半導体装置およびその製造方法
【課題】 ダイボンディングにおいて鉛フリー半田を用いることができる。
【解決手段】 半導体チップ１とＣｕ合金製のダイパッド４との間に応力緩衝板８を配置し、半導体チップ１と応力緩衝板８とを、および応力緩衝板８とダイパッド４とを、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする鉛フリー半田の接合材１０，９で接合することにより、チップ割れを発生させることなく、鉛フリー半田を用いてダイボンディングを行うことができる。
【解決手段】 半導体チップ１とＣｕ合金製のダイパッド４との間に応力緩衝板８を配置し、半導体チップ１と応力緩衝板８とを、および応力緩衝板８とダイパッド４とを、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする鉛フリー半田の接合材１０，９で接合することにより、チップ割れを発生させることなく、鉛フリー半田を用いてダイボンディングを行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、半導体素子を固定する鉛フリー半田に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のダイボンディング用合金部材は、0.０５〜0.５ｍｍ厚さの純Ａｌ板あるいは４２アロイ材を基材とし、その両面に0.００５〜0.１ｍｍ厚さの接合用合金層を設けている。更には、上記接合用合金層として、４００℃以下の液相線温度を有し、２８０℃以上の固相線温度を有するＰｂを含まない合金か、もしくは２８０℃における液相の体積割合が１５％以下であるＰｂを含まない合金を用いている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１２７０７６号公報（第２−３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体装置のダイボンディングに適用可能な半田材の性質としては、以下の４つの項目が重要である。１つ目は、プロセス温度であり、４００℃以下でのダイボンディングが可能なことで、液相温度が４００℃以下であることや、リードフレーム材との濡れ性に優れていることが条件である。２つ目は、半導体装置を２次実装する時の２６０℃の加熱冷却に耐える耐熱性を有していることであり、固相温度が２７０℃以上であることが条件となる。３つ目は、ＳｉチップをＣｕ合金のダイパッドに接合した場合に熱膨張差に伴う熱歪を半田接合部が緩和して、熱応力によるＳｉチップの破損を防いでくれることである。４つ目は、半導体素子の発熱によって引き起こされる温度変動に対して半田接合部の熱疲労寿命が十分長いことである。
【０００４】
従来知られているＺｎＡｌＧｅ材やＺｎＡｌＭｇＧａ材などのＺｎＡｌ系半田材は、固相と液相の温度が３０９℃と３４７℃または３５９℃と３７５℃で、ダイボンディングの４００℃以下のプロセス温度や２６０℃の２次実装プロセス耐性を満足するが、半田材の熱膨張率が大きくしかも材質が硬くて弾性率や降伏強度が高いためチップに割れを生じてしまうとういう問題を抱えている。また、Ａｌが半田材の表面に強固な酸化膜を形成するため、ＮｉやＣｕ等のリードフレーム材に対して濡れ性が悪く、良好なダイボンディングができないという問題がある。
【０００５】
一方、ＳｎＳｂＡｇ（１５〜２０ｗｔ％）半田は、ダイボンディングのプロセス温度４００℃以下やダイボンディング性、熱応力によるチップ割れ防止を満足するが、液相温度：２８０℃〜３１５℃に対して固相温度が２５０℃と低いため、２６０℃の実装プロセスにおいて半田材が部分的に溶融し、その時封止材のレジンが熱膨張によってチップに剥離方向の外力を与えるために半田接合部に剥離を生じてしまうという問題がある。また、半導体素子の発熱に伴う温度変化を模擬した温度サイクル試験において、ＳｎＳｂ半田内に疲労による剥離割れが短期間に発生して素子の電気特性が急速に劣化するという温度サイクル信頼性の問題がある。また、ＳｎＳｂ（２０〜４０ｗｔ％）半田は、硬くてチップ割れを生じる点と固相温度が２５０℃のため２６０℃リフローに耐えられず、ＳｎＳｂ（４３ｗｔ％以上）半田は液相線が４００℃以上となり４００℃以下でのダイボンディングが難しいという問題がある。
【０００６】
なお、前記特許文献１（特開２００１−１２７０７６号公報）には、ＺｎＡｌ系、ＺｎＳｎ系、ＡｕＳｎ系およびＡｕＧｅ系などの接合用合金が開示されているが、Ｚｎ系合金は濡れ性が悪く、また、Ａｕ系合金はコストが高いことがそれぞれ問題である。
【０００７】
本発明の目的は、ダイボンディングにおいて鉛フリー半田を用いることができる技術を提供することにある。
【０００８】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１０】
すなわち、本発明は、半導体素子とダイパッドの間に応力緩衝手段を配置し、半導体素子と応力緩衝手段を、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−ＣｕまたはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする鉛フリー半田のいずれかで接合したものである。
【００１１】
また、本発明は、リードフレームのダイパッド上にペースト状または粒状からなる鉛フリー半田を供給して溶融させ、さらにＣｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝板を半田で固着し、その後、応力緩衝板の上にペースト状または粒状からなる鉛フリー半田を供給して溶融させ、さらに応力緩衝板上の半田上に半導体素子を配置してこの半田によって半導体素子を固着し、その後、半導体素子の電極とリードフレームのリードとを電気的に接続するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１３】
ダイボンディングにおいてチップ割れを防止しつつ、鉛フリー半田の適用を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００１５】
さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
【００１６】
また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１８】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態の半導体装置の内部構造の一例を封止体を透過して示す平面図、図２は図１に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の断面図、図３は本発明の実施の形態の半導体装置の組み立てに用いられるリードフレームの構造の一例を示す図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断した断面の部分断面図、図４は本発明の実施の形態の半導体装置の組み立て手順の一例を示す製造プロセスフロー図、図５は本発明の実施の形態の半導体装置に組み込まれる応力緩衝板と半田をパラメータとした半導体装置の評価結果の一例を示す結果データ図、図６は本発明の実施の形態の半導体装置の変形例であるトランジスタの内部構造を封止体を透過して示す平面図、図７は図６に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の断面図、図８は変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図、図９は図８に示す半導体装置の構造を示す平面図、図１０は変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図、図１１は図１０に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の断面図、図１２は変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図、図１３は変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図、図１４はＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ系合金の固相・液相温度の評価結果の一例を示すデータ図、図１５はＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の固相・液相温度の評価結果の一例を示す結果図、図１６はＢｉ−Ａｇ系合金の２元状態図の一例を示す状態図、図１７は本実施の形態の半導体装置の変形例であるトランジスタの構造を示す断面図、図１８は本実施の形態の変形例の半導体装置の裏面側の構造を示す裏面図、図１９は図１８に示すＢ−Ｂ線に沿って切断した断面の断面図である。
【００１９】
