JP6493161B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、裏面電極にNi層を有する半導体素子が、Zn−Al系はんだを介してリードフレームに接合された半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element having a Ni layer on a back electrode is bonded to a lead frame via a Zn—Al solder.
従来から、裏面電極にNi層を有する半導体素子を、Zn−Al系はんだを介してリードフレームに接合した半導体装置の製造方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。半導体装置を製造する際には、裏面電極のNi層とリードフレームとの間に、Zn−Al系はんだを配置し、リフロー接合により半導体素子とリードフレームとを接合する。なお、裏面電極は、半導体素子の表面から順に、Al−Si層、Ti層、およびNi層が順次積層された層である。 Conventionally, a method of manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element having a Ni layer on a back electrode is joined to a lead frame via a Zn—Al solder has been proposed (see, for example, Patent Document 1). When manufacturing a semiconductor device, Zn—Al based solder is disposed between the Ni layer of the back electrode and the lead frame, and the semiconductor element and the lead frame are joined by reflow bonding. Note that the back electrode is a layer in which an Al—Si layer, a Ti layer, and a Ni layer are sequentially stacked from the surface of the semiconductor element.
これにより、半導体素子の裏面電極と、Zn−Al系はんだとの間には、Ni層とZn−Al系はんだの成分のAlとによりAl−Ni合金層が生成され、半導体素子とリードフレームとの接合性を高めることができる。 As a result, an Al—Ni alloy layer is generated between the back electrode of the semiconductor element and the Zn—Al based solder by the Ni layer and Al of the component of the Zn—Al based solder. It is possible to improve the bondability.
しかしながら、特許文献1に示す製造方法では、接合時に裏面電極のNi層が、Al−Ni合金層の生成により消費されるため、接合後の裏面電極のNi層が薄くなる。このNi層が薄過ぎると、裏面電極のNi層が半導体素子側で(具体的にはNi層とTi層の間で)剥離するおそれがある。
However, in the manufacturing method shown in
さらに、半導体素子とZn−Al系はんだとの熱膨張差は、Zn−Al系はんだとリードフレームとの熱膨張差よりも大きい。このため、接合時に、半導体素子(裏面電極のNi層)とZn−Al系はんだとの界面において、Zn−Ni合金が生成された場合、半導体装置の使用時には、半導体素子とZn−Al系はんだとの界面でクラックが発生することがあった。 Furthermore, the thermal expansion difference between the semiconductor element and the Zn—Al solder is larger than the thermal expansion difference between the Zn—Al solder and the lead frame. Therefore, when a Zn—Ni alloy is generated at the interface between the semiconductor element (the Ni layer of the back electrode) and the Zn—Al solder at the time of joining, the semiconductor element and the Zn—Al solder are used when the semiconductor device is used. Cracks may occur at the interface.
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体素子の裏面電極の剥離を抑え、半導体装置の使用時に、半導体素子とZn−Al系はんだの界面のクラックの発生を抑えることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to suppress the peeling of the back electrode of the semiconductor element, and to use the interface between the semiconductor element and the Zn-Al solder when the semiconductor device is used. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can suppress the occurrence of cracks.
前記課題を鑑みて、本発明に係る半導体装置の製造方法は、裏面電極にNi層を有する半導体素子を、Zn−Al系はんだを介してリードフレームに接合した半導体装置の製造方法であって、前記裏面電極と前記リードフレームとの間に、前記Zn−Al系はんだを配置し、接合温度が391〜419℃の範囲であり、かつ、以下の不等式を満たすように、前記半導体素子と前記リードフレームとを接合することを特徴とする。
0.2≦N−〔0.000118×exp(−147170/RT)〕1/2×106×(t)1/2≦0.7
ただし、N:接合前の裏面電極のNi層の厚さ(μm)、
R:気体の状態定数(8.31J/mol・K)、
T:接合温度(K)、
t:接合温度保持時間(秒)。
In view of the above problems, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element having a Ni layer on a back electrode is joined to a lead frame via a Zn-Al solder, The Zn—Al based solder is disposed between the back electrode and the lead frame, the semiconductor element and the lead are arranged so that the junction temperature is in the range of 391 to 419 ° C. and the following inequality is satisfied. It is characterized by joining the frame.
0.2 ≦ N− [0.000118 × exp (−147170 / RT)] 1/2 × 10 6 × (t) 1/2 ≦ 0.7
Where N is the thickness (μm) of the Ni layer of the back electrode before bonding,
R: gas state constant (8.31 J / mol · K),
T: Junction temperature (K),
t: Bonding temperature holding time (seconds).
