JP2013080863A - Semiconductor element with connection material and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に、Ｐｂフリーの接合材料をパワー半導体素子側に備えた接続材料付き半導体素子およびその製造方法に関するものである。 In particular, the present invention relates to a semiconductor element with a connection material provided with a Pb-free bonding material on the power semiconductor element side and a method for manufacturing the same.
半導体パッケージ内部に用いられるはんだ材、あるいはパワー半導体素子（単に半導体素子ともいう。）のダイボンディングに用いられるはんだ材などには、従来、鉛（Ｐｂ）を多く含み融点が３００℃近傍のはんだ（いわゆる高鉛はんだ）が使用されてきた。 Conventionally, solder materials used inside semiconductor packages or solder materials used for die bonding of power semiconductor elements (also simply referred to as semiconductor elements) have a high lead (Pb) and a melting point of about 300 ° C. So-called high lead solder) has been used.
例えば、電源や電力などの制御や供給を行うダイオード、トランジスタなどのパワー半導体（単に半導体ともいう。）では、これまで融点３００℃程度の高Ｐｂはんだにより、パワー半導体素子をリードフレームなどに接続されることが多かった。その理由は、汎用のパワー半導体素子を用いた半導体パッケージの場合は、半導体パッケージを基板に接続する際のはんだ付けで２６０℃などに加熱されるので、半導体パッケージ内部でパワー半導体素子とリードフレームを接合するはんだが溶けないように、融点の高い高Ｐｂはんだを使用する必要があったためである。 For example, in power semiconductors (also referred to simply as semiconductors) such as diodes and transistors that control and supply power and power, power semiconductor elements have been connected to lead frames and the like with high Pb solder having a melting point of about 300 ° C. There were many cases. The reason is that in the case of a semiconductor package using a general-purpose power semiconductor element, the semiconductor package is heated to 260 ° C. or the like by soldering when connecting the semiconductor package to the substrate. This is because it is necessary to use a high Pb solder having a high melting point so that the solder to be joined does not melt.
またパワーモジュールと呼ばれるパワー半導体を多数実装する機器では、両面に電極が形成されたセラミック基板の片面に、高Ｐｂはんだを用いてパワー半導体を実装し、もう片方の面は、融点の低いはんだを用いて放熱用のプレートなどに接続してきた。この場合も、融点の低いはんだでセラミック基板とプレートを接続する時に、パワー半導体とセラミック基板との接続部が溶けて不具合が生じることを回避するために、パワー半導体の接続部には、高Ｐｂはんだが用いられてきた。 Also, in a device that mounts a large number of power semiconductors called power modules, a power semiconductor is mounted on one side of a ceramic substrate with electrodes formed on both sides using high Pb solder, and the other side is soldered with a low melting point. Used to connect to a heat dissipation plate. Also in this case, when connecting the ceramic substrate and the plate with a solder having a low melting point, in order to avoid a problem that the connection portion between the power semiconductor and the ceramic substrate melts, the connection portion of the power semiconductor has a high Pb. Solder has been used.
しかし、近年では、環境意識の更なる高まりから、高Ｐｂはんだの代替材料がパワー半導体業界において、強く求められている。そして、このような状況に対応するため、高耐熱なＰｂフリーはんだとして以下のようなものが提案されている。 However, in recent years, with the further increase in environmental awareness, an alternative material for high Pb solder is strongly demanded in the power semiconductor industry. In order to cope with such a situation, the following has been proposed as a high heat-resistant Pb-free solder.
例えば特許文献１には、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｇａ組成の高温はんだ付け用Ｚｎ合金が開示されている。この特許文献１では、共晶温度が３４０℃付近にあるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系３元共晶合金に、Ｇａを加えることで、高鉛はんだに近い２６５〜３５０℃の融点を実現する高温はんだ付け用Ｚｎ合金とすることが提案されている。 For example, Patent Document 1 discloses a Zn alloy for high-temperature soldering having a Zn—Al—Mg—Ga composition. In Patent Document 1, a high-temperature solder that realizes a melting point of 265 to 350 ° C. close to that of high-lead solder by adding Ga to a Zn—Al—Mg ternary eutectic alloy whose eutectic temperature is around 340 ° C. It has been proposed to use an attachment Zn alloy.
また、特許文献２には、共晶温度が３８０℃付近にあるＺｎ−Ａｌ系共晶合金に、Ｇｅ、Ｍｇ、さらにＳｎ、Ｉｎを添加することで、共晶温度をＰｂ系はんだ合金に近い高温はんだ付けＺｎ合金とすることが提案されている。 Patent Document 2 discloses that a eutectic temperature is close to that of a Pb-based solder alloy by adding Ge, Mg, Sn, and In to a Zn—Al-based eutectic alloy having a eutectic temperature of around 380 ° C. It has been proposed to provide a high temperature soldered Zn alloy.
特許文献３には、半導体素子とフレームを接続するはんだとして、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎの三層にクラッドした高温はんだ付きＺｎ合金が提案されている。この高温はんだ付きＺｎ合金は、一般的に強固な酸化膜を形成するＡｌをＺｎでクラッドすることで、Ａｌ酸化膜の形成を回避して、濡れ性向上を図るものである。 Patent Document 3 proposes a high-temperature soldered Zn alloy clad in three layers of Zn / Al / Zn as solder for connecting a semiconductor element and a frame. This high-temperature soldered Zn alloy is intended to improve the wettability by avoiding the formation of an Al oxide film by clad Al, which generally forms a strong oxide film, with Zn.
また特許文献４には、フレームにＳｉチップをはんだ付けする鉛フリーはんだとして、Ｚｎ−４Ａｌ−１Ｉｎ系はんだの表面に、ＡｕまたはＡｇをコートし、Ｚｎ−４Ａｌ−１Ｉｎ系はんだの表面の酸化を抑止してぬれ性を向上させることが提案されている。 In Patent Document 4, as the lead-free solder for soldering the Si chip to the frame, the surface of the Zn-4Al-1In solder is coated with Au or Ag, and the surface of the Zn-4Al-1In solder is oxidized. It has been proposed to improve wettability by deterrence.
このように、高Ｐｂはんだの代替材料が種々提案されているが、これら代替材料を用いて、パワー半導体素子をリードフレームなどにはんだ接続する場合、はんだ供給プロセスが重要である。 As described above, various alternative materials for high Pb solder have been proposed. When these alternative materials are used to solder a power semiconductor element to a lead frame or the like, a solder supply process is important.