図１および図２に示す本実施の形態の半導体装置は、縦型半導体素子を有した電力用のパワー半導体パッケージ１４であり、半導体素子の主面１ａには、例えば、トランジスタ素子の回路が形成されたトランジスタパッケージである。
【００２０】
パワー半導体パッケージ１４の構成について説明すると、主面１ａと、その反対側の裏面１ｂと、主面１ａに形成された主電極２および制御電極３と、裏面１ｂに形成された電極１５と、主面１ａに形成された回路とを備えた半導体素子である半導体チップ１と、半導体チップ１の裏面１ｂの電極１５と接合する導電性のダイパッド４と、半導体チップ１の主面１ａの主電極２と電気的に接続する第１リード６と、半導体チップ１の主面１ａの制御電極３と電気的に接続する第２リード７と、ダイパッド４と一体で繋がった第３リード５と、主電極２と第１リード６とを電気的に接続するＡｌワイヤ１２と、制御電極３と第２リード７とを電気的に接続するＡｌワイヤ１３と、半導体チップ１とダイパッド４の間に配置され、かつダイパッド４を形成する主材料であるＣｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝板（応力緩衝手段）８と、半導体チップ１とＡｌワイヤ１２，１３とダイパッド４と各リードの一部とを封止用樹脂によって封止する封止体１１とからなる。
【００２１】
さらに、半導体チップ１と応力緩衝板８とが、および応力緩衝板８とダイパッド４とが、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金（鉛を含まない半田であり、以降このような半田を鉛フリー半田ともいう）、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金（鉛フリー半田）のいずれかの接合材９，１０によって接合されている。
【００２２】
例えば、図１に示すように、縦型半導体素子であり、かつシリコン（Ｓｉ）からなる半導体チップ１が熱膨張率：８〜１２ｐｐｍ／ＫのＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ積層板からなる応力緩衝板８を介してＣｕ製のダイパッド４に接合材９，１０によってダイボンディングされている。
【００２３】
半導体チップ１の裏面１ｂの表層には、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｇ，Ｖ、あるいはＴａ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｇが形成されている。なお、接合材９，１０にＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金を用いる場合には、応力緩衝板８の表裏面に電解Ｎｉめっきあるいは無電解ＮｉＰめっきを施し、ダイパッド４の表面は電解Ｎｉめっきあるいはめっき無しのＣｕとしている。
【００２４】
一方、接合材９，１０にＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金を用いる場合には、応力緩衝板８の表裏面に電解Ａｇめっきを施し、ダイパッド４の表面は電解Ａｇめっきあるいはめっき無しのＣｕとしている。
【００２５】
また、半導体チップ１の主面１ａの主電極２および制御電極３と、外部取り出し用の第１リード６および第２リード７の間はＡｌワイヤ１２，１３によってそれぞれ結線されている。さらに、半導体チップ１と、Ａｌワイヤ１２，１３と、応力緩衝板８と、接合材９，１０の全体、およびダイパッド４、第１リード６、第２リード７、第３リード５それぞれの一部を覆うように封止用樹脂からなる封止体１１が形成されている。
【００２６】
図１および図２に示すパワー半導体パッケージ１４では、Ｃｕ合金製のダイパッド４の素子搭載領域に、熱膨張率がＳｉの半導体チップ１とダイパッド４の中間的な値の低熱膨張部材である応力緩衝板８を配置し、半導体チップ１とダイパッド４をＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金で接合する構造としている。
【００２７】
なお、Ｃｕ合金製のダイパッド４上に低熱膨張部材である応力緩衝板８を配置した場合には、前記低熱膨張部材として熱膨張率：８〜１２ｐｐｍ／ｋのＣｕ／ＦｅＮｉ複合材やＣｕ／Ｃｕ２０複合材を採用することにより、Ｃｕ合金を直接Ｓｉの半導体チップ１に接合していた場合に比べて熱膨張差を約１／２に低減することができ、実装や温度サイクル時の半導体チップ１の割れを防止することが可能になる。
【００２８】
また、図１に示すように応力緩衝手段である応力緩衝板８は、縦と横の平面寸法が半導体チップ１より大きく、かつダイパッド４より小さく形成された薄板状の部材である。応力緩衝板８が半導体チップ１より大きいことにより、チップから発せられる熱がチップ内部を通過することなく、チップの裏面１ｂから直ぐに外部に出て接合材１０や応力緩衝板８を通ってダイパッド４に到達することができる。したがって、熱がチップ内部を通過しないため放熱時にチップ内部で局部的な温度上昇が発生することなく、内部のセル素子が温度上昇によって破壊されることを防止できる。
【００２９】
また、応力緩衝板８が半導体チップ１より大きいことにより、チップ下の接合材１０が半導体チップ１の周囲の外側にはみ出るため、組み立て後の検査時に、半田接続が確実に行われているかどうかを確認する目視検査を容易に行うことができる。
【００３０】
次に、接合材９，１０をＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主成分とする合金とし、その組成を４３ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で１５ｗｔ％≦（Ａｇ＋Ｃｕ）≦２５ｗｔ％とすることにより、図１５に示すように固相温度：２７０℃以上で液相温度：３８０℃以下の溶融特性とすることができ、４００℃以下でのダイボンディングが可能となる。また、半田強度は１００ＭＰａ以上となるため、応力緩和構造との組み合わせで半田部の歪量が減少し、温度サイクル寿命を従来の鉛半田の場合に比べて大幅に向上させることができる。
【００３１】
また、固相温度が２７０℃以上であるため、実装時の２６０℃加熱においても再溶融することが無く、十分な２６０℃リフロー耐性を得ることができる。
【００３２】
一方、接合材９，１０がＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の場合には、５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％で５ｗｔ％≦Ｓｂ≦２０ｗｔ％の組成とすることにより、固相温度：２７０℃以上で液相温度：３９０℃以下にすることができ、４００℃以下でのダイボンディングが可能となるのである。
【００３３】
５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）とするのは、半田の伸びに関する機械的特性を改善するのに必要な条件から選択され、Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％は、図１６に示すように液相温度を４００℃以下にするために必要な組成範囲から選択される。また、５ｗｔ％≦Ｓｂは半田が２６０℃リフローに耐えられる２７０℃の固相温度から選択され、Ｓｂ≦２０ｗｔ％は液相温度４００℃以下の条件から選択された値である。
【００３４】
この半田は、Ｓｂ添加により半田強度が１００ＭＰａ以上となり、応力緩和構造との組み合わせで温度サイクル寿命を、従来の鉛を含んだ半田の場合に比べて大幅に向上させることができる。また、固相温度が２７０℃以上であるため、２６０℃リフロー時に半田の再溶融が無く、繰り返しリフロー試験に耐えることが可能である。
【００３５】
本実施の形態のパワー半導体パッケージ１４によれば、接合材料として、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金やＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金からなる鉛フリー半田材料を使用しているため、環境負荷の少ないトランジスタパッケージ製品を提供することができる。また、前記接合材料が高強度で硬い材質であるため、従来は接合材がほとんどを受け持っていた熱歪を、半導体チップ１やダイパッド４に分散することができ、同時に、半導体チップ１とダイパッド４との間にＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ／Ｃｕ低熱膨張材の応力緩衝板８を挟んだため半導体チップ１に加わる熱応力を低減でき、チップ割れを防止することができる。さらに、これらと同時に接合材９，１０の熱疲労寿命を大幅に伸ばすことが可能となり、生産性を落とすことなく高信頼のトランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ１４）を提供することができる。
【００３６】