本発明によれば、上述した不等式を満たすように、半導体素子とリードフレームの接合時に半導体素子の裏面電極のNi層が、Al−Ni合金の生成により消費されても、裏面電極のNi層の厚さを最適な厚さ(具体的には0.2〜0.7μm)に確保することができる。これにより、半導体装置の製造時に、裏面電極(Ni層)の剥離を回避することができるとともに、半導体装置の使用時に、半導体素子とZn−Al系はんだの界面のクラックの発生を抑えることができる。 According to the present invention, even if the Ni layer of the back electrode of the semiconductor element is consumed by the formation of the Al—Ni alloy at the time of joining the semiconductor element and the lead frame so as to satisfy the above inequality, The thickness can be ensured to an optimum thickness (specifically, 0.2 to 0.7 μm). As a result, peeling of the back electrode (Ni layer) can be avoided during manufacture of the semiconductor device, and occurrence of cracks at the interface between the semiconductor element and the Zn—Al solder can be suppressed during use of the semiconductor device. .
以下の本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を以下に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置1の模式的断面図であり、図2(a)は、Zn−Al系はんだに接合する前の半導体素子10の裏面電極15近傍の状態を示しており、図2(b)は、Zn−Al系はんだに接合した後の半導体素子10の裏面電極15近傍の状態を示した図である。
A method for manufacturing a semiconductor device according to embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置1は、銅基板等のリードフレーム11,17に、半導体素子10を搭載した装置であり、これらは、樹脂19により一体的にモールド成形されている。
As shown in FIG. 1, a
半導体素子10は、その表面側では、Niメッキされたターミナル13に、Zn−Al系はんだ14を介して接合されており、その裏面側では、後述する半導体素子10の裏面電極15(図2参照)が、Zn−Al系はんだ16を介してリードフレーム17に接合されている。さらに、半導体素子10はワイヤ18に接続されている。さらにターミナル13は、Zn−Al系はんだ12を介してリードフレーム11に接合されている。
The
リードフレーム11,17およびターミナル13は、銅を母材として、その表面にNi層が形成されている。Ni層は、メッキまたはスパッタリング等により形成される。さらに、Ni層の表面には、Cu、Ag、Au、Pt、またはPdの薄膜が形成されていてもよい。このような薄膜を形成することにより、リードフレームに対する後述するZn−Al系はんだの濡れ性を高めることができ、接合時には、薄膜を構成する金属は、はんだに拡散し、薄膜は略消滅する。
The
図2(a)に示すように、半導体素子10の半導体素子本体10aの裏面には、裏面電極15が形成されている。半導体素子本体10aは、Si素子、またはSiC、GaNなどのワイドギャップ半導体素子などを挙げることができる。
As shown in FIG. 2A, a
裏面電極15は、裏面側から順に第1層15b〜第4層15eを積層した電極である。第1層15bは、Al,Al−Si,Ni−Siなどからなる層である。第2層15cは、Tiからなる層である。第3層15dは、NiまたはNi−Pからなる層であり、本発明でいう「Ni層」に相当する。第4層15eは、Cu、Ag、Au、Pt、またはPdからなる層であり、Zn−Al系はんだと接合する際には、Zn−Al系はんだに拡散し、消滅する。
The
半導体装置1を製造する際には、半導体素子10の裏面電極15とリードフレーム17との間に、Zn−Al系はんだ16を配置し、Zn−Al系はんだ16を加熱して溶融し、Zn−Al系はんだ16を介して、半導体素子10とリードフレーム17とを接合する。
When manufacturing the
この際、接合温度を391〜419℃の範囲にして、半導体素子10とリードフレーム17とを接合する。これにより、図2(b)に示すように、第4層15eが消滅するとともに、第3層15d(Ni層)のNiとZn−Al系はんだ16のAlにより、半導体素子10の第3層15dとZn−Al系はんだ16との間に、Al3Ni2からなるAl−Ni合金層15fが形成される。ここで、接合温度が391℃未満である場合には、はんだが溶融しないため、Al−Ni合金層15fが形成されず、接合温度が419℃を超えた場合には、ZnとNiの共存下で液相となるため、Zn中へのNiの拡散速度が大きくなり、Zn−Ni合金が形成されやすい。
At this time, the
この接合温度の条件を前提に、以下の不等式を満たすように半導体素子10とリードフレーム17とを接合する。
0.2≦N−〔0.000118×exp(−147170/RT)〕1/2×106×(t)1/2≦0.7
ただし、N:接合前の裏面電極の第3層(Ni層)の厚さ(μm)、
R:気体の状態定数(8.31J/mol・K)、
T:接合温度(K)、
t:接合温度保持時間。
On the premise of this bonding temperature condition, the
0.2 ≦ N− [0.000118 × exp (−147170 / RT)] 1/2 × 10 6 × (t) 1/2 ≦ 0.7
Where N is the thickness (μm) of the third layer (Ni layer) of the back electrode before bonding,
R: gas state constant (8.31 J / mol · K),
T: Junction temperature (K),
t: Bonding temperature holding time.
