもよい。各成分を順次成膜する場合、単一元素の層を複数層に分けて成膜してもよい。具体的には、仮にＡ金属とＢ金属を成膜する場合、Ａ層、Ｂ層、Ａ層、Ｂ層のように、複数層に分割して成膜することもできる。このような成膜法によれば、Ａ金属とＢ金属の反応もしくは合金化が速やかに進行するので好ましい。
また、第２の金属成分として複数の金属元素を用いる場合、それぞれの元素及び第１の金属成分をそれぞれ単独で成膜してもよいし、同時に成膜してもよい。また、単一元素の層を複数回に分けて成膜してもよい。

前記薄膜接合材の厚さは、１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲であることが望ましい。複数層にわたって薄膜化する場合、合計の膜厚を、上記範囲とすることが好ましい。金属層が１μｍより薄い場合には、良好な接合性を確保することが困難となり、また、５０μｍ以上の場合には、物理的成膜法によって接合層を形成する場合、製造効率を妨げる恐れがあるため、好ましくない。

上記接合工程において、加熱時間は、１秒〜５分となるように加熱すればよい。
上記接合工程は、大気中雰囲気で行ってもよいが、酸化されやすい金属を含む接合用材料を用いた場合には、窒素のような非酸化性雰囲気で加熱を行うことが好ましい。さらには、水素を含有した還元性雰囲気で加熱を行うことがなお好ましい。

上記実施の形態においては、２つの被接合部材の一方の表面に接合層材料を形成する例を示したが、接合層材料を第１の被接合部材および第２の被接合部材の双方の表面に形成してもよい。
この場合、２つの接合層材料は、同一組成の層であってもよいし、それぞれ異なる組成の層であってもよい。最終的にはんだ接合された後の接合層材料が、上記本実施の形態の接合層の組成となるように、各層の組成を調整することによって、本実施の形態のはんだ接合を形成することができる。
また、各基材表面に形成される薄膜の厚さは、それらの合計量が１μｍ以上、５０μｍ以下の範囲となるよう、それぞれ設定することができる。

［第４の実施の形態：接合方法の他の変形例］
この実施形態の接合方法は、第１の被接合部材および第２の被接合部材の少なくとも一方を、金属、セラミックス、あるいは半導体などからなる母材の表面にメタライズ層を形成したものとするものである。この方法は、上記はんだ接合に適さない材料を被接合部材として用いる場合に適している。

前述のように、第１の被接合部材または第２の被接合部材が、金属、セラミックス、半導体等の材料からなる母材と、その表面に形成されたメタライズ層とからなっている。このメタライズ層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｌまたはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料であることが好ましいが、用途に応じて選択可能であり特に限定されることはない。このメタライズ層は、単一材料の層であってもよいし、相互に異なる材料からなる複数のメタライズ層からなっていてもよい。母材表面にメタライズする手段としては、蒸着、スパッタリング、めっき処理や電子ビーム処理等の物理的あるいは化学的成膜法を採用することができる。

メタライズ層の厚さ（平均厚さ）は、特に限定されるものではないが、０．１μｍ以上、５００μｍ以下の範囲であることが望ましい。この厚さが、０．１μｍ以下であると、十分なはんだ接合強度が得られない。また、５００μｍ以上のメタライズ層を形成するには、薄膜形成に長時間を要し、実用的ではない。

本実施の形態においては、前記メタライズ層表面に、前記成膜法を適用して、接合層を形成し、前記第１の実施の形態における方法と同様にして接合することができる。また、メタライズ層を備えていない接合部材表面に接合材層を形成し、メタライズ層を備えた基材と接合することもできる。