また、固相温度２７０℃以上で液相温度４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金でダイボンディングすることにより、２次実装の２６０℃リフロー工程に耐えることができ、かつ温度サイクル寿命や高温信頼性に優れた鉛フリー半田のトランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ１４）を提供することができる。
【００３７】
次に、図３および図４を用いてパワー半導体パッケージ１４の組み立てについて説明する。
【００３８】
まず、前記組み立ての概略について説明すると、水素を含む還元雰囲気中において、図３（ａ),（ｂ）に示すリードフレーム１００を３６０℃に加熱し、ダイパッド１０１上に所定サイズのＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金粒子あるいはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金粒子を供給して溶融し、さらに応力緩衝手段である応力緩衝板１０９をスクラブを加えながら搭載する。その後、この加熱状態のままで、応力緩衝板１０９の上に同じ合金粒子を供給して溶融し、半導体チップ１１７をスクラブを加えながら搭載してダイボンディングを行う。
【００３９】
その後、リードフレーム１００が冷却した後に、外部接続用端子であるリード１０２とチップ電極とをＡｌワイヤボンディングによって結線し、モールド金型を使って樹脂モールドを行う。その後、不要なリードフレーム部分を切断除去してパッケージを完成させる。なお、応力緩衝板１０９の無い従来のトランジスターパッケージの組立工程に比較して、本実施の形態の組み立てでは、応力緩衝板１０９を接合する工程が増えているものの、組み立て方法はチップ接合工程と同じであるため、生産のスループットは従来と同じである。
【００４０】
続いて、図４に示す製造プロセスフロー図を用いて、本実施の形態の半導体装置の一例であるパワー半導体パッケージ１２６の詳細の組み立てを説明する。
【００４１】
まず、ダイパッド１０１と、その周囲に配置された複数の外部接続用端子であるリード１０２とを有する図３に示す多連のリードフレーム１００を準備する。なお、リードフレーム１００では、複数のダイパッド１０１とリード１０２がそれぞれの吊りリード１０３，１０４でフレーム部１０５に固定されている。リードフレーム１００は、例えば、Ｃｕ合金を主材料として形成された薄板状の部材である。
【００４２】
その後、ステップＳ１に示すはんだ供給工程において、リードフレーム１００のダイパッド１０１上にペースト状または粒状からなり、かつ鉛フリー半田を供給して溶融させる。ここでは、還元雰囲気中でリードフレーム１００の予備加熱を行い、ディスペンサ１０６を用いて、例えば、半田ペースト１０７をダイパッド１０１上に所定量供給し、ヒートブロックによって本加熱して半田を溶融して溶融半田１０８を形成する。
【００４３】
なお、前記鉛フリー半田は、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金の半田材、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金の半田材のいずれかである。
【００４４】
その後、ステップＳ２に示す緩衝板供給＋スクラブボンディング工程において、前記鉛フリー半田の上にＣｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝板１０９を配置し、その後、応力緩衝板１０９の加圧とスクラブを行って応力緩衝板１０９を固着する。ここでは、溶融半田１０８上にコレット１１０で吸引１１１を行いながら応力緩衝板１０９を保持し、さらに応力緩衝板１０９を溶融半田１０８上に供給した後、同時にスクラブ１１２を加えて応力緩衝板１０９のサイズに半田を広げて応力緩衝板１０９を半田接合１１３する。
【００４５】
その後、ステップＳ３に示すはんだ供給工程において、応力緩衝板１０９の上にペースト状または粒状からなり、かつ前記半田と同様の鉛フリー半田を供給して溶融させる。ここでは、加熱された状態のまま応力緩衝板１０９の上にディスペンサ１１４を用いて半田ペースト１１５を所定量供給し、これによって半田を溶融して溶融半田１１６を形成する。
【００４６】
その後、ステップＳ４に示すチップ供給＋スクラブボンディング工程において、溶融半田１１６の上に半導体チップ１１７を配置し、その後、半導体チップ１１７の加圧とスクラブを行って半導体チップ１１７を固着する。ここでは、溶融半田１１６上にコレット１１８を用いて半導体チップ１１７を供給し、スクラブ１１９を加えて押し込みダイボンディングを行う。さらに、所定温度まで還元雰囲気中で冷却する。これにより、半導体チップ１１７の裏面１１７ｂと半田とが半田接合１２０する。半導体チップ１１７は、その主面１１７ａが上方を向いた状態で接合される。
【００４７】
その後、ステップＳ５に示すワイヤボンディング工程において、チップ電極とリードフレーム１００のリード１０２とを電気的に接続する。ここでは、室温まで冷却した後、大気雰囲気中でチップ上の電極とリード１０２とをＡｌワイヤ１２１，１２２の超音波ボンディングにより電気的に接続する。ここでは、ボンディングツール１２３によって超音波振動１２４を印加して超音波ボンディングを行う。
【００４８】
その後、ステップＳ６に示すモールド工程において、半導体チップ１１７、ダイパッド１０１およびリード１０２の一部を覆うように封止用樹脂を用いて樹脂モールドを行って封止体１２５を形成する。ここでは、モールド金型を用いたトランスファモールドにより、パッケージ単位に封止用樹脂を被せてベーク処理し、これによって封止体１２５を形成する。
【００４９】
その後、ステップＳ７に示す切断＋成形工程において、封止体１２５から突出するリード１０２をリードフレーム１００から切断分離するとともに、所望の形状にリード１０２を曲げ成形する。ここでは、各リード１０２の切断・成形と、吊りリード１０３，１０４の切断を行って組立を完了（ステップＳ８に示す完成）する。
【００５０】
なお、ステップＳ１〜Ｓ４におけるダイボンディング工程は、全て還元雰囲気下で行うものであり、リードフレーム１００は加熱された状態でコンベアで搬送される連続した工程である。また、半田ペースト１０７，１１５の有機成分は加熱により完全に気化して、半田が溶融する前に消失する性質の溶剤である。
【００５１】
本実施の形態の半導体装置の組み立てによれば、応力緩衝板１０９と半導体チップ１１７をスクラブ１１９をかけてボンディングしているため、半田中のボイドを大幅に低減した状態で接合が可能となり、放熱特性の安定した半導体装置を提供することができる。また、高温の鉛フリー半田をペースト状で供給しているため、半田の連続した自動供給を容易に行うことが可能であり、しかもチップサイズが変わって半田の使用量が変わった場合でも設備的な変更をしないで調整を行うことができ、量産性に優れた生産プロセスを提供することができる。さらに、従来の高鉛半田の組立工程と比較してプロセスが同じであるため、従来の組立設備をそのまま使うことができ、設備コストの増加を少なく抑えることができる。
【００５２】
次に、図５は、接合材料の組成と応力緩衝板を変えて半導体装置を組み立て、各種評価を行った結果を示すものである。図５において本実施の形態は、Ｎo.１〜１５で、Ｎo.１６〜２５は比較例である。Ｎo.１〜４の本実施の形態では、応力緩衝板にＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕが１：１：１の厚さで積層された０.2ｍｍ厚さの低熱膨張板を用い、半田組成が４３ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％かつ１５ｗｔ％≦（Ａｇ＋Ｃｕ）≦２５ｗｔ％の条件を満たす組成の場合である。接合温度（４００℃以下でＯＫ）、チップ割れ、２６０℃リフロー耐性、温度サイクル寿命の全ての評価項目で判定基準をクリアできている。Ｓｂ量が多いとＮo.１６，１８の比較例のように高い接合温度が必要で、しかも高温域で凝固するため熱応力が大きくなってチップ割れが発生する。Ｎo.１７の比較例のようにＣｕを無くしてＡｇのみの３元系の合金にすると、液相温度のみ上昇して接合温度が上昇するものの固相温度が上がらないため、２６０℃リフロー耐性が得られない。
【００５３】
本発明の接合材料を用いた場合でも、応力緩衝板８を用いなかった場合はチップ割れを引き起こし、熱膨張率が６.7ｐｐｍ／ｋ以下の応力緩衝板８を用いた場合には、ダイパッド４と応力緩衝板８の間で高い熱応力が発生し、ダイパッド４のＮｉめっきが下地と剥離する現象が生じた。
【００５４】
これらのことから、応力緩衝板８の熱膨張率はダイパッド４と半導体チップ１の中間領域が適正であると判断できる。Ｎo.８〜１２はＢｉ−ＡｇにＳｂを加えた合金を接合材としてパッケージを組み立てた場合の評価結果を示すものである。接合材９，１０の合金組成を５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％で５ｗｔ％≦Ｓｂ≦２０ｗｔ％の組成とすれば、応力緩衝板８を使うことで全ての評価項目で判定基準をクリアできている。