例えば、極めて高価な半導体であるレーザーダイオードをセラミック基板にはんだ接続する場合には、通常、セラミック基板上に、はんだ材料を蒸着によりはんだ膜を形成しておき、接合時に、レーザーダイオードの電極をはんだ膜に押し付けて、加熱してはんだ膜を溶融させて接続するようにしている。 For example, when a laser diode, which is an extremely expensive semiconductor, is soldered to a ceramic substrate, a solder film is usually formed on the ceramic substrate by vapor deposition, and the laser diode electrode is soldered at the time of bonding. It is pressed against the film and heated to melt the solder film for connection.
このはんだ膜は、蒸着やスパッタで形成するので、通常のはんだ材に比べて高価であるが、レーザーダイオードが極めて高価であるため、高い接続歩留りを確保するため、高品質なはんだ膜つきの基板が用いられてきた。 Since this solder film is formed by vapor deposition or sputtering, it is more expensive than ordinary solder materials, but since laser diodes are extremely expensive, a substrate with a high-quality solder film is required to ensure a high connection yield. Has been used.
パワー半導体では、従来のＳｉではなく、損失の少ないＳｉＣやＧａＮなどの半導体材料を用いた半導体素子も開発され始めている。これらの半導体材料では、Ｓｉに比べて欠陥の少ない単結晶を造るのが難しく、半導体素子一つ当たりの価格も高い。このため、このような半導体材料を用いた高価なパワー半導体素子をリードフレームなどの被接続部材に歩留りよく接続するため、高Ｐｂはんだの代替となるはんだ材で、高品質なはんだ膜を形成する必要がある。 In power semiconductors, semiconductor elements using semiconductor materials such as SiC and GaN with low loss instead of conventional Si have begun to be developed. In these semiconductor materials, it is difficult to produce a single crystal with fewer defects than Si, and the price per semiconductor element is high. For this reason, in order to connect an expensive power semiconductor element using such a semiconductor material to a member to be connected such as a lead frame with a high yield, a high quality solder film is formed with a solder material that substitutes for high Pb solder. There is a need.
しかし、一般的なパワー半導体素子の接続プロセスを考えた場合に、上述した高品質なはんだ膜を形成した場合であっても、リードフレームなどの被接続部材との接続が不十分となり、接続不良が発生する可能性がある。 However, when considering the connection process of general power semiconductor elements, even when the above-described high-quality solder film is formed, the connection with the connected member such as the lead frame becomes insufficient, resulting in poor connection. May occur.
例えば、汎用のパワー半導体パッケージを作製する場合、線材、あるいはリボン材に加工されたはんだ材を、リードフレームに押し付けて溶融させ、この溶融したはんだ材の液滴の上からパワー半導体素子を押し付けて接続するものであるが、このような接続プロセスでは、溶融したはんだ材の液滴に酸素が混入し、酸化膜を形成してしまう問題がある。 For example, when producing a general-purpose power semiconductor package, a solder material processed into a wire material or a ribbon material is melted by pressing it against a lead frame, and a power semiconductor element is pressed onto the molten solder material droplets. In such a connection process, there is a problem that oxygen is mixed into the molten solder material droplets to form an oxide film.
すなわち、パワー半導体素子とリードフレームとの接続面であるはんだ材の表面に酸化膜が存在すると、濡れ性を劣化させることになり、パワー半導体素子およびリードフレームとはんだ材との接続が不十分となる。従って、一般的な接続プロセスでは、パワー半導体素子をリードフレーム上のはんだ材にダイボンディングする際の接続不良によって高い歩留まりが得られない場合があった。 That is, if there is an oxide film on the surface of the solder material, which is the connection surface between the power semiconductor element and the lead frame, the wettability will be degraded, and the connection between the power semiconductor element and the lead frame and the solder material will be insufficient. Become. Therefore, in a general connection process, a high yield may not be obtained due to poor connection when the power semiconductor element is die-bonded to the solder material on the lead frame.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、はんだ接続時の接続不良を低減し、歩留りよく接続することができる接続材料付き半導体素子およびその製造方法を提供するものである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor element with a connection material that can solve the above-described problems, can reduce connection failure during solder connection, and can be connected with high yield, and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するために請求項１の発明は、半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備え、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなることを特徴とする接続材料付き半導体素子である。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a method in which a metal layer serving as an electrode provided on a surface of a semiconductor material and a surface different from a surface of the metal layer that is in contact with the surface of the semiconductor material. A connection metal layer for connecting the metal layer to a member to be connected, the connection metal layer having a Zn-Al alloy whose Al concentration is greater than 0 mass% and less than or equal to 10 mass%, or Zn It is a semiconductor element with a connection material characterized by comprising a laminated body formed by laminating Al and Al.
請求項２の発明は、前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に酸化防止金属層が形成されている請求項１に記載の接合材料付き半導体素子である。 A second aspect of the present invention is the semiconductor element with a bonding material according to the first aspect, wherein the connection metal layer has an anti-oxidation metal layer formed on a surface facing the surface in contact with the surface of the metal layer.
請求項３の発明は、前記酸化防止金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つの金属層、またはこれらを複合した金属からなる請求項２に記載の接続材料付き半導体素子である。 According to a third aspect of the present invention, the antioxidant metal layer is made of one metal layer of Au, Ag, Cu, Ni, Pd, and Pt, or a metal obtained by combining these layers. It is a semiconductor element.
請求項４の発明は、前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの金属からなる拡散抑制層、および前記酸化防止金属層がこの順に積層されている請求項２又は３に記載の接続材料付き半導体素子である。 According to a fourth aspect of the present invention, the connection metal layer has a diffusion suppression layer made of any one of Al, Ti, Cr, and W on the surface facing the surface in contact with the surface of the metal layer, and the oxidation prevention. 4. The semiconductor element with a connection material according to claim 2, wherein the metal layers are laminated in this order.
請求項５の発明は、前記酸化防止金属層の厚さは、１０μｍ以下である請求項２〜４のいずれかに記載の接続材料付き半導体素子である。 A fifth aspect of the present invention is the semiconductor element with a connection material according to any one of the second to fourth aspects, wherein the thickness of the antioxidant metal layer is 10 μm or less.