この式の上限値(0.7)および下限値(0.2)は、接合後の半導体素子10の裏面電極15の第3層(Ni層)15dの厚さ(μm)を意味し、数式:〔0.000118×exp(−147170/RT)〕1/2×106×(t)1/2は、接合時におけるNi層の消費量(厚さ(μm))を意味する。したがって、数式:N−〔0.000118×exp(−147170/RT)〕1/2×106×(t)1/2は、接合後に残存する、裏面電極15のNi層の厚さのことである。
The upper limit value (0.7) and the lower limit value (0.2) of this equation mean the thickness (μm) of the third layer (Ni layer) 15d of the
上述した不等式を満たすように、半導体素子10とリードフレーム17の接合時に半導体素子10の裏面電極15の第3層(Ni層)15dが、Al−Ni合金の生成により消費されても、裏面電極15の第3層(Ni層)15dの厚さを最適な厚さ(具体的には0.2〜0.7μm)に確保することができる。
Even if the third layer (Ni layer) 15d of the
これにより、半導体装置1の製造時に、裏面電極15の第3層(Ni層)15dの剥離を回避することができるとともに、半導体装置1の使用時に、半導体素子10とZn−Al系はんだ16の界面のクラックの発生を抑えることができる。また、接合前のZn−Al系はんだのAlの含有率は、4〜6質量%の範囲にあることが好ましく、接合後のZn−Al系はんだのAlの含有率は、3〜5質量%の範囲にあることが好ましい。接合前のAlの含有率が4質量%未満になると、Zn−Al系はんだの融点が増加し、接合前のAlの含有率が6質量%を超えると、Zn−Al系はんだの表面のAlが酸化する割合が増加して、Zn−Al系はんだのボイド発生率が増加することがある。
Thereby, peeling of the 3rd layer (Ni layer) 15d of the
〔確認試験1:裏面電極のNi層の最適厚さ〕
半導体素子本体の裏面に、第1層に相当するAl−Si層、第2層に相当するTi層、第3層に相当するNi層(厚さ0.1μm、0.4μm、0.7μm、1.0μm、1.5μm、2.0μm、または3.0μm)、第4層に相当するAu層(0.1μm)の順に、積層し、裏面電極を形成した。その後、目視で、裏面電極の状態を確認した。
[Confirmation test 1: Optimal thickness of Ni layer on back electrode]
On the back surface of the semiconductor element body, an Al—Si layer corresponding to the first layer, a Ti layer corresponding to the second layer, a Ni layer corresponding to the third layer (thickness 0.1 μm, 0.4 μm, 0.7 μm, 1.0 μm, 1.5 μm, 2.0 μm, or 3.0 μm) and an Au layer (0.1 μm) corresponding to the fourth layer were laminated in this order to form a back electrode. Then, the state of the back electrode was confirmed visually.
この結果、Ni層が1.0μm以上となる裏面電極は、半導体素子本体から剥離していることがわかった。これは、Ni層を厚くすることにより、裏面電極が半導体素子本体から剥離する方向に応力が作用しているからであると考えられる。この結果、半導体素子の裏面電極のNi層の最適厚さは、0.7μm以下である。 As a result, it was found that the back electrode having a Ni layer of 1.0 μm or more was peeled from the semiconductor element body. This is presumably because stress is acting in the direction in which the back electrode is peeled off from the semiconductor element body by increasing the thickness of the Ni layer. As a result, the optimum thickness of the Ni layer on the back electrode of the semiconductor element is 0.7 μm or less.