【００５５】
しかしながら、Ｎo.２１，２３の比較例のようにＳｂ量が少ないと固相温度が２６２℃と低く２６０℃リフロー試験に耐えることができない。また、Ｎo.２５の比較例のようにＳｂ量が多いと固相と液相温度が上昇して接合温度に４００℃以上が必要になり、硬さも増してチップ割れが発生している。
【００５６】
以上のように、熱膨張率が半導体チップ１とダイパッド４の中間の値（８〜１２ｐｐｍ／ｋ）の応力緩衝板８を適用し、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金あるいはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金を接合材９，１０に用いることによって、鉛フリー半田で所定の信頼性を有するトランジスタパッケージ製品（パワー半導体パッケージ１２６）を提供することができる。
【００５７】
図６および図７は、本実施の形態の変形例のパワー半導体パッケージ（半導体装置）３４を示すものであり、Ｃｕ合金製のダイパッド２５の素子搭載領域上に、降伏強度あるいは耐力がＣｕ合金より低い軟質性の応力緩衝手段を所定の厚さで配置するものであり、前記応力緩衝手段として材質的に柔らかいＡｇを選択し、予めＣｕ合金製のダイパッド２５上に厚さ２０μｍｔのＡｇめっき膜２９が配置されているものである。
【００５８】
Ａｇめっき膜２９の上に表層が、Ｔｉ／ＮｉＰ／ＡｇあるいはＴｉ／Ｎｉ／ＡｇあるいはＴｉ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ａｇから成る裏面２１ｂ側の電極２４を有した半導体チップ２１がＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金３０でダイボンディングされている。半導体チップ２１の主面２１ａの主電極２２および制御電極２３と、第１リード２７および第２リード２８間はボンディングされたＡｌワイヤ３２，３３でそれぞれ結線されている。第３リード２６は、ダイパッド２５と一体で繋がっている。
【００５９】
半導体チップ２１とＡｌワイヤ３２，３３とＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金３０の全体、およびダイパッド２５、第１リード２７、第３リード２６および第２リード２８のそれぞれ一部を覆うように封止体３１が形成されている。
【００６０】
本実施の形態によれば、Ｃｕ合金製のダイパッド２５上に柔らかいＡｇめっき膜２９を厚く形成してその上に半導体チップ２１がダイボンディングされたものであり、Ｃｕ合金製のダイパッド２５上に降伏強度あるいは耐力が低い軟質材のＡｇめっき膜２９を施した構造であることにより、Ｃｕ合金のダイパッド２５とＳｉの半導体チップ２１の間で発生する熱歪を低い応力状態で軟質材のＡｇめっき膜２９が塑性変形して吸収するため、半導体チップ２１に高い応力が発生することが無くなる。
【００６１】
その結果、ダイボンディング後の冷却過程や実装プロセスまたは温度サイクル印加時の加熱冷却過程において、半導体チップ２１が割れるという問題を無くすことができる。
【００６２】
また、ダイパッド２５と半導体チップ２１間に生じる熱歪がＡｇめっき膜２９の塑性変形で吸収され、半導体チップ２１に高い応力が加わらないためチップ割れが発生せず、かつ接合材にＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金３０を用いているため、環境負荷の小さいトランジスタパッケージ製品（パワー半導体パッケージ３４）を提供することができる。さらに、Ａｇめっき膜２９が予めダイパッド２５上に形成されているため、トランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ３４）の組み立てを従来と全く同一の方法で行うことができ、特別な設備投資をすることなく、半導体装置（製品）の鉛フリー化を図ることができる。
【００６３】
次に、図８および図９に示す変形例の半導体装置であるパワー半導体パッケージ４８は、Ｃｕ合金製のダイパッド４３のチップ搭載面に予めＦｅ−Ｎｉ合金あるいはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる低熱膨張部材（応力緩衝手段）４４が圧延で埋め込まれており、その上にＮｉめっき膜４５が施されている。裏面４１ｂの電極４２が形成された半導体チップ４１が、主面４１ａを上方に向けた状態で、低熱膨張部材４４が埋設された位置にＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなる接合材４７によってダイボンディングされている。なお、ダイパッド４３のＮｉめっき膜４５が形成された面と反対側の面にもＮｉめっき膜４６が形成されている。
【００６４】
変形例のパワー半導体パッケージ４８によれば、応力緩衝手段である低熱膨張部材４４が予めダイパッド４３に埋め込まれているとともに、その表面にＮｉめっき膜４５が形成されているため、従来の半導体装置と同じ組み立て工程でパワー半導体パッケージ４８を組み立てることが可能になり、さらに、従来の設備で鉛フリー半田の半導体装置を組み立てることができる。また、組み立て工数も従来の組み立てと同じであり、生産性に優れたパワー半導体パッケージ４８を提供することができる。
【００６５】
次に、図１０および図１１に示す変形例の半導体装置であるパワー半導体パッケージ５６は、熱歪を緩和する構造を示しており、Ｃｕ合金製のダイパッド５３の素子搭載領域の下部（内部）に、プレス加工、またはプレス加工と切断加工を複数回行うことによって、内包された微細な空隙部（応力緩衝手段）５４が複数形成されているものである。空隙部５４の形成エリアはチップサイズより大きくなっており、空隙部５４の深さは０.2〜０.4ｍｍ程度である。さらに、空隙部５４間のＣｕ合金部分の厚さは０.2〜０.5ｍｍ程度に形成されている。空隙部５４は、まず、プレス加工などで開口部を有したスリットを形成し、その後２回目のプレス加工で前記開口部を潰して塞ぐことによって内包された空隙部５４を形成できる。
【００６６】
なお、空隙部５４は、図１１に示すように格子状に形成されている。格子状に形成された空隙部５４の上のＣｕ合金のダイパッド５３上に、主面５１ａを上方に向けた状態の半導体チップ５１が、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金あるいはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の接合材５５によってダイボンディングされている。すなわち、半導体チップ５１の裏面５１ｂの電極５２が接合材５５と接合されている。
【００６７】
変形例のパワー半導体パッケージ５６によれば、ダイパッド５３の素子搭載領域の下部に、内包された空隙部５４が形成されているため、この空隙部５４によって半導体チップ５１とダイパッド５３間の熱歪が吸収され、半導体チップ５１に高い熱応力が発生しなくなるためチップ割れを防止することができる。また、ダイパッド５３を有するリードフレーム部材に特殊な材料を付加していないため、前記リードフレーム部材のコストを低く抑えることができ、低コストで鉛フリー半田のトランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ５６）を実現することができる。
【００６８】
図１２および図１３にそれぞれ示す変形例の半導体装置であるパワー半導体パッケージ６９，７９は、それぞれ半導体チップ６１，７１を搭載するダイパッド６３，７３の素子搭載領域に開放型の応力緩衝手段である溝部６４，７４を形成し、この溝部６４，７４を埋め、かつダイパッド６３，７３の素子搭載領域の上に１０μｍｔ程度の厚さになるようにＡｇめっき膜６５，７５を形成したものである。
【００６９】
接合材６８にＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金を使う図１２に示すパワー半導体パッケージ６９の場合には、Ａｇめっき膜６５を形成したダイパッド６３の表面にＮｉめっき膜６６を、かつその反対側の面にＮｉめっき膜６７を施している。これは、ＡｇとＳｎ系半田とではＡｇがＳｎ系半田に溶け込んでＳｎ系半田の融点が変化してしまうため、これを防ぐ目的でＮｉめっき膜６６，６７を形成している。
【００７０】
したがって、パワー半導体パッケージ６９では、Ｃｕ合金のダイパッド５３上のＡｇめっき膜６５の上にＮｉめっき膜６６を介在させて、主面６１ａを上方に向けた状態の半導体チップ６１が、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金の接合材６８によってダイボンディングされている。すなわち、半導体チップ６１の裏面６１ｂの電極６２が接合材６８と接合されている。
【００７１】