請求項６の発明は、半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備えた半導体素子の製造方法において、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなると共に該積層体を蒸着法またはスパッタ法によって形成することを特徴とする接続材料付き半導体素子の製造方法である。 The invention according to claim 6 is the metal layer provided on the surface of the semiconductor material and the metal provided on a surface different from the surface of the metal layer that is in contact with the surface of the semiconductor material. A connection metal layer for connecting the layer to a member to be connected, wherein the connection metal layer has a Zn-Al alloy whose Al concentration is greater than 0 mass% and less than or equal to 10 mass%, or Zn A method for manufacturing a semiconductor element with a connection material, comprising: a laminated body formed by laminating Al and Al, and forming the laminated body by vapor deposition or sputtering.
請求項７の発明は、前記接続金属層に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの拡散抑制層、酸化防止金属層を蒸着法またはスパッタ法によって、さらに形成する請求項６記載の接続材料付き半導体素子の製造方法である。 The invention according to claim 7 is the connection material according to claim 6, wherein a diffusion suppression layer of any one of Al, Ti, Cr, and W and an antioxidant metal layer are further formed on the connection metal layer by vapor deposition or sputtering. This is a method for manufacturing a semiconductor device with an attachment.
本発明によれば、例えばパワー半導体のダイボンディングなどに、従来使用されてきた高鉛はんだの代替材料である鉛フリーはんだ材として、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ材料を適用する際に、パワー半導体の電極（金属層）にＺｎ−Ａｌ系はんだ材料を蒸着やスパッタ等にて予め形成しておくことで、リードフレームとの接合時に高い歩留りで接続できる半導体素子、およびその製造方法を提供することができるという優れた効果を発揮するものである。 According to the present invention, when a Zn-Al solder material is applied as a lead-free solder material, which is an alternative material to a high lead solder that has been conventionally used, for example, in die bonding of a power semiconductor, the power semiconductor electrode By forming a Zn—Al solder material in advance on the (metal layer) by vapor deposition, sputtering, or the like, it is possible to provide a semiconductor element that can be connected with a high yield when bonded to a lead frame, and a method for manufacturing the same. This is an excellent effect.
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。 A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図１は接続材料付き半導体素子の断面図を示したものである。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor element with a connection material.
図１において、Ｓｉ、あるいはＳｉＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどからなる半導体材料１の下面には、コレクタ電極２が形成され、上面には、エミッタ電極３、ゲート電極４が形成される。半導体材料１とコレクタ電極２である金属層からなる半導体素子Ｄの表面には、すなわち、金属層の表面であって半導体材料１の表面に接する面とは異なる面（図１では半導体材料１の表面に接する面と対向する面）上には、金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層５が形成され、本発明の接続材料付き半導体素子Ｓが構成される。 In FIG. 1, a collector electrode 2 is formed on the lower surface of a semiconductor material 1 made of Si or SiO, GaAs, GaN, etc., and an emitter electrode 3 and a gate electrode 4 are formed on the upper surface. The surface of the semiconductor element D composed of the semiconductor material 1 and the metal layer as the collector electrode 2, that is, a surface different from the surface of the metal layer that is in contact with the surface of the semiconductor material 1 (in FIG. A connection metal layer 5 for connecting the metal layer to the member to be connected is formed on the surface facing the surface), and the semiconductor element S with the connection material of the present invention is formed.
なお、本実施の形態では、コレクタ電極２を金属層として、その表面上に接続金属層５を形成した例で説明するが、これに限定されず、エミッタ電極３やゲート電極４を金属層として、その表面上に接続金属層５を形成することであっても構わない。 In this embodiment, the collector electrode 2 is used as a metal layer, and the connection metal layer 5 is formed on the surface. However, the present invention is not limited to this, and the emitter electrode 3 and the gate electrode 4 are used as metal layers. The connection metal layer 5 may be formed on the surface.
接続金属層５は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなるもので、コレクタ電極２の表面に蒸着法またはスパッタ法によって形成する。 The connection metal layer 5 is made of a Zn—Al alloy having an Al concentration of greater than 0 mass% and less than or equal to 10 mass%, or a laminate formed by laminating Zn and Al. Alternatively, it is formed by sputtering.
このような接続金属層５の形成は、ダイシング前のパワー半導体素子、電極が形成された半導体ウェハに、レジストによるマスク（Ａ）、あるいはメタルマスク（Ｂ）を用いて、蒸着やスパッタで形成することができる。 The connection metal layer 5 is formed by vapor deposition or sputtering using a resist mask (A) or metal mask (B) on a semiconductor wafer on which power semiconductor elements and electrodes are formed before dicing. be able to.
レジストマスク（Ａ）を用いる場合は、二通りの方法が挙げられる。 When using the resist mask (A), there are two methods.
一つ目の方法（Ａ−１）は、半導体ウェハに、接続金属層を蒸着かスパッタにより所定の厚さで全面に形成し、その上にレジストをスピンコートして、ベーク、露光、ベーク、現像という処理で接続金属層を形成すべき部分以外にレジストが無いレジストパターンを形成し、その後ミリングあるいはエッチングにより余分な接続金属層を除去し、最後にレジストを除去、洗浄することで電極上に、パターン化された接続金属層５を形成する、という方法、いわゆる、ミリング法、エッチング法と呼ばれている方法で形成する。 In the first method (A-1), a connecting metal layer is formed on the entire surface of a semiconductor wafer by vapor deposition or sputtering, and a resist is spin-coated thereon, followed by baking, exposure, baking, By developing, a resist pattern that has no resist is formed except for the part where the connection metal layer is to be formed, and then the excess connection metal layer is removed by milling or etching, and finally the resist is removed and washed to be on the electrode. The patterned connection metal layer 5 is formed by a method called a milling method or an etching method.