〔確認試験2:裏面電極のNi層の上限の厚さ(Zn−Ni合金生成の観点から)〕
確認試験1と同様の構成の裏面電極のNi層の厚さが、0.1μm、0.4μm、0.7μm、1.0μm、1.5μm、2.0μm、3.0μmの半導体素子を準備した。これらの半導体素子の裏面電極のNi層とリードフレームとの間に、Zn−Al系はんだを配置した。次に、不活性ガス雰囲気下(水素ガス10体積%、窒素ガス90体積%)、接合温度400℃、接合時間90秒で、Zn−Al系はんだを介して、半導体素子とリードフレームとを接合し、接合試験片を作製した。得られた接合試験片のNi層とZn−Al系はんだとの界面にZn−Ni合金の生成の有無を確認した。この結果を表1に示す。
[Confirmation test 2: Upper limit thickness of Ni layer of back electrode (from the viewpoint of Zn-Ni alloy formation)]
Prepared are semiconductor elements having a Ni layer thickness of 0.1 μm, 0.4 μm, 0.7 μm, 1.0 μm, 1.5 μm, 2.0 μm, and 3.0 μm on the back electrode having the same configuration as that in
以上のことから、半導体素子の裏面電極のNi層の厚さが、0.7μm以下であれば、Zn−Ni合金の生成が抑えられる。Ni層のNiの熱伝導率は、半導体素子のSiおよびZn−Al系はんだのZn−Al合金の熱伝導率よりも小さいため、Ni層の厚さが増加するにつれて、接合界面の熱伝導性が低下する。このため、Ni層の厚さが1.0μm以上のものは、局部的に温度が高くなり(Zn−Ni合金の生成開始温度(419℃)以上となり)、Zn−Ni合金が生成されたと考えられる。したがって、Zn−Ni合金が生成された接合試験片は、クラックが発生しやすいと考えられる。 From the above, when the thickness of the Ni layer on the back electrode of the semiconductor element is 0.7 μm or less, the formation of Zn—Ni alloy can be suppressed. Since the thermal conductivity of Ni in the Ni layer is smaller than the thermal conductivity of the semiconductor element Si and Zn—Al alloy of the Zn—Al solder, the thermal conductivity of the bonding interface increases as the Ni layer thickness increases. Decreases. For this reason, when the thickness of the Ni layer is 1.0 μm or more, the temperature locally increases (becomes higher than the formation start temperature of the Zn—Ni alloy (419 ° C.)), and it is considered that the Zn—Ni alloy was produced. It is done. Therefore, it is considered that the bonding test piece in which the Zn—Ni alloy is generated is likely to crack.
〔確認試験3:接合条件の最適範囲〕
(1)Ni層厚さ0.1μmの場合
確認試験1に示す裏面電極のNi層が、0.1μmの半導体素子のNo.1〜9の半導体素子を9個準備した。そして、裏面電極とリードフレームとの間に、Zn−Al系はんだを配置し、不活性ガス雰囲気下(水素ガス10体積%、窒素ガス90体積%)、接合温度415℃、接合温度保持時間90秒のリフロー接合条件で、半導体素子とリードフレームとをリフロー接合し、No.1〜9の接合試験片を作製した。得られた半導体素子の裏面電極のNi層の厚さ(残存する厚さ)と、Ni層とZn−Al系はんだとの界面に形成されたAl−Ni合金層の厚さを測定した。この結果を表2および図3に示す。表2の結果から明らかなように、すべての接合試験片で、裏面電極がZn−Al系はんだから剥離していた。なお、同じ条件で接合しても、Al−Ni合金層(金属間化合物層)は、3次元に成長するため、Ni層の厚さと、Al−Ni合金層の厚さとの関係には、バラツキが生じている。
[Confirmation test 3: Optimum range of joining conditions]
(1) When Ni layer thickness is 0.1 μm The Ni layer of the back electrode shown in
(2)Ni層厚さ0.4μmの場合
(2−1)接合温度415℃、接合温度保持時間90秒の場合
確認試験1に示す裏面電極のNi層が、0.4μmの半導体素子のNo.10〜44の半導体素子を35個準備した。そして、裏面電極とリードフレームとの間に、Zn−Al系はんだを配置し、不活性ガス雰囲気下(水素ガス10体積%、窒素ガス90体積%)、接合温度415℃、接合温度保持時間90秒のリフロー接合条件で、半導体素子とリードフレームとをリフロー接合し、No.10〜44の接合試験片を作製した。得られた半導体素子の裏面電極のNi層の厚さと、Ni層とZn−Al系はんだとの界面に形成されたAl−Ni合金層の厚さを測定した。この結果を表3および図4(a)に示す。表3の結果から明らかなように、すべての接合試験片で、裏面電極の剥離は無かった。
(2) When Ni layer thickness is 0.4 μm (2-1) When the junction temperature is 415 ° C. and the junction temperature holding time is 90 seconds, the Ni layer of the back electrode shown in
(2−2)接合温度415℃、接合温度保持時間180秒の場合