一方、接合材７８にＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金を使う図１３に示すパワー半導体パッケージ７９の場合には、Ｃｕ合金のダイパッド７３の上に直接半導体チップ７１がダイボンディングされている。これは、ＮｉとＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金では、反応が激しくＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の特性が変化してしまうため、これを防ぐ目的でＮｉ系のめっき膜は介在させずに、Ａｇめっき膜７５上に直接Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の接合材７８を配置して半導体チップ７１の固着を行っている。
【００７２】
したがって、パワー半導体パッケージ７９では、Ｃｕ合金のダイパッド７３上のＡｇめっき膜７５の上に、主面７１ａを上方に向けた状態の半導体チップ７１が、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の接合材７８によって直接ダイボンディングされている。すなわち、半導体チップ７１の裏面７１ｂの電極７２が接合材７８と接合されている。
【００７３】
変形例のパワー半導体パッケージ６９，７９によれば、それぞれダイパッド６３，７３に開放型の溝部６４，７４を設け、そこに柔らかいＡｇめっき膜６５，７５を施しているため、半導体チップ６１，７１／Ｃｕ合金のダイパッド６３，７３間の大きな熱歪を吸収できる構造となっており、チップサイズが大きい場合であってもチップ割れを防ぐことができる。また、図１０に示す内包型の空隙部５４に比較して製造が容易であり、リードフレーム部材の生産歩留まりを高めることができる。
【００７４】
次に、図１４は、本実施の形態のＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金系接合材の固相および液相温度の評価結果を示すデータである。Ｓｂ量が３ｗｔ％以下では固相温度が２７０℃より低いが、５〜２０ｗｔ％以上で固相温度を２７０℃より高く、液相温度を４００℃以下にできることが分かった。この組成で、トランジスタパッケージ（半導体装置）の実装評価を行った結果、固相温度２７０℃以上で２６０℃リフローに耐えられることが確認できた。
【００７５】
また、図１５は、本実施の形態のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金系接合材の固相および液相温度の評価結果を示すものである。（Ａｇ＋Ｃｕ）の含有量が１6.４〜１9.５ｗｔ％のとき、Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）量を４１〜５４ｗｔ％にすると固相温度を２７０℃以上、液相温度を４００℃以下にできることが分かった。この組成で、トランジスタパッケージ（半導体装置）の実装評価を行った結果、固相温度２７０℃以上で２６０℃リフローに耐えられることをＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金系と同様に確認できた。
【００７６】
図１７に示す変形例の半導体装置であるパワー半導体パッケージ１４０は、両面の電極を半田で接合するＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor) タイプのトランジスタパッケージに本発明を適用した例である。
【００７７】
パワー半導体パッケージ１４０の構造について説明すると、半導体チップ１３３の裏面１３３ｂ側（下側）の電極１３３ｄはダイパッド１３１との間にＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ積層板（厚さ比＝１：１：１、平均熱膨張率１０〜１１ｐｐｍ／ｋ）から成る応力緩衝手段である応力緩衝板１３４が挿入され、その上下の接合箇所がＳｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−９Ｃｕ半田１３５，１３６で接合されている。一方、主面１３３ａ側（回路側）の電極１３３ｃはＡｌパッド上にＣｒ／ＮｉのメタライズあるいはＡｌパッド上にジンケート処理後Ｎｉめっきが施され、それぞれの外部接続端子用のリード１３２にダイボンディングと同じＳｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−９Ｃｕ半田１３７，１３８で接合されている。
【００７８】
リード１３２は、応力緩衝板１３４と同様の低熱膨張で電気伝導性のよいＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ積層板で構成されている。ダイボンディングまでの組立プロセスは、図４に示す組み立て工程と同じである。主面１３３ａ側の電極１３３ｃの接合は、３６０〜３８０℃のダイボンディング後に３００℃以下に冷却され、その状態で電極１３３ｃ上にペースト状の半田を供給し、さらに複数のリード１３２が一体化したリードフレーム部材を位置合わせして配置し、前記リードフレーム部材の上側からヒートブロックを押し付けて複数の半導体チップ１３３を一括して接合している。最後にトランスファモールドによって樹脂封止を行って封止体１３９を形成し、その後、ダイパッド１３１とリード１３２をそれぞれ前記リードフレーム部材から切断してパワー半導体パッケージ１４０の完成となる。
【００７９】
図１７に示す変形例のパワー半導体パッケージ１４０によれば、パッケージ内部の全ての接続部を鉛フリー半田で接合しているため、環境に悪影響を与えないトランジスタパッケージを提供することができ、しかもソース電極（電極１３３ｃ）とリード１３２を広い面積でＳｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−９Ｃｕ半田１３７で接合しているため、接続部の電気抵抗（オン抵抗）が小さく低損失のパッケージを提供することができる。また、Ａｌワイヤボンディングに比較して、チップ上部の厚み寸法を薄くすることができ、リード１３２のボンディングエリアを省略することができ、その結果、パッケージ寸法を小さくすることができる。
【００８０】
図１８および図１９に示す変形例の半導体装置は、リードフレーム部材を使って組み立てるマルチチップパッケージ１５１に本発明を適用したものである。
【００８１】
マルチチップパッケージ１５１の構造について説明すると、複数の外部接続用端子であるリード１４４と、複数のダイパッド１４１，１４２，１４３から成る前記リードフレーム部材から組み立てられ、各ダイパッドにそれぞれ１つの半導体チップ１４６がダイボンディングされている。すなわち、複数の半導体チップ１４６が組み込まれた半導体装置である。
【００８２】
各ダイパッドと半導体チップ１４６の間には応力緩衝手段である低熱膨張の応力緩衝板１４７が挿入されており、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ半田１４８，１４９で接合されている。半導体チップ１４６の主面１４６ａ側（回路面側）の電極１４６ｃと、リード１４４あるいは電気的接続が必要なダイパッドとがＡｌワイヤ１５０によるワイヤボンディングによって接続されている。また、裏面１４６ｂの電極１４６ｄは、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ半田１４８と応力緩衝板１４７とＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ半田１４９を介してダイパッドと接続されている。さらに、各半導体チップ１４６とＡｌワイヤ１５０と半田と、リード１４４およびダイパッドの一部とが封止用樹脂によって形成された封止体１４５によって封止されている。
【００８３】
図１８および図１９に示す変形例のパマルチチップパッケージ１５１によれば、複数の半導体チップ１４６で構成された高機能で、かつ鉛フリー半田の半導体パッケージを提供することができ、さらにダイボンデイングを金属接合で行っているため、環境に優しくパワーサイクルや温度サイクル信頼性を高くすることができる。また、高融点半田を使っているため、高温信頼性にも優れるという利点がある。
【００８４】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００８５】
例えば、前記実施の形態では、半導体装置がトランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ）の場合を主に説明したが、前記半導体装置は、トランジスタパッケージに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、半導体装置および半導体製造技術に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の実施の形態の半導体装置の内部構造の一例を封止体を透過して示す平面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の半導体装置の組み立てに用いられるリードフレームの構造の一例を示す図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断した断面の構造を示す部分断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の半導体装置の組み立て手順の一例を示す製造プロセスフロー図である。