レジストマスクを用いる場合のもう一つの方法（Ａ−２）は、電極形成まで完了した半導体ウェハに、レジストをスピンコートする。次にベーク、露光、ベーク、現像という処理で、接続金属層が形成されるべき場所に穴があいたレジストパターンを形成する。そして、蒸着やスパッタにより接続金属層を形成する。レジストパターンの穴のあいた部分では、接続金属層が電極に直接接触して密着する。その後、テープなどを利用して、レジストパターン上に形成されている接続金属層を剥ぎ取る。最後にレジストパターンを除去、洗浄することで、パターン化された接続金属層５を形成する。この方法はいわゆるリフトオフと呼ばれる方法である。 In another method (A-2) in the case of using a resist mask, a resist is spin-coated on a semiconductor wafer that has been completed up to electrode formation. Next, a resist pattern having a hole in a place where the connection metal layer is to be formed is formed by a process of baking, exposure, baking, and development. Then, a connection metal layer is formed by vapor deposition or sputtering. In the hole portion of the resist pattern, the connection metal layer is in direct contact with the electrode and is in close contact therewith. Thereafter, the connection metal layer formed on the resist pattern is peeled off using a tape or the like. Finally, the resist pattern is removed and washed to form a patterned connection metal layer 5. This method is a so-called lift-off method.
Ａ−１のミリング法やエッチング法のメリットは、接続金属層のパターンの輪郭がきれいにできることである。一方、接続金属層以外の部分が、ミリングやエッチングによりダメージを受ける可能性がある。Ａ−２のリフトオフ法のメリットは、接続金属層以外の部分がダメージを受けないが、接続金属層の外周の輪郭がきれいにならず、バリが含まれる場合がある、というデメリットがある。 The merit of the milling method and the etching method of A-1 is that the contour of the pattern of the connection metal layer can be made clean. On the other hand, parts other than the connection metal layer may be damaged by milling or etching. The advantage of the lift-off method of A-2 is that the parts other than the connection metal layer are not damaged, but the contour of the outer periphery of the connection metal layer is not clean and may contain burrs.
もう一つの方法は、メタルマスク（Ｂ）を用いる方法である。 Another method is a method using a metal mask (B).
メタルマスクは、金属箔をエッチングすることで穴をあけたもので、このメタルマスクを半導体ウェハに密着させ、治具などを用いて固定し、その状態で蒸着やスパッタを用いて、接続金属層を成膜する。メタルマスクの穴を通過した金属粒子が電極上に堆積して、接続金属層５が形成される。 A metal mask is a hole made by etching a metal foil. This metal mask is closely attached to a semiconductor wafer, fixed with a jig, etc., and in this state, a connection metal layer is formed by vapor deposition or sputtering. Is deposited. Metal particles that have passed through the holes of the metal mask are deposited on the electrodes, and the connection metal layer 5 is formed.
メタルマスク（Ｂ）のメリットは、工程が簡略であること、マスクの繰り返し使用が可能であること、デメリットは、メタルマスクと半導体ウェハの間に隙間があると、そこに金属粒子が入り込んで、意図しない部分に接続金属層のパターン形成される場合があること、などである。 The merit of the metal mask (B) is that the process is simple, the mask can be used repeatedly, and the demerit is that if there is a gap between the metal mask and the semiconductor wafer, metal particles enter there, The connection metal layer may be patterned in an unintended part.
上記に述べたＡ、Ｂの方法のいずれにもメリット、デメリットがある。レジストパターンを用いる場合は、レジストパターンの厚さが薄いと、リフトオフがうまく出来ないことがある。 There are merits and demerits in both methods A and B described above. When a resist pattern is used, if the resist pattern is thin, lift-off may not be performed successfully.
また接続金属層５が厚いと、ミリングやエッチングでパターン形成する場合、レジストの下も、端から徐々に削られる、いわゆるサイドエッチングの問題もある。したがって、数μｍ程度の比較的薄い接続金属層５を得る場合は、レジストパターンを用いる方法が適している。厚い接続金属層５を得たい場合は、メタルマスクを厚くして、メタルマスク上に堆積した金属粒子と、電極上に堆積した金属粒子がつながらないようにしてやれば、対応できるので、メタルマスクを用いる方法は、厚い接続金属層５に向いている。 If the connection metal layer 5 is thick, there is also a problem of so-called side etching, in which a pattern is formed by milling or etching, and the resist is gradually scraped from the edge under the resist. Therefore, a method using a resist pattern is suitable for obtaining a relatively thin connection metal layer 5 of about several μm. If it is desired to obtain a thick connecting metal layer 5, it is possible to increase the thickness of the metal mask so that the metal particles deposited on the metal mask do not connect with the metal particles deposited on the electrode. The method is suitable for a thick connecting metal layer 5.
一般にパワー半導体素子を、リードフレームや基板に接続する場合、従来技術で述べたように、パワー半導体素子とリードフレームや基板などの被接続材料間に接続金属層を介在させ、パワー半導体素子を押し付けて接続する。しかし、接続金属層の表面に酸化膜が形成されている場合には、それが濡れ性を阻害する懸念がある。 Generally, when connecting a power semiconductor element to a lead frame or a substrate, as described in the prior art, a connecting metal layer is interposed between the power semiconductor element and a connected material such as the lead frame or the substrate, and the power semiconductor element is pressed. Connect. However, when an oxide film is formed on the surface of the connection metal layer, there is a concern that it impedes wettability.
本発明においては、接続金属層５を、蒸着法またはスパッタ法にてパワー半導体材料１と金属層（コレクタ電極２又はエミッタ電極３）からなる半導体素子Ｄに予め形成しておくことで、酸化膜による影響をなくすことができるようにしたものである。 In the present invention, the connecting metal layer 5 is formed in advance on the semiconductor element D composed of the power semiconductor material 1 and the metal layer (collector electrode 2 or emitter electrode 3) by vapor deposition or sputtering, thereby forming an oxide film. It is intended to eliminate the influence of.
すなわち、蒸着装置やスパッタ装置などでは、蒸着やスパッタ等の真空下にて接続金属層を形成するものであり、コレクタ電極２又はエミッタ電極３である金属層と接続金属層５間には酸化膜は存在せず、またその後接続金属層５をリードフレームにはんだ接合する際には、その接続設備では、例えば、スパッタやミリング、あるいはプラズマ洗浄などを備えており、接続金属層５を形成した後に、仮に接続金属層５の表面の酸化膜が形成されていても、接続時に、その酸化膜を除去してから接続できるため、接続金属層の形成後に、仮にその表面に酸化膜が形成されていても、それ程大きな問題とならない。 That is, in a vapor deposition apparatus or a sputtering apparatus, a connection metal layer is formed under vacuum such as vapor deposition or sputtering, and an oxide film is formed between the metal layer as the collector electrode 2 or the emitter electrode 3 and the connection metal layer 5. In addition, when the connection metal layer 5 is soldered to the lead frame after that, the connection equipment includes, for example, sputtering, milling, or plasma cleaning, and after the connection metal layer 5 is formed. Even if an oxide film on the surface of the connection metal layer 5 is formed, since the oxide film can be removed and then connected at the time of connection, the oxide film is temporarily formed on the surface after the connection metal layer is formed. But it doesn't matter that much.