［第５の実施の形態：上記接合技術を適用した半導体装置］
上記はんだ接合技術は、半導体装置の製造に適用することできる。

以下、本実施の形態を適用することができる半導体装置について、図面を用いて説明する。
図６は、本実施の形態の接合技術を適用した半導体装置の一例を示す断面図である。この実施形態の半導体装置は、外部端子となるリード部６５を有するリードフレーム６２と、リードフレーム６２表面に配置されている半導体素子６４と、このリードフレーム６２と半導体素子６４との間で両者を接合している接合層６３と、これらを包囲する封止樹脂６１とを有している。
リードフレーム６２は、４２アロイなどの低熱膨張材料、Ｃｕなど高熱膨張材料の金属の表面に、例えばＡｇめっきおよびＣｕめっきなどが施されていてもよい。本実施の形態の半導体装置としては、例えばダイオード、トランジスタ、コンデンサ、サイリスタ等を挙げることができる。

上記本実施の形態の半導体装置においては、半導体素子表面を、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料を用いた金属薄膜でメタライズし、この半導体素子の金属薄膜がメタライズされた面と、前記半導体素子を載置する金属リードフレームとを、Ｓｎと、これらより融点の高い金属元素とからなる接合層用材料によって接合するものである。

前記半導体装置において、前記金属フレームは、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料で構成されていてもよいし、任意の金属母材表面が、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料を用いた金属薄膜でメタライズされていても良い。

本実施の形態において、接合層用材料を構成するＳｎ以上の融点を有する金属材料としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌ、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群により選択される材料を用いることが好ましい。また、これ以外の金属元素が微量添加されていても、本発明の効果は変わらない。

本実施の形態の半導体装置の製造方法及び半導体装置によれば、半導体装置の製造過程において有害な高Ｐｂ含有接合層用材料を使用せずとも、高温条件下にさらされても半導体素子とリードフレーム間の接合強度は維持され、信頼性の高い半導体装置を短時間で提供できる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

（実施例１）
２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板の表面に、１０ｍｍ×１０ｍｍ厚さ０．１ｍｍの純Ｓｎ箔を載置し、ロジン活性化フラックスを塗布し、その上に上記サイズのＣｕ板を載置した。これを３００℃で５分加熱し接合を行った。
その結果、Ｃｕ板の間に、ＳｎＣｕからなる複数の金属間化合物層が形成されていた。元素分析の結果、中心層は、η相で構成されており、中心層の両側に位置する表層側層は、ε相で構成されていることが分かった。
この接合層は、４００℃加熱に耐える耐熱性を備えていた。

（実施例２）
６００μｍ厚さのシリコンウェハ表面に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ薄膜をスパッタ法によりこの順序により成膜した。その後、その表面に、Ｓｎ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｎをこの順序に蒸着して薄膜を形成した。これらの膜厚は、下記表１に示すとおりである。

成膜したシリコンウェハを２．５×３．０ｍｍのサイズに裁断し、これをロジン活性化フラックス処理したＣｕ板と密着させ、３００℃で３０秒加熱して接合させた。
こうして得た接合体の断面ＳＥＭ写真及びＥＤＸによる接合層の元素分析結果を図４（ａ）に示す。元素分析結果は質量％で示した。また、得られた接合体を２５℃、２５０℃及び２７０℃の温度条件で下記方法によりダイシェア試験を行った。その結果を図２に示す。図２の結果から明らかな様に、各サンプルについて、いずれも１０ＭＰａを超えるせん断強度が得られ、高温条件下でも十分なせん断強度があり、耐熱性があることが分かった。

（ダイシェア試験）
上記接合体について、図３に示す試験装置を用いて行う高温剪断試験であって、リードフレーム３１の表面に接合層３２を介して半導体素子３３が接合されている試験体を、加圧片３４を用いて矢印方向に力を印加し、破断時の強度を測定する。

（実施例３）
パワー系半導体装置における半導体素子とリードフレームとの接合を行った。半導体素子としては、２．５×３．０×０．６ｍｍサイズのものを用いた。このパワー系半導体モジュールでは、１０ｍｍ角のＳｉ半導体素子に、第１の被接合部材として、Ａｕを蒸着することにより、０．１μｍ厚のＡｕよりなるメタライズ層を形成した。さらに、メタライズ層表面には、実質的に質量構成比でＳｎを２５％、Ｃｕを２２％含み、残部がＡｇよりなる５μｍ厚の接合層用材料を蒸着形成した。
また、第２の被接合部材として、Ｃｕよりなるリードフレームを用いた。
更に、上記接合層用材料とＣｕとが接するように積層し、その後加熱して接合を行なった。加熱は、１００ｐｐｍ以下の酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で、熱板上で加熱した。加熱条件は、３５０℃、５秒とした。