確認試験1に示す裏面電極のNi層が、0.4μmの半導体素子のNo.45〜65の半導体素子を21個準備した。そして、裏面電極とリードフレームとの間に、Zn−Al系はんだを配置し、不活性ガス雰囲気下(水素ガス10体積%、窒素ガス90体積%)、接合温度415℃、接合温度保持時間180秒のリフロー接合条件で、半導体素子とリードフレームとをリフロー接合し、No.45〜65の接合試験片を作製した。得られた半導体素子の裏面電極のNi層の厚さと、Ni層とZn−Al系はんだとの界面に形成されたAl−Ni合金層の厚さを測定した。この結果を表4および図4(b)に示す。表4の結果から明らかなように、すべての接合試験片で、裏面電極がZn−Al系はんだから剥離していた。
(2-2) In the case where the bonding temperature is 415 ° C. and the bonding temperature holding time is 180 seconds, the Ni layer of the back electrode shown in
(3)Ni層厚さ0.7μmの場合
(3−1)接合温度400〜415℃、接合温度保持時間15〜450秒の場合
確認試験1に示す裏面電極のNi層が、0.7μmの半導体素子のNo.66〜80の半導体素子を15個準備した。そして、裏面電極とリードフレームとの間に、Zn−Al系はんだを配置し、不活性ガス雰囲気下(水素ガス10体積%、窒素ガス90体積%)、接合温度400〜415℃、接合温度保持時間15〜450秒の表5に示すリフロー接合条件で、半導体素子とリードフレームとをリフロー接合し、No.66〜80の接合試験片を作製した。得られた半導体素子の裏面電極のNi層の厚さと、Ni層とZn−Al系はんだとの界面に形成されたAl−Ni合金層の厚さを測定した。この結果を表5および図5(a)に示す。表5の結果から明らかなように、すべての接合試験片で、裏面電極の剥離は無かった。
(3) When the Ni layer thickness is 0.7 μm (3-1) When the bonding temperature is 400 to 415 ° C. and the bonding temperature holding time is 15 to 450 seconds The Ni layer of the back electrode shown in
(3−2)接合温度415℃、接合温度保持時間90秒の場合
確認試験1に示す裏面電極のNi層が、0.7μmの半導体素子のNo.81〜111の半導体素子を31個準備した。そして、裏面電極とリードフレームとの間に、Zn−Al系はんだを配置し、不活性ガス雰囲気下(水素ガス10体積%、窒素ガス90体積%)、接合温度415℃、接合温度保持時間90秒のリフロー条件で、半導体素子とリードフレームとをリフロー接合し、No.81〜111の接合試験片を作製した。得られた半導体素子の裏面電極のNi層の厚さと、Ni層とZn−Al系はんだとの界面に形成されたAl−Ni合金層の厚さを測定した。この結果を表6および図5(b)に示す。表6の結果から明らかなように、すべての接合試験片で、裏面電極の剥離は無かった。
(3-2) When the junction temperature is 415 ° C. and the junction temperature holding time is 90 seconds, the Ni layer of the back electrode shown in the
(4)超音波接合の場合(Al−Ni合金層なしの場合)
確認試験1に示す裏面電極のNi層が、0.5μm,0.7μmの半導体素子のNo.112,113の半導体素子を2個準備した。そして、裏面電極とリードフレームとの間に、Zn−Al系はんだを配置し、室温で10秒間超音波振動を印加して、半導体素子とリードフレームとを接合した。これにより、Al−Ni合金層(層厚み0μm)が形成されていないNo.112,113の接合試験片を作製した。
(4) For ultrasonic bonding (without Al-Ni alloy layer)
The Ni layer of the back electrode shown in
得られた接合試験片を350℃に加熱して、接合試験片に熱応力を付与した。この結果、表7に示すように、Al−Ni合金層(層厚み0μm)が形成されていない接合試験片では、半導体素子の裏面電極のNi層とZn−Al系はんだとの界面で剥離が確認された。 The obtained joining test piece was heated to 350 ° C., and thermal stress was applied to the joining test piece. As a result, as shown in Table 7, in the joining test piece in which the Al—Ni alloy layer (layer thickness: 0 μm) is not formed, peeling occurs at the interface between the Ni layer on the back electrode of the semiconductor element and the Zn—Al based solder. confirmed.
なお、No.10〜44、No.66〜111の接合試験片のうち、接合後に、0.1〜1.7μmの範囲の厚さのAl−Ni合金層が形成された接合試験片に対して、350℃に加熱して、接合試験片に熱応力を付与した。しかしながら、半導体素子の裏面電極の剥離は無かった。したがって、接合後は、少なくとも、0.1μmのAl−Ni(Al3Ni2)合金層が存在することが好ましい。 In addition, No. 10-44, no. Among the joining test pieces of 66 to 111, after joining, the joining test piece on which an Al—Ni alloy layer having a thickness in the range of 0.1 to 1.7 μm was formed was heated to 350 ° C. and joined. Thermal stress was applied to the test piece. However, there was no peeling of the back electrode of the semiconductor element. Therefore, it is preferable that at least a 0.1 μm Al—Ni (Al 3 Ni 2 ) alloy layer exists after bonding.