【図５】本発明の実施の形態の半導体装置に組み込まれる応力緩衝板と半田をパラメータとした半導体装置の評価結果の一例を示す結果データ図である。
【図６】本発明の実施の形態の半導体装置の変形例であるトランジスタの内部構造を封止体を透過して示す平面図である。
【図７】図６に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図である。
【図９】図８に示す半導体装置の構造を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図である。
【図１１】図１０に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の構造を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態の半導体装置に用いられるＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ系合金の固相・液相温度の評価結果の一例を示すデータ図である。
【図１５】本発明の実施の形態の半導体装置に用いられるＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の固相・液相温度の評価結果の一例を示す結果図である。
【図１６】本発明の実施の形態の半導体装置に用いられるＢｉ−Ａｇ系合金の２元状態図の一例を示す状態図である。
【図１７】本発明の実施の形態の半導体装置の変形例であるトランジスタの構造を示す断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の裏面側の構造を示す裏面図である。
【図１９】図１８に示すＢ−Ｂ線に沿って切断した断面の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１，２１，４１，５１，６１，７１，１１７，１３３，１４６ 半導体チップ（半導体素子）
１ａ，２１ａ，４１ａ，５１ａ，６１ａ，７１ａ，１１７ａ，１３３ａ，１４６ａ 主面
１ｂ，２１ｂ，４１ｂ，５１ｂ，６１ｂ，７１ｂ，１１７ｂ，１３３ｂ，１４６ｂ 裏面
２，２２ 主電極
３，２３ 制御電極
４，２５，４３，５３，６３，７３，１０１，１３１，１４１，１４２，１４３ ダイパッド
５，２６ 第３リード
６，２７ 第１リード
７，２８ 第２リード
８，１０９，１３４，１４７ 応力緩衝板（応力緩衝手段）
９，１０，４７，５５，６８，７８ 接合材
１１，３１，１２５，１３９，１４５ 封止体
１２，１３，３２，３３，１２１，１２２，１５０ Ａｌワイヤ
１４，３４，４８，５６，６９，７９，１２６，１４０ パワー半導体パッケージ（半導体装置）
１５，２４，４２，５２，６２，７２ 電極
２９ Ａｇめっき膜（応力緩衝手段）
３０ Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金（接合材）
４４ 低熱膨張部材（応力緩衝手段）
４５，４６，６６，６７ Ｎｉめっき膜
５４ 空隙部（応力緩衝手段）
６４，７４ 溝部（応力緩衝手段）
６５，７５ Ａｇめっき膜
１００ リードフレーム
１０２，１３２，１４４ リード
１０３，１０４ 吊りリード
１０５ フレーム部
１０６，１１４ ディスペンサ
１０７，１１５ 半田ペースト
１０８，１１６ 溶融半田
１１０，１１８ コレット
１１１ 吸引
１１２，１１９ スクラブ
１１３，１２０ 半田接合
１２３ ボンディングツール
１２４ 超音波振動
１３３ｃ，１３３ｄ 電極
１３５，１３６，１３７，１３８ Ｓｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−９Ｃｕ半田
１４６ｃ，１４６ｄ 電極
１４８，１４９ Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ半田
１５１ マルチチップパッケージ（半導体装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、半導体素子を固定する鉛フリー半田に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のダイボンディング用合金部材は、0.０５〜0.５ｍｍ厚さの純Ａｌ板あるいは４２アロイ材を基材とし、その両面に0.００５〜0.１ｍｍ厚さの接合用合金層を設けている。更には、上記接合用合金層として、４００℃以下の液相線温度を有し、２８０℃以上の固相線温度を有するＰｂを含まない合金か、もしくは２８０℃における液相の体積割合が１５％以下であるＰｂを含まない合金を用いている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１２７０７６号公報（第２−３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体装置のダイボンディングに適用可能な半田材の性質としては、以下の４つの項目が重要である。１つ目は、プロセス温度であり、４００℃以下でのダイボンディングが可能なことで、液相温度が４００℃以下であることや、リードフレーム材との濡れ性に優れていることが条件である。２つ目は、半導体装置を２次実装する時の２６０℃の加熱冷却に耐える耐熱性を有していることであり、固相温度が２７０℃以上であることが条件となる。３つ目は、ＳｉチップをＣｕ合金のダイパッドに接合した場合に熱膨張差に伴う熱歪を半田接合部が緩和して、熱応力によるＳｉチップの破損を防いでくれることである。４つ目は、半導体素子の発熱によって引き起こされる温度変動に対して半田接合部の熱疲労寿命が十分長いことである。
【０００４】
従来知られているＺｎＡｌＧｅ材やＺｎＡｌＭｇＧａ材などのＺｎＡｌ系半田材は、固相と液相の温度が３０９℃と３４７℃または３５９℃と３７５℃で、ダイボンディングの４００℃以下のプロセス温度や２６０℃の２次実装プロセス耐性を満足するが、半田材の熱膨張率が大きくしかも材質が硬くて弾性率や降伏強度が高いためチップに割れを生じてしまうとういう問題を抱えている。また、Ａｌが半田材の表面に強固な酸化膜を形成するため、ＮｉやＣｕ等のリードフレーム材に対して濡れ性が悪く、良好なダイボンディングができないという問題がある。
【０００５】
一方、ＳｎＳｂＡｇ（１５〜２０ｗｔ％）半田は、ダイボンディングのプロセス温度４００℃以下やダイボンディング性、熱応力によるチップ割れ防止を満足するが、液相温度：２８０℃〜３１５℃に対して固相温度が２５０℃と低いため、２６０℃の実装プロセスにおいて半田材が部分的に溶融し、その時封止材のレジンが熱膨張によってチップに剥離方向の外力を与えるために半田接合部に剥離を生じてしまうという問題がある。また、半導体素子の発熱に伴う温度変化を模擬した温度サイクル試験において、ＳｎＳｂ半田内に疲労による剥離割れが短期間に発生して素子の電気特性が急速に劣化するという温度サイクル信頼性の問題がある。また、ＳｎＳｂ（２０〜４０ｗｔ％）半田は、硬くてチップ割れを生じる点と固相温度が２５０℃のため２６０℃リフローに耐えられず、ＳｎＳｂ（４３ｗｔ％以上）半田は液相線が４００℃以上となり４００℃以下でのダイボンディングが難しいという問題がある。
【０００６】
なお、前記特許文献１（特開２００１−１２７０７６号公報）には、ＺｎＡｌ系、ＺｎＳｎ系、ＡｕＳｎ系およびＡｕＧｅ系などの接合用合金が開示されているが、Ｚｎ系合金は濡れ性が悪く、また、Ａｕ系合金はコストが高いことがそれぞれ問題である。
【０００７】
本発明の目的は、ダイボンディングにおいて鉛フリー半田を用いることができる技術を提供することにある。
【０００８】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１０】
すなわち、本発明は、半導体素子とダイパッドの間に応力緩衝手段を配置し、半導体素子と応力緩衝手段を、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−ＣｕまたはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする鉛フリー半田のいずれかで接合したものである。
【００１１】
また、本発明は、リードフレームのダイパッド上にペースト状または粒状からなる鉛フリー半田を供給して溶融させ、さらにＣｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝板を半田で固着し、その後、応力緩衝板の上にペースト状または粒状からなる鉛フリー半田を供給して溶融させ、さらに応力緩衝板上の半田上に半導体素子を配置してこの半田によって半導体素子を固着し、その後、半導体素子の電極とリードフレームのリードとを電気的に接続するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１３】