次に、図２〜図５により、接続金属層５の具体的な実施形態を説明する。 Next, a specific embodiment of the connection metal layer 5 will be described with reference to FIGS.
図２は、本実施の形態に係る接続材料付き半導体素子Ｓにおいて、接続金属層５から半導体材料１までの積層構造を示す拡大断面図である。 FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a laminated structure from the connection metal layer 5 to the semiconductor material 1 in the semiconductor element S with connection material according to the present embodiment.
パワー半導体材料１の下面に、電極層６、電極表面層７からなるコレクタ電極２が形成されて半導体素子Ｄが構成される。電極層６は、半導体材料１とのオーミックコンタクト、密着性を考慮して形成されている。電極表面層７は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどが好適である。 A collector electrode 2 including an electrode layer 6 and an electrode surface layer 7 is formed on the lower surface of the power semiconductor material 1 to constitute a semiconductor element D. The electrode layer 6 is formed in consideration of ohmic contact and adhesion with the semiconductor material 1. The electrode surface layer 7 is preferably made of Au, Ag, Cu, Ni, Pt, Pd, or the like.
この電極表面層７の下面に、電極表面層７側からＺｎ層８、Ａｌ層９が順次形成されて接続金属層５が構成されている。Ｚｎ層８を形成する前に、電極表面層７の表面をクリーニングした方が、Ｚｎ層８との密着を高めることができる。Ｚｎ層８を形成してから、Ａｌ層９は、蒸着、あるいはスパッタの真空槽をあけることなく、連続で成膜する。 On the lower surface of the electrode surface layer 7, a Zn layer 8 and an Al layer 9 are sequentially formed from the electrode surface layer 7 side to form the connection metal layer 5. If the surface of the electrode surface layer 7 is cleaned before the Zn layer 8 is formed, adhesion with the Zn layer 8 can be enhanced. After the Zn layer 8 is formed, the Al layer 9 is continuously formed without opening a vacuum chamber for vapor deposition or sputtering.
その理由は、途中で真空槽をあけてしまうと、表面が酸化され、層間の密着が得られなくなるためである。 The reason is that if the vacuum chamber is opened in the middle, the surface is oxidized and adhesion between layers cannot be obtained.
Ｚｎ層８、Ａｌ層９の厚さの比は、例えばＺｎ９：Ａｌ１．５などが好適である。このような比にすることで、Ｚｎ−６Ａｌ共晶（融点３８２℃）組成となる。この比をそのまま厚さとすると、例えば、Ｚｎ９μｍ、Ａｌ１．５μｍになり、トータルの厚さが１０．５μｍの接続金属層５となる。 The ratio of the thicknesses of the Zn layer 8 and the Al layer 9 is preferably, for example, Zn9: Al1.5. By setting such a ratio, a Zn-6Al eutectic (melting point 382 ° C.) composition is obtained. If this ratio is taken as it is, it becomes, for example, Zn 9 μm, Al 1.5 μm, resulting in the connection metal layer 5 having a total thickness of 10.5 μm.
図３は、半導体素子Ｄの下面に形成する接続金属層５としてのＺｎ層８とＡｌ層９の配置を、図２の配置と逆にしたものであり、電極表面層７の下面に、電極表面層７側からＡｌ層９、Ｚｎ層８がこの順で形成されて接続金属層５が構成されている。製造方法や、厚さ、組成については図２の実施の形態と同様である。 FIG. 3 shows the arrangement of the Zn layer 8 and the Al layer 9 as the connection metal layer 5 formed on the lower surface of the semiconductor element D in reverse to the arrangement of FIG. An Al layer 9 and a Zn layer 8 are formed in this order from the surface layer 7 side to constitute the connection metal layer 5. The manufacturing method, thickness, and composition are the same as in the embodiment of FIG.
図４は、半導体素子Ｄの下面に形成する接続金属層５としてのＺｎとＡｌを分離せず、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０を形成して接続金属層５を構成するものである。Ｚｎ−Ａｌ合金層の厚さは、数μｍ以上、１０μｍ以下程度が好適である。 FIG. 4 shows that the connection metal layer 5 is formed by forming the Zn—Al alloy layer 10 without separating Zn and Al as the connection metal layer 5 formed on the lower surface of the semiconductor element D. The thickness of the Zn—Al alloy layer is preferably about several μm or more and 10 μm or less.
これまでに述べたＺｎとＡｌからなる接続金属層５は、組成はＺｎ−６Ａｌ共晶組成が好適ではあるが、必ずしもこの組成に限定されるものではない。 The connection metal layer 5 made of Zn and Al described so far preferably has a Zn-6Al eutectic composition, but is not necessarily limited to this composition.
図５に、Ｚｎ−Ａｌ系共晶合金の平衡状態図を示す。 FIG. 5 shows an equilibrium diagram of the Zn—Al eutectic alloy.
図５において、ｌは液相線、ｓは固相線で、Ａｌの融点６６０．４５２℃、Ｚｎの融点４１９．５８℃であり、共晶温度は３８１℃、共晶点はＺｎ濃度９４．０ｍａｓｓ％、Ａｌ濃度６．０ｍａｓｓ％である。 In FIG. 5, l is a liquidus, s is a solidus, Al has a melting point of 660.452 ° C., Zn has a melting point of 419.58 ° C., the eutectic temperature is 381 ° C., and the eutectic point is the Zn concentration of 94. 0 mass% and Al concentration 6.0 mass%.