こうして得た接合体の断面ＳＥＭ写真及びＥＤＸによる接合層の元素分析結果を図４（ｂ）に示す。元素分析結果は質量％で示した。接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察したところ、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示した。

最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、２６０℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。

（実施例４）
パワー系半導体装置における半導体素子とリードフレームとの接合を行った。半導体素子としては、２．５×３．０×０．６ｍｍサイズのものを用いた。このパワー系半導体モジュールでは、１０ｍｍ角のＳｉ半導体素子に、第１の被接合部材として、Ａｕを蒸着することにより、０．１μｍ厚のＡｕよりなるメタライズ層を形成した。さらに、メタライズ層表面には、実質的に質量構成比でＳｎを２５％、Ｃｕを２２％含み、残部がＡｇよりなる１０μｍ厚の接合層用材料を蒸着形成した。
また、第２の被接合部材として、４２アロイよりなるリードフレーム表面上にＣｕよりなる１０μｍのメタライズ層を無電解めっき処理により形成したものを用いた。
更に、上記接合層用材料とメタライズ層とが接するように積層し、その後加熱して接合を行なった。加熱は、１００ｐｐｍ以下の酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で、熱板上で加熱した。加熱条件は、４００℃、５秒とした。

こうして得た接合体の断面ＳＥＭ写真及びＥＤＸによる接合層の元素分析結果を図４（ｃ）に示す。元素分析結果は質量％で示した。接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察したところ、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示した。

最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、２７０℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。

（実施例５）
接合層用材料として、実質的に質量構成比でＳｎを３５％、Ｃｕを１３％含み、残部がＡｇよりなる５μｍ厚の接合層用材料を用いたこと以外には、上記実施例３と同様にして、パワー半導体とリードフレームとの接合を行った。
接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察したところ、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示していた。

（実施例６）
接合層用材料として、実質的に質量構成比でＳｎを４０％、Ｃｕを１３％含み、残部がＡｇよりなる５μｍ厚の接合層用材料を用いたこと以外には、上記実施例３と同様にして、パワー半導体とリードフレームとの接合を行った。
接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察したところ、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示していた。

（実施例７）
本実施例では、第２の被接合部材としてＡｇよりなるメタライズ層を４２アロイよりなるリードフレーム上に成膜して用いた以外は実施例３と同様にパワー系半導体装置を得た。

接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察から、ボイドは発生せず良好な接合性を示し、高温での接合性も良好であった。

最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、２７０℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。

（参考例）
本実施例では、２．５×３．０×０．６ｍｍサイズの半導体素子１３上に真空蒸着により形成された０．１μｍ厚のＡｕ層および１０μｍ厚のＳｎ層の表面上に、更に真空蒸着により１０μｍ厚のＺｎ−Ｓｎ系接合層を形成した以外は実施例３と同様にパワー系半導体装置を得た。蒸着により形成されたＺｎ−Ｓｎ接合層は、Ｓｎが５０．０質量％、残りがＺｎからなるＺｎ-Ｓｎ系合金を用いている。この接合層を、Ｃｕからなるリードフレーム上に施されたＳｎ層上に搭載して、１００ｐｐｍの酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で、熱板上で加熱した。加熱条件は、４００℃、５秒とした。