図6は、確認試験3の(1)〜(4)に示す、すべての接合試験片のNi層の厚さとAl−Ni合金層の厚さの関係を示した図である。なお、図6に示す○印は、剥離無し、×印は隔離有りを示している。図6に示すように、接合後の裏面電極のNi層の厚さが0.2〜0.7μmの範囲で、裏面電極のNi層の剥離が少ない傾向にあり、接合後の裏面電極のNi層の厚さが0.2μm未満である場合には、裏面電極のNi層の剥離が多いと言える。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the thickness of the Ni layer and the thickness of the Al—Ni alloy layer of all the joining test pieces shown in (1) to (4) of
そこで、これらの試験結果には、バラツキがあるため、統計解析手法である応答曲面法で、接合温度の保持時間とNi層の消費量との関係を統計解析した。この結果を図7に示す。図7は、接合温度の(保持時間)(1/2)と接合時のNi層の消費量との関係を示した図である。なお、Ni層の消費量は、接合前のNi層の厚さから接合後のNi層の厚さを差し引いた値である。次に、図7に示す、接合温度400℃、407℃、415℃の3つの温度におけるグラフの傾きから、Ni層の消費速度を算出した。この結果を、表8に示す。 Therefore, since these test results have variations, the response surface method, which is a statistical analysis method, was used to statistically analyze the relationship between the holding time of the junction temperature and the consumption of the Ni layer. The result is shown in FIG. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the (holding time) (1/2) of the junction temperature and the consumption of the Ni layer at the time of joining. The consumption amount of the Ni layer is a value obtained by subtracting the thickness of the Ni layer after bonding from the thickness of the Ni layer before bonding. Next, the consumption rate of the Ni layer was calculated from the slopes of the graphs at three temperatures of 400 ° C., 407 ° C., and 415 ° C. shown in FIG. The results are shown in Table 8.
ここで、一般に、Ni層の消費量は、以下に示す、温度と時間の関数を用いたアレニウスの式で表すことができる。
k2=A・exp(−E/RT)
ただし、k:Ni層消費速度、A:定数、E:活性エネルギー(J/mol)、R:気体の状態定数8.31(J/mol・K)、T:接合温度(K)
この式の両辺で対数を取ると、
Ln(k2)=lnA−E/RT
となる。
Here, in general, the consumption amount of the Ni layer can be expressed by the Arrhenius equation using the function of temperature and time shown below.
k 2 = A · exp (−E / RT)
However, k: Ni layer consumption rate, A: constant, E: active energy (J / mol), R: gas state constant 8.31 (J / mol · K), T: junction temperature (K)
Taking the logarithm on both sides of this formula,
Ln (k 2) = lnA- E / RT
It becomes.
ここで、AおよびEを求めるため、表8に示す値から、図8に示すアレニウスプロットを実施した。なお、図8のY軸は、μmをmに変化してプロットしたものである。図8の結果から、E=147170J/mol、A=0.000118を得た。これにより、接合時のNi層の消費量は、〔0.000118×exp(−147170/RT)〕1/2×106×(t)1/2で表すことができる。ただし、R:気体の状態定数(8.31J/mol・K)、T:接合温度(K)、t:接合温度保持時間(秒)である。 Here, in order to obtain A and E, the Arrhenius plot shown in FIG. 8 was performed from the values shown in Table 8. The Y axis in FIG. 8 is plotted by changing μm to m. From the results of FIG. 8, E = 147170 J / mol and A = 0.000118 were obtained. Thereby, the consumption amount of the Ni layer at the time of joining can be represented by [0.000118 × exp (−147170 / RT)] 1/2 × 10 6 × (t) 1/2 . Where R: gas state constant (8.31 J / mol · K), T: junction temperature (K), and t: junction temperature holding time (seconds).
そして、図6より、接合後の裏面電極のNi層の厚さは、0.2〜0.7μmの範囲であればよいことから、
0.2≦N−〔0.000118×exp(−147170/RT)〕1/2×106×(t)1/2≦0.7(ただし、N:接合前の裏面電極のNi層の厚さ(μm))
ただし、N:接合前の裏面電極のNi層の厚さ(μm)、
R:気体の状態定数(8.31J/mol・K)、
T:接合温度(K)、
t:接合温度保持時間(秒)
の不等式の条件を満たせば、半導体素子の裏面電極の剥離を抑え、接合試験片の使用時に、半導体素子とZn−Al系はんだの界面のクラックの発生を抑えることができる、と考えられる。
And from FIG. 6, since the thickness of Ni layer of the back surface electrode after joining should just be the range of 0.2-0.7 micrometer,
0.2 ≦ N− [0.000118 × exp (−147170 / RT)] 1/2 × 10 6 × (t) 1/2 ≦ 0.7 (where N is the Ni layer of the back electrode before bonding) Thickness (μm))
Where N is the thickness (μm) of the Ni layer of the back electrode before bonding,
R: gas state constant (8.31 J / mol · K),
T: Junction temperature (K),
t: Bonding temperature holding time (seconds)
If the condition of the inequality is satisfied, it is considered that the peeling of the back electrode of the semiconductor element can be suppressed, and the occurrence of cracks at the interface between the semiconductor element and the Zn—Al solder can be suppressed when the bonding test piece is used.