パワー半導体素子の接続には、耐熱性の観点から純Ｚｎを適用することは可能である。したがって、純Ｚｎの融点（４１９．５８℃）と同等の温度である図示の一点鎖線と液相線ｌが交わるＺｎ濃度は９０ｍａｓｓ％、Ａｌ濃度は１０ｍａｓｓ％であり、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下の範囲のＺｎ−０〜１０Ａｌは、接続に用いることができ、その溶融温度は、共晶点（Ｚｎ濃度９４．０ｍａｓｓ％、Ａｌ濃度６．０ｍａｓｓ％）の３８１℃から純Ｚｎの融点、Ｚｎ−１０Ａｌの溶融温度である４１９．５８℃の範囲にあるものを用いることができる。 Pure Zn can be applied to the connection of the power semiconductor element from the viewpoint of heat resistance. Therefore, the Zn concentration at which the one-dot chain line shown in the figure, which is a temperature equivalent to the melting point (419.58 ° C.) of pure Zn, and the liquidus line 1 intersect is 90 mass%, the Al concentration is 10 mass%, and the Al concentration is larger than 0 mass%. Zn-0-10Al in the range of 10 mass% or less can be used for connection, and its melting temperature is from 381 ° C. of eutectic point (Zn concentration 94.0 mass%, Al concentration 6.0 mass%) to pure Zn. A melting point within the range of 419.58 ° C., which is the melting temperature of Zn-10Al, can be used.
図２、図３、図４に示した実施の形態では、Ｚｎ、Ａｌがいずれも表面を露出した状態となっている。この状態は、表面の酸化膜による濡れ不良の懸念があるので、リードフレームと接続する際には、事前の酸化膜除去が必要であるが、それでも酸化膜の除去が不足の場合は接続時の半導体素子のスクラブ（擦りつけ）を念入りに行う必要がある。 In the embodiment shown in FIGS. 2, 3, and 4, the surface of Zn and Al is both exposed. In this state, there is a concern of poor wetting due to the oxide film on the surface, so it is necessary to remove the oxide film in advance when connecting to the lead frame, but if the oxide film is still insufficiently removed, It is necessary to scrub the semiconductor element carefully.
酸化膜除去ができるような特殊な接続設備は、設備自体のコストが大きくなる。より一般的な、熱圧着のみで接続できるような設備では、接続金属層の表面の酸化を抑制する必要がある。このためには、接続金属層５の表面に、すなわち金属層の表面に接する面と対向する面上に、酸化防止金属層を形成するのが好適である。このような酸化防止金属層としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つからなる金属、またはこれらを複合した金属が好適である。 Special connection equipment that can remove the oxide film increases the cost of the equipment itself. In a more general equipment that can be connected only by thermocompression bonding, it is necessary to suppress oxidation of the surface of the connection metal layer. For this purpose, it is preferable to form an antioxidant metal layer on the surface of the connection metal layer 5, that is, on the surface facing the surface in contact with the surface of the metal layer. As such an antioxidant metal layer, a metal made of one of Au, Ag, Cu, Ni, Pd, and Pt, or a metal in which these are combined is suitable.
このような酸化防止金属層は、図２、図３、図４に示した実施の形態において、図２の例では、Ａｌ層９に連続して、図３の例ではＺｎ層８に連続して、図４の例では、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０に連続して、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つ或いはこれらを複合した金属を、蒸着、あるいはスパッタで酸化防止金属層を形成する。つまり、酸化防止金属層は、Ａｌ層９、Ｚｎ層８、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０の表面上にそれらの層と接するように設けられている。 In the embodiment shown in FIGS. 2, 3 and 4, such an antioxidant metal layer is continuous with the Al layer 9 in the example of FIG. 2, and continuous with the Zn layer 8 in the example of FIG. In the example of FIG. 4, the Zn—Al alloy layer 10 is continuously oxidized to prevent oxidation by vapor deposition or sputtering of one of Au, Ag, Cu, Ni, Pd, and Pt or a composite of these. A metal layer is formed. That is, the antioxidant metal layer is provided on the surface of the Al layer 9, the Zn layer 8, and the Zn—Al alloy layer 10 so as to be in contact with these layers.
このように接続金属層５の表面に酸化防止金属層を形成することにより、接続金属層５の表面酸化が抑制され、濡れ性を向上させることができる。 By forming the antioxidant metal layer on the surface of the connection metal layer 5 in this way, surface oxidation of the connection metal layer 5 is suppressed, and wettability can be improved.
なお、酸化防止金属層がＺｎ層８やＺｎ−Ａｌ合金層１０に接するように連続して形成された場合、酸化防止金属層へのＺｎの拡散が速いため、酸化防止金属層による酸化防止の効果をより安定して得られるようにＺｎ層８、あるいはＺｎ−Ａｌ合金層１０と酸化防止金属層の間に、拡散抑制層を配置することで、酸化防止金属層へのＺｎの拡散を抑制することがよい。 When the antioxidant metal layer is continuously formed so as to be in contact with the Zn layer 8 or the Zn-Al alloy layer 10, the diffusion of Zn into the antioxidant metal layer is fast, so that the antioxidant metal layer prevents oxidation. In order to obtain the effect more stably, the diffusion suppression layer is disposed between the Zn layer 8 or the Zn-Al alloy layer 10 and the antioxidant metal layer, thereby suppressing the diffusion of Zn into the antioxidant metal layer. It is good to do.
拡散抑制層には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗなどの金属が好適である。これらの金属を用いる場合に注意すべきことは、本質的に拡散を抑制できる金属は、溶融時に溶解しにくいということである。このため拡散抑制層の形成では厚さに注意する必要がある。Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗは、融点が高い金属であるため、溶解が遅い。したがって、厚さは０．０５〜０．２μｍ程度の厚さとすべきである。一方、Ａｌは、Ｚｎの拡散抑制効果が得られる金属でありながら、Ｚｎ−Ａｌはんだの成分でもある。したがって、Ｚｎ層、Ｚｎ−Ａｌ層の表面上にＡｌ層を配置することでＡｌ層の拡散抑制効果を得ることができる。 A metal such as Al, Ti, Cr, W is suitable for the diffusion suppressing layer. It should be noted that when these metals are used, metals that can essentially inhibit diffusion are difficult to dissolve when melted. Therefore, it is necessary to pay attention to the thickness when forming the diffusion suppression layer. Since Ti, Cr, and W are metals having a high melting point, dissolution is slow. Therefore, the thickness should be about 0.05 to 0.2 μm. On the other hand, Al is a component of Zn—Al solder while being a metal capable of suppressing the diffusion of Zn. Therefore, the Al layer diffusion suppressing effect can be obtained by disposing the Al layer on the surfaces of the Zn layer and the Zn—Al layer.