接合後の接合界面の断面をＳＥＭ観察したところ、ボイドは発生せず良好な接合性を示し、高温での接合性も良好であった。

最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、パワー系半導体装置を得た。

（実施例８〜１３及び比較例１〜３）
実施例８では、第１の被接合部材として４２アロイにＣｕメッキした被接合部材を、実施例９〜１３は被接合部材にＣｕを用い、ＡｇＣｕＳｎ系接合層用材料を表２に示すような比率になるように各元素を蒸着によって成膜した。加熱は実施例７の場合には４５０℃、実施例９〜１３の場合には４００℃、Ｎ_２雰囲気下で接合性を評価した。
一方、比較例１及び２は被接合材として４２アロイを用い、表２に示すような比率になるように実施例８同様に各元素を蒸着によって成膜し、比較例３では被接合部材としてＣｕを用い、実質的に質量構成比でＳｎを７５％、Ｃｕを１３％含み、残部がＡｇとなるように各元素を蒸着によって成膜して、評価した。
表２にその結果を示した。評価は各接合層の接合性と２６５℃における接合強度により行った。接合性は実施例３と同様に接合界面をＳＥＭ観察し、接合が良好であるものは○、接合界面にボイドが発生したり、接合していないものには×を示した。また、接合強度の測定は実施例２と同様に半導体素子が接合されている試験体を作製し、各試験体の２６０℃におけるせん断強度を測定した。
この測定は、各試験片について、室温及び２７５℃加熱時について、各１０サンプルについて行った。
図５は、本願実施例により提供されるサンプルに対するせん断強度試験結果の一例であり、室温と、２７５℃におけるせん断強度を測定している。各実施例において試料を３〜５個用意し、それぞれのサンプルのせん断強度を測定し、その平均値を算出した。
図５に見られるように、各結果においては全て２７５℃加熱時においても室温時並のせん断強度を示しており、耐熱性があることが分かった。
接合しておらずせん断強度の測定ができない試験体については「−」で、測定ができた試験体については破断時の強度（ＭＰａ）を示した。
本願発明の実施例８〜１３は全て十分接合したのに対して、比較例１は、接合しなかった。また、実施例８〜１３はいずれも接合強度１３．０ＭＰａより大きく、十分な接合強度を示したのに対し、比較例２及び３については２６５℃における接合強度が１３ＭＰａ以下（表２において×で示す）となり、実用上不十分であった。

本発明の実施の形態の接合体の概略断面図である。 本発明の実施例のせん断強度を示すグラフの断面図である。 接合体のせん断強度を測定する装置の概念図である。 本発明の実施例の効果を示す図である。 本発明の実施例の結果を示すグラフである。 本発明の接合体を用いた半導体装置の例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０…接合体
１１…第１の被接合部材
１２…第２の被接合部材
１３…接合層

Claims (8)

1. 第１の被接合部材と、第２の被接合部材と、これらの被接合部材間に介在している接合層からなる接合体であって、
   前記接合層が、Ｓｎと、Ｓｎより高い融点を有する金属材料を含み、
   該接合層中に少なくともＳｎの量が、２０質量％以上７０質量％以下である第１の層を有することを特徴とする接合体。
2. 前記接合層が前記第１の層と質量比の異なる第２の層を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合体。
3. 前記接合層が、固相線温度４００℃以上の材料からなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合体。
4. 前記接合層が、ＣｕとＳｎの金属間化合物であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の接合体。
5. 前記接合層中の前記第１の層はＳｎの質量比が２０％以上５０％以下であるＣｕ及びＳｎの金属間化合物を含み、
   前記第２の層はＳｎの質量比が１０％以上３５％以下であるＡｇ及びＳｎの金属間化合物を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の接合体。
6. 前記第１の被接合部材はＣｕであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の接合体。
7. Ｓｎより高い融点を有する金属材料を含む第１の被接合部材表面に、Ｓｎ膜を付与する工程と、
   このＳｎ膜表面に第２の被接合部材を密着させて、加圧しながら２５０℃以上４５０℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法。
8. 第１の被接合部材表面に、Ｓｎ膜と、Ｓｎより高い融点を有する金属材料膜とを、それぞれ少なくとも１層ずつ付与する工程と、
   前記工程で付与した金属材料の膜の表面に第２の被接合部材を密着させて、加圧しながら２５０℃以上４５０℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法。