〔確認試験4:接合後のZn−Al系はんだのAl量について〕
さらに、上述したNo.1〜111の半導体素子とリードフレームとを接合したZn−Al系はんだのAlの含有率を測定し、接合部分の断面をSEMにより観察した。接合後のZn-Al系はんだのAlの含有率が3質量%未満のものは、初晶Znの量が、それ以外のものに比べて多くなっていた。一方で、Alの含有率が5質量%以上の場合には、初晶Znが晶出していない、または、初晶Znがほとんど晶出していない。
[Confirmation test 4: Al content of Zn-Al solder after joining]
Furthermore, the above-mentioned No. The Al content of the Zn-Al solder in which the semiconductor elements 1-111 and the lead frame were joined was measured, and the cross section of the joined part was observed by SEM. When the Zn content in the Zn-Al solder after bonding was less than 3% by mass, the amount of primary Zn was higher than that of the other. On the other hand, when the Al content is 5% by mass or more, the primary Zn is not crystallized or the primary Zn is hardly crystallized.
そこで、初晶Znが晶出した場合(すなわち、3質量%≦Al含有率≦5質量%)と、初晶Znが晶出していない場合(Al含有率>5質量%)の接合試験片を作製し、−40℃〜250℃の温度サイクルを1サイクルとして、100サイクルで冷熱試験を行った。 Therefore, when the primary crystal Zn is crystallized (that is, 3% by mass ≦ Al content ≦ 5% by mass) and when the primary crystal Zn is not crystallized (Al content> 5% by mass) The sample was prepared, and a temperature test of -40 ° C to 250 ° C was taken as one cycle, and a thermal test was performed in 100 cycles.
その結果、図9に示すように、初晶Znが存在する方が、クラック長が小さく(クラック進展速度が小さく)、信頼性が高いことがわかった。なお、クラックは、半導体素子の裏面電極から30μm以内の位置で進展し易い。このため、接合後のZn−Al系はんだが3質量%≦Al含有率≦5質量%で、半導体素子の裏面電極から少なくとも30μm以内の位置で初晶Znを晶出させることが好ましい。 As a result, as shown in FIG. 9, it was found that the presence of primary crystal Zn had a small crack length (small crack growth rate) and high reliability. In addition, a crack is easy to progress in the position within 30 micrometers from the back surface electrode of a semiconductor element. For this reason, it is preferable to crystallize primary Zn at a position within 3 μm ≦ Al content ≦ 5% by mass and at least 30 μm from the back electrode of the semiconductor element.
以下に、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
(実施例1)
確認試験1に示す半導体素子を準備し、接合試験片を作製した。具体的には、Zn−Al系はんだによる接合後、Zn−Al系はんだがZn−xAl(3≦x≦5)となり、0.2≦N−〔0.000118×exp(−147170/RT)〕1/2×106×(t)1/2≦0.7の不等式の条件を満たすように作製した。すなわち、N=0.7μm、T=400℃、t=30秒の接合条件で、半導体素子とリードフレームを接合した。なお、数式の値は、0.585であり、0.2〜0.7の範囲内である。
Example 1
The semiconductor element shown in the
(実施例2)
実施例1と同じようにして、接合試験片を作製した。実施例1と相違する点は、Zn−Al系はんだによる接合後、Zn−Al系はんだがZn−xAl(x>5)となり、上述した不等式の条件を満たすように、半導体素子とリードフレームを接合した点である。すなわち、N=0.7μm、T=400℃、t=30秒の接合条件で、半導体素子とリードフレームを接合した。なお、数式の値は、0.585であり、0.2〜0.7の範囲内である。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, a joining test piece was produced. The difference from Example 1 is that after joining with Zn—Al solder, the Zn—Al solder becomes Zn—xAl (x> 5), and the semiconductor element and the lead frame are so arranged as to satisfy the above inequality condition. It is a joined point. That is, the semiconductor element and the lead frame were bonded under the bonding conditions of N = 0.7 μm, T = 400 ° C., and t = 30 seconds. In addition, the value of numerical formula is 0.585 and exists in the range of 0.2-0.7.