図６は、図２で説明した実施の形態において、Ｚｎ層８、Ａｌ層９で構成された接続金属層５のＡｌ層９の下面に、酸化防止金属層の一例としてＣｕ層１１を形成した実施の形態を示したものである。 FIG. 6 shows that the Cu layer 11 is formed as an example of the antioxidant metal layer on the lower surface of the Al layer 9 of the connection metal layer 5 composed of the Zn layer 8 and the Al layer 9 in the embodiment described in FIG. Embodiments are shown.
この図６に示す実施の形態においては、Ａｌ層９の下面に、酸化防止金属層としてＣｕ層１１を形成することで、Ａｌ層９が、接続金属層５を構成するのと同時に拡散抑制層としての機能も発揮するものである。 In the embodiment shown in FIG. 6, by forming a Cu layer 11 as an anti-oxidation metal layer on the lower surface of the Al layer 9, a diffusion suppression layer is formed simultaneously with the Al layer 9 constituting the connection metal layer 5. As a function,
Ｚｎ層８、Ａｌ層９、Ｃｕ層１１の厚さの比は、例えばＺｎ９：Ａｌ１．５：Ｃｕ０．１などが好適である。このような比にすることで、Ｚｎ−６Ａｌ共晶（融点３８２℃）にＣｕが僅かに添加された組成となる。この比をそのまま厚さとすると、例えば、Ｚｎ９μｍ、Ａｌ１．５μｍ、Ｃｕ０．１μｍになり、トータルの厚さが１０．６μｍの接続金属層５となる。 The thickness ratio of the Zn layer 8, Al layer 9, and Cu layer 11 is preferably, for example, Zn9: Al1.5: Cu0.1. By setting it as such a ratio, it will become the composition which added Cu slightly to Zn-6Al eutectic (melting | fusing point 382 degreeC). If this ratio is taken as it is, it becomes, for example, Zn 9 μm, Al 1.5 μm, Cu 0.1 μm, and the connection metal layer 5 having a total thickness of 10.6 μm.
このような構成とすることで、Ａｌ層がＺｎの拡散を抑制し、Ｃｕ層による酸化抑制効果を長期間得ることができる。 With such a configuration, the Al layer can suppress the diffusion of Zn, and the effect of suppressing the oxidation by the Cu layer can be obtained for a long time.
また、図３で説明した実施の形態の接続金属層５では、その下面にＺｎ層８が、図４で説明した実施の形態の接続金属層５では、その下面にＺｎ−Ａｌ合金層１０が形成され、これら層に酸化防止金属層であるＣｕ層１１を直接形成するとＺｎがＣｕ層１１に拡散してしまう。 Further, in the connection metal layer 5 of the embodiment described with reference to FIG. 3, the Zn layer 8 is formed on the lower surface thereof, and in the connection metal layer 5 of the embodiment described with reference to FIG. 4, the Zn—Al alloy layer 10 is formed on the lower surface thereof. When the Cu layer 11 that is an antioxidant metal layer is directly formed on these layers, Zn diffuses into the Cu layer 11.
そこで、図４で説明した実施の形態において、酸化防止金属層を形成する場合には、図７に示すように、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０の表面に、拡散防止層としてのＡｌ層９、酸化防止金属層の一例としてＣｕ層１１を形成することが好ましい。 Therefore, in the embodiment described with reference to FIG. 4, when the antioxidant metal layer is formed, as shown in FIG. 7, the Al layer 9 as the diffusion preventing layer, the oxidation layer is formed on the surface of the Zn—Al alloy layer 10. It is preferable to form the Cu layer 11 as an example of the prevention metal layer.
接続金属層５の厚さは数μｍ〜１０μｍ程度が好適である。Ｚｎ−Ａｌ合金層１０の組成を、例えばＺｎ−５Ａｌにしておき、拡散防止層としてのＡｌ層９の厚さは、ちょうど接続金属層５の平均組成がＺｎ−６Ａｌとなるような厚さを選択することで、全体を共晶近傍の組成とすることができる。 The thickness of the connection metal layer 5 is preferably about several μm to 10 μm. The composition of the Zn—Al alloy layer 10 is set to, for example, Zn-5Al, and the thickness of the Al layer 9 as the diffusion preventing layer is just such that the average composition of the connecting metal layer 5 is Zn-6Al. By selecting, the whole can be made a composition near the eutectic.
また酸化防止金属層であるＣｕ層１１の厚さは、０．１μｍなどが好適である。 The thickness of the Cu layer 11 that is an antioxidant metal layer is preferably 0.1 μm or the like.
なお、すべての実施の形態で、原理的には、ＺｎやＡｌを厚く形成し、それに伴い酸化防止金属層を厚くして酸化を防止することができるが、本発明では、酸化防止金属層の厚さの上限を１０μｍ、接続金属層の厚さの上限を２０μｍとする。 In all of the embodiments, in principle, Zn or Al can be formed thick, and the antioxidant metal layer can be increased accordingly to prevent oxidation. The upper limit of the thickness is 10 μm, and the upper limit of the thickness of the connection metal layer is 20 μm.
その理由は、極端に厚いはんだ材を形成するのは不経済であること、あまりに厚い接続金属層では、はみ出してショートする可能性が高くなるためである。 The reason for this is that it is uneconomical to form an extremely thick solder material, and if the connection metal layer is too thick, there is a high possibility of protruding and short-circuiting.
次に、接続金属層、酸化防止金属層の各層厚と組成比の具体例を表１に示す。 Next, Table 1 shows specific examples of the thicknesses and composition ratios of the connection metal layer and the antioxidant metal layer.