ダイボンディングにおいてチップ割れを防止しつつ、鉛フリー半田の適用を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００１５】
さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
【００１６】
また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１８】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態の半導体装置の内部構造の一例を封止体を透過して示す平面図、図２は図１に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の断面図、図３は本発明の実施の形態の半導体装置の組み立てに用いられるリードフレームの構造の一例を示す図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断した断面の部分断面図、図４は本発明の実施の形態の半導体装置の組み立て手順の一例を示す製造プロセスフロー図、図５は本発明の実施の形態の半導体装置に組み込まれる応力緩衝板と半田をパラメータとした半導体装置の評価結果の一例を示す結果データ図、図６は本発明の実施の形態の半導体装置の変形例であるトランジスタの内部構造を封止体を透過して示す平面図、図７は図６に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の断面図、図８は変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図、図９は図８に示す半導体装置の構造を示す平面図、図１０は変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図、図１１は図１０に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の断面図、図１２は変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図、図１３は変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図、図１４はＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ系合金の固相・液相温度の評価結果の一例を示すデータ図、図１５はＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の固相・液相温度の評価結果の一例を示す結果図、図１６はＢｉ−Ａｇ系合金の２元状態図の一例を示す状態図、図１７は本実施の形態の半導体装置の変形例であるトランジスタの構造を示す断面図、図１８は本実施の形態の変形例の半導体装置の裏面側の構造を示す裏面図、図１９は図１８に示すＢ−Ｂ線に沿って切断した断面の断面図である。
【００１９】
図１および図２に示す本実施の形態の半導体装置は、縦型半導体素子を有した電力用のパワー半導体パッケージ１４であり、半導体素子の主面１ａには、例えば、トランジスタ素子の回路が形成されたトランジスタパッケージである。
【００２０】
パワー半導体パッケージ１４の構成について説明すると、主面１ａと、その反対側の裏面１ｂと、主面１ａに形成された主電極２および制御電極３と、裏面１ｂに形成された電極１５と、主面１ａに形成された回路とを備えた半導体素子である半導体チップ１と、半導体チップ１の裏面１ｂの電極１５と接合する導電性のダイパッド４と、半導体チップ１の主面１ａの主電極２と電気的に接続する第１リード６と、半導体チップ１の主面１ａの制御電極３と電気的に接続する第２リード７と、ダイパッド４と一体で繋がった第３リード５と、主電極２と第１リード６とを電気的に接続するＡｌワイヤ１２と、制御電極３と第２リード７とを電気的に接続するＡｌワイヤ１３と、半導体チップ１とダイパッド４の間に配置され、かつダイパッド４を形成する主材料であるＣｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝板（応力緩衝手段）８と、半導体チップ１とＡｌワイヤ１２，１３とダイパッド４と各リードの一部とを封止用樹脂によって封止する封止体１１とからなる。
【００２１】
さらに、半導体チップ１と応力緩衝板８とが、および応力緩衝板８とダイパッド４とが、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金（鉛を含まない半田であり、以降このような半田を鉛フリー半田ともいう）、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金（鉛フリー半田）のいずれかの接合材９，１０によって接合されている。
【００２２】
例えば、図１に示すように、縦型半導体素子であり、かつシリコン（Ｓｉ）からなる半導体チップ１が熱膨張率：８〜１２ｐｐｍ／ＫのＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ積層板からなる応力緩衝板８を介してＣｕ製のダイパッド４に接合材９，１０によってダイボンディングされている。
【００２３】
半導体チップ１の裏面１ｂの表層には、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｇ，Ｖ、あるいはＴａ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｇが形成されている。なお、接合材９，１０にＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金を用いる場合には、応力緩衝板８の表裏面に電解Ｎｉめっきあるいは無電解ＮｉＰめっきを施し、ダイパッド４の表面は電解Ｎｉめっきあるいはめっき無しのＣｕとしている。
【００２４】
一方、接合材９，１０にＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金を用いる場合には、応力緩衝板８の表裏面に電解Ａｇめっきを施し、ダイパッド４の表面は電解Ａｇめっきあるいはめっき無しのＣｕとしている。
【００２５】
また、半導体チップ１の主面１ａの主電極２および制御電極３と、外部取り出し用の第１リード６および第２リード７の間はＡｌワイヤ１２，１３によってそれぞれ結線されている。さらに、半導体チップ１と、Ａｌワイヤ１２，１３と、応力緩衝板８と、接合材９，１０の全体、およびダイパッド４、第１リード６、第２リード７、第３リード５それぞれの一部を覆うように封止用樹脂からなる封止体１１が形成されている。
【００２６】
図１および図２に示すパワー半導体パッケージ１４では、Ｃｕ合金製のダイパッド４の素子搭載領域に、熱膨張率がＳｉの半導体チップ１とダイパッド４の中間的な値の低熱膨張部材である応力緩衝板８を配置し、半導体チップ１とダイパッド４をＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金で接合する構造としている。
【００２７】
なお、Ｃｕ合金製のダイパッド４上に低熱膨張部材である応力緩衝板８を配置した場合には、前記低熱膨張部材として熱膨張率：８〜１２ｐｐｍ／ｋのＣｕ／ＦｅＮｉ複合材やＣｕ／Ｃｕ２０複合材を採用することにより、Ｃｕ合金を直接Ｓｉの半導体チップ１に接合していた場合に比べて熱膨張差を約１／２に低減することができ、実装や温度サイクル時の半導体チップ１の割れを防止することが可能になる。
【００２８】
また、図１に示すように応力緩衝手段である応力緩衝板８は、縦と横の平面寸法が半導体チップ１より大きく、かつダイパッド４より小さく形成された薄板状の部材である。応力緩衝板８が半導体チップ１より大きいことにより、チップから発せられる熱がチップ内部を通過することなく、チップの裏面１ｂから直ぐに外部に出て接合材１０や応力緩衝板８を通ってダイパッド４に到達することができる。したがって、熱がチップ内部を通過しないため放熱時にチップ内部で局部的な温度上昇が発生することなく、内部のセル素子が温度上昇によって破壊されることを防止できる。
【００２９】
また、応力緩衝板８が半導体チップ１より大きいことにより、チップ下の接合材１０が半導体チップ１の周囲の外側にはみ出るため、組み立て後の検査時に、半田接続が確実に行われているかどうかを確認する目視検査を容易に行うことができる。
【００３０】