(比較例1)
実施例1と同じようにして、接合試験片を作製した。実施例1と相違する点は、上述した不等式の条件を満さないように、半導体素子とリードフレームを接合した点である。すなわち、N=0.7μm、T=415℃、t=450秒の接合条件で、半導体素子とリードフレームを接合した。なお、数式の値は、0.105であり、0.2〜0.7の範囲を外れている。なお、比較例1では、Zn−Al系はんだによる接合後、Zn−Al系はんだがZn−xAl(3≦x≦5)である点は同じである。
(Comparative Example 1)
In the same manner as in Example 1, a joining test piece was produced. The difference from the first embodiment is that the semiconductor element and the lead frame are joined so as not to satisfy the above inequality condition. That is, the semiconductor element and the lead frame were bonded under the bonding conditions of N = 0.7 μm, T = 415 ° C., and t = 450 seconds. Note that the value of the mathematical formula is 0.105, which is out of the range of 0.2 to 0.7. Note that Comparative Example 1 is the same in that the Zn—Al solder is Zn—xAl (3 ≦ x ≦ 5) after joining with the Zn—Al solder.
(比較例2)
実施例1と同じようにして、接合試験片を作製した。実施例1と相違する点は、Zn−Al系はんだによる接合後、Zn−Al系はんだがZn−xAl(x>5)となり、上述した不等式の条件を満さないように、半導体素子とリードフレームを接合した点である。すなわち、N=0.7μm、T=415℃、t=450秒の接合条件で、半導体素子とリードフレームを接合した。なお、上述した数式の値は、0.105であり、0.2〜0.7の範囲を外れている。
(Comparative Example 2)
In the same manner as in Example 1, a joining test piece was produced. The difference from Example 1 is that after bonding with Zn—Al solder, the Zn—Al solder becomes Zn—xAl (x> 5), and the semiconductor element and the lead are not satisfied so that the above inequality condition is not satisfied. This is the point where the frames are joined. That is, the semiconductor element and the lead frame were bonded under the bonding conditions of N = 0.7 μm, T = 415 ° C., and t = 450 seconds. In addition, the value of the numerical formula mentioned above is 0.105, and is outside the range of 0.2-0.7.
(評価試験と結果)
実施例1、2および比較例1、2の接合試験片に対して、−40℃〜250℃の温度サイクルを1サイクルとして、100サイクルで冷熱試験を行った。この結果、図10に示すように、実施例1の如く、Zn−Al系はんだがZn−xAl(3≦x≦5)となり、上述した不等式の条件を満たす接合試験片が、最も耐久性が高いことがわかった。
(Evaluation test and results)
With respect to the joining test pieces of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, a temperature test of −40 ° C. to 250 ° C. was taken as one cycle, and a cooling test was performed in 100 cycles. As a result, as shown in FIG. 10, the Zn—Al based solder becomes Zn—xAl (3 ≦ x ≦ 5) as in Example 1, and the joining test piece that satisfies the above inequality equation has the most durability. I found it expensive.
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。 Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the specific configuration is not limited to this embodiment, and even if there is a design change within a scope not departing from the gist of the present invention, they are not limited to this embodiment. It is included in the invention.
1:半導体装置、10:半導体素子、15:裏面電極、15d:第3層(Ni層)、16:Zn−Al系はんだ、17:リードフレーム。 1: Semiconductor device, 10: Semiconductor element, 15: Back electrode, 15d: Third layer (Ni layer), 16: Zn—Al solder, 17: Lead frame.
Claims (1)
前記裏面電極と前記リードフレームとの間に、前記Zn−Al系はんだを配置し、接合温度が391〜419℃の範囲であり、かつ、以下の不等式を満たすように、前記半導体素子と前記リードフレームとを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
0.2≦N−〔0.000118×exp(−147170/RT)〕1/2×106×(t)1/2≦0.7
ただし、N:接合前の裏面電極のNi層の厚さ(μm)、
R:気体の状態定数(8.31J/mol・K)、
T:接合温度(K)、
t:接合温度保持時間(秒)。 A method of manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element having a Ni layer on a back electrode is joined to a lead frame via a Zn-Al solder,
The Zn—Al based solder is disposed between the back electrode and the lead frame, the semiconductor element and the lead are arranged so that the junction temperature is in the range of 391 to 419 ° C. and the following inequality is satisfied. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising joining a frame.
0.2 ≦ N− [0.000118 × exp (−147170 / RT)] 1/2 × 10 6 × (t) 1/2 ≦ 0.7
Where N is the thickness (μm) of the Ni layer of the back electrode before bonding,
R: gas state constant (8.31 J / mol · K),
T: Junction temperature (K),
t: Bonding temperature holding time (seconds).
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