表１において、比較例１、２は、純Ｚｎで層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成したもの、実施例１、２は、Ｚｎ−１０Ａｌ合金で層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成したもの、比較例３、４は、比較例１、２の接続金属層に酸化防止金属層としてＣｕ層を、層厚０．０５μｍ、０．１０μｍにそれぞれ形成したもの、実施例３、４は、Ｚｎ−６Ａｌ合金で、層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成し、さらにＣｕ層を、層厚０．０５μｍ、０．１μｍにそれぞれ形成したもの、実施例５、６は、純Ｚｎで層厚を、それぞれ４．５μｍ、９μｍにし、そのＺｎ層の表面上にＡｌ層を、それぞれ０．７５μｍ、１．５μｍにして積層してＺｎ／Ａｌ積層体からなる接続金属層を形成し、さらにＣｕ層を、層厚０．０５μｍ、０．１μｍに、それぞれ形成したものである。 In Table 1, Comparative Examples 1 and 2 are pure Zn layers having a thickness of 5 μm and 10 μm, respectively, and a connection metal layer is formed. Examples 1 and 2 are Zn-10Al alloys with a layer thickness of 5 μm. In Comparative Examples 3 and 4, Cu layers were formed as anti-oxidation metal layers on the connection metal layers of Comparative Examples 1 and 2 to a thickness of 0.05 μm and 0.10 μm, respectively. In Examples 3 and 4, a Zn-6Al alloy was used to form a connection metal layer with a layer thickness of 5 μm and 10 μm, respectively, and a Cu layer was formed to a thickness of 0.05 μm and 0.1 μm, respectively. In Examples 5 and 6, the layer thickness of pure Zn was 4.5 μm and 9 μm, respectively, and an Al layer was laminated on the surface of the Zn layer with a thickness of 0.75 μm and 1.5 μm, respectively. / A connection metal layer made of an Al laminate is formed, Further, Cu layers are formed to have a thickness of 0.05 μm and 0.1 μm, respectively.
比較例１、２は、純Ｚｎで接続金属層が形成されているため、Ａｌと同様に酸化膜が形成されやすく、また比較例３、４は、酸化防止金属層のＣｕを形成しても、ＣｕにＺｎが拡散してしまい、酸化膜が形成されやすい。 In Comparative Examples 1 and 2, since the connection metal layer is formed of pure Zn, an oxide film is likely to be formed like Al, and in Comparative Examples 3 and 4, Cu of the antioxidant metal layer is formed. Zn diffuses into Cu, and an oxide film is easily formed.
これに対して、実施例１、２は、Ｚｎ−１０Ａｌ合金で層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成しており、また実施例３、４は、Ｚｎ−６Ａｌ合金からなる接続金属層にＣｕ層からなる酸化防止金属層を形成したものであり、リードフレームとの濡れ性がよい。 On the other hand, in Examples 1 and 2, a connection metal layer is formed with a Zn-10Al alloy with a layer thickness of 5 μm and 10 μm, respectively, and Examples 3 and 4 are made of a Zn-6Al alloy. An anti-oxidation metal layer made of a Cu layer is formed on the connection metal layer and has good wettability with the lead frame.
ここで、最も濡れ性に優れるのは、実施例５、６の構成である。 Here, the configurations of Examples 5 and 6 have the best wettability.
ここでは実施例６を具体的な例として説明する。 Here, Example 6 will be described as a specific example.
実施例６は、層厚が１０．６μｍとなるので、メタルマスクを用いた方が作製しやすい。具体的には、メタルマスクをデバイス、電極を形成したＳｉウェハからなる半導体材料の表面上に治具を用いて固定し、その治具をスパッタ装置、あるいは蒸着装置にセットする。そして、Ｚｎを９μｍ、Ａｌを１．５μｍ、Ｃｕを０．１μｍで成膜して接続材料付きの半導体素子を形成する。 In Example 6, since the layer thickness is 10.6 μm, it is easier to manufacture using a metal mask. Specifically, a metal mask is fixed on the surface of a semiconductor material made of a Si wafer on which devices and electrodes are formed using a jig, and the jig is set in a sputtering apparatus or a vapor deposition apparatus. Then, a semiconductor element with a connection material is formed by forming a film of Zn of 9 μm, Al of 1.5 μm, and Cu of 0.1 μm.
治具から半導体素子を取り出し、ダイシングした後、各半導体素子は、ダイボンド装置でダイシングテープからピックアップされて、３９０℃などに加熱されたリードフレームに押し付けられて、接続金属層が溶融してリードフレームに接続される。 After the semiconductor element is taken out from the jig and diced, each semiconductor element is picked up from the dicing tape by a die bonding apparatus and pressed against a lead frame heated to 390 ° C. or the like, and the connecting metal layer is melted to lead the lead frame. Connected to.
上記に述べた構成が最適である理由を述べる。 The reason why the configuration described above is optimal will be described.
まず、酸化防止金属層としては最も低価格なＣｕが好適である。Ｃｕは酸化するが、一般的に半導体素子は還元雰囲気中で接続されるため、Ｃｕの酸化は問題とならない。 First, the most inexpensive Cu is suitable as the antioxidant metal layer. Although Cu oxidizes, since the semiconductor element is generally connected in a reducing atmosphere, the oxidation of Cu is not a problem.
Ｚｎ／Ａｌ積層体のＡｌ層は拡散抑制層としての機能も果たすと同時に、Ｚｎと共晶して溶解する、接続金属層としての一成分でもある。したがって、固体状態では拡散を抑制し、溶融するときには、溶解性に優れる。接続金属層の全体の厚さについては、数μｍで接合は可能であるが、薄くなるほど、半導体素子を強い力で押し付ける必要がある。１０μｍ程度の厚さがあれば、比較的小さい力の押し付けで接続できる。 The Al layer of the Zn / Al laminated body serves as a diffusion suppressing layer, and at the same time is a component as a connecting metal layer that dissolves by eutectic with Zn. Therefore, diffusion is suppressed in the solid state, and when melted, the solubility is excellent. As for the total thickness of the connecting metal layer, bonding can be performed with a few μm, but the thinner the semiconductor element, the stronger it is necessary to press the semiconductor element. If it has a thickness of about 10 μm, it can be connected with a relatively small force.
Ｃｕ以外の酸化防止金属層として、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどを用いることができる。これらの金属はＣｕよりも値段が高い傾向があり、高コストとなるが、厚さを薄くすれば、コスト的に問題なく使用できる。 As the antioxidant metal layer other than Cu, Au, Ag, Ni, Pt, Pd, or the like can be used. These metals tend to be more expensive than Cu and are expensive, but if the thickness is reduced, they can be used without cost problems.
また、拡散抑制層として、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗなどを用いることができる。これらの金属は、高融点な金属であり、溶融しにくいが、これらの金属を用いる場合は、厚さを薄くして用いれば容易に溶融できる。 Moreover, Cr, Ti, W, etc. can be used as a diffusion suppression layer. These metals are metals having a high melting point and are not easily melted. However, when these metals are used, they can be easily melted by using a thin thickness.
１ 半導体材料
２ コレクタ電極（金属層）
５ 接続金属層
1 Semiconductor material 2 Collector electrode (metal layer)
5 Connection metal layer
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