次に、接合材９，１０をＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主成分とする合金とし、その組成を４３ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で１５ｗｔ％≦（Ａｇ＋Ｃｕ）≦２５ｗｔ％とすることにより、図１５に示すように固相温度：２７０℃以上で液相温度：３８０℃以下の溶融特性とすることができ、４００℃以下でのダイボンディングが可能となる。また、半田強度は１００ＭＰａ以上となるため、応力緩和構造との組み合わせで半田部の歪量が減少し、温度サイクル寿命を従来の鉛半田の場合に比べて大幅に向上させることができる。
【００３１】
また、固相温度が２７０℃以上であるため、実装時の２６０℃加熱においても再溶融することが無く、十分な２６０℃リフロー耐性を得ることができる。
【００３２】
一方、接合材９，１０がＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の場合には、５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％で５ｗｔ％≦Ｓｂ≦２０ｗｔ％の組成とすることにより、固相温度：２７０℃以上で液相温度：３９０℃以下にすることができ、４００℃以下でのダイボンディングが可能となるのである。
【００３３】
５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）とするのは、半田の伸びに関する機械的特性を改善するのに必要な条件から選択され、Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％は、図１６に示すように液相温度を４００℃以下にするために必要な組成範囲から選択される。また、５ｗｔ％≦Ｓｂは半田が２６０℃リフローに耐えられる２７０℃の固相温度から選択され、Ｓｂ≦２０ｗｔ％は液相温度４００℃以下の条件から選択された値である。
【００３４】
この半田は、Ｓｂ添加により半田強度が１００ＭＰａ以上となり、応力緩和構造との組み合わせで温度サイクル寿命を、従来の鉛を含んだ半田の場合に比べて大幅に向上させることができる。また、固相温度が２７０℃以上であるため、２６０℃リフロー時に半田の再溶融が無く、繰り返しリフロー試験に耐えることが可能である。
【００３５】
本実施の形態のパワー半導体パッケージ１４によれば、接合材料として、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金やＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金からなる鉛フリー半田材料を使用しているため、環境負荷の少ないトランジスタパッケージ製品を提供することができる。また、前記接合材料が高強度で硬い材質であるため、従来は接合材がほとんどを受け持っていた熱歪を、半導体チップ１やダイパッド４に分散することができ、同時に、半導体チップ１とダイパッド４との間にＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ／Ｃｕ低熱膨張材の応力緩衝板８を挟んだため半導体チップ１に加わる熱応力を低減でき、チップ割れを防止することができる。さらに、これらと同時に接合材９，１０の熱疲労寿命を大幅に伸ばすことが可能となり、生産性を落とすことなく高信頼のトランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ１４）を提供することができる。
【００３６】
また、固相温度２７０℃以上で液相温度４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金でダイボンディングすることにより、２次実装の２６０℃リフロー工程に耐えることができ、かつ温度サイクル寿命や高温信頼性に優れた鉛フリー半田のトランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ１４）を提供することができる。
【００３７】
次に、図３および図４を用いてパワー半導体パッケージ１４の組み立てについて説明する。
【００３８】
まず、前記組み立ての概略について説明すると、水素を含む還元雰囲気中において、図３（ａ),（ｂ）に示すリードフレーム１００を３６０℃に加熱し、ダイパッド１０１上に所定サイズのＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金粒子あるいはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金粒子を供給して溶融し、さらに応力緩衝手段である応力緩衝板１０９をスクラブを加えながら搭載する。その後、この加熱状態のままで、応力緩衝板１０９の上に同じ合金粒子を供給して溶融し、半導体チップ１１７をスクラブを加えながら搭載してダイボンディングを行う。
【００３９】
その後、リードフレーム１００が冷却した後に、外部接続用端子であるリード１０２とチップ電極とをＡｌワイヤボンディングによって結線し、モールド金型を使って樹脂モールドを行う。その後、不要なリードフレーム部分を切断除去してパッケージを完成させる。なお、応力緩衝板１０９の無い従来のトランジスターパッケージの組立工程に比較して、本実施の形態の組み立てでは、応力緩衝板１０９を接合する工程が増えているものの、組み立て方法はチップ接合工程と同じであるため、生産のスループットは従来と同じである。
【００４０】
続いて、図４に示す製造プロセスフロー図を用いて、本実施の形態の半導体装置の一例であるパワー半導体パッケージ１２６の詳細の組み立てを説明する。
【００４１】
まず、ダイパッド１０１と、その周囲に配置された複数の外部接続用端子であるリード１０２とを有する図３に示す多連のリードフレーム１００を準備する。なお、リードフレーム１００では、複数のダイパッド１０１とリード１０２がそれぞれの吊りリード１０３，１０４でフレーム部１０５に固定されている。リードフレーム１００は、例えば、Ｃｕ合金を主材料として形成された薄板状の部材である。
【００４２】
その後、ステップＳ１に示すはんだ供給工程において、リードフレーム１００のダイパッド１０１上にペースト状または粒状からなり、かつ鉛フリー半田を供給して溶融させる。ここでは、還元雰囲気中でリードフレーム１００の予備加熱を行い、ディスペンサ１０６を用いて、例えば、半田ペースト１０７をダイパッド１０１上に所定量供給し、ヒートブロックによって本加熱して半田を溶融して溶融半田１０８を形成する。
【００４３】
なお、前記鉛フリー半田は、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金の半田材、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金の半田材のいずれかである。
【００４４】
その後、ステップＳ２に示す緩衝板供給＋スクラブボンディング工程において、前記鉛フリー半田の上にＣｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝板１０９を配置し、その後、応力緩衝板１０９の加圧とスクラブを行って応力緩衝板１０９を固着する。ここでは、溶融半田１０８上にコレット１１０で吸引１１１を行いながら応力緩衝板１０９を保持し、さらに応力緩衝板１０９を溶融半田１０８上に供給した後、同時にスクラブ１１２を加えて応力緩衝板１０９のサイズに半田を広げて応力緩衝板１０９を半田接合１１３する。
【００４５】
その後、ステップＳ３に示すはんだ供給工程において、応力緩衝板１０９の上にペースト状または粒状からなり、かつ前記半田と同様の鉛フリー半田を供給して溶融させる。ここでは、加熱された状態のまま応力緩衝板１０９の上にディスペンサ１１４を用いて半田ペースト１１５を所定量供給し、これによって半田を溶融して溶融半田１１６を形成する。
【００４６】
その後、ステップＳ４に示すチップ供給＋スクラブボンディング工程において、溶融半田１１６の上に半導体チップ１１７を配置し、その後、半導体チップ１１７の加圧とスクラブを行って半導体チップ１１７を固着する。ここでは、溶融半田１１６上にコレット１１８を用いて半導体チップ１１７を供給し、スクラブ１１９を加えて押し込みダイボンディングを行う。さらに、所定温度まで還元雰囲気中で冷却する。これにより、半導体チップ１１７の裏面１１７ｂと半田とが半田接合１２０する。半導体チップ１１７は、その主面１１７ａが上方を向いた状態で接合される。
【００４７】
その後、ステップＳ５に示すワイヤボンディング工程において、チップ電極とリードフレーム１００のリード１０２とを電気的に接続する。ここでは、室温まで冷却した後、大気雰囲気中でチップ上の電極とリード１０２とをＡｌワイヤ１２１，１２２の超音波ボンディングにより電気的に接続する。ここでは、ボンディングツール１２３によって超音波振動１２４を印加して超音波ボンディングを行う。
【００４８】
その後、ステップＳ６に示すモールド工程において、半導体チップ１１７、ダイパッド１０１およびリード１０２の一部を覆うように封止用樹脂を用いて樹脂モールドを行って封止体１２５を形成する。ここでは、モールド金型を用いたトランスファモールドにより、パッケージ単位に封止用樹脂を被せてベーク処理し、これによって封止体１２５を形成する。
【００４９】
その後、ステップＳ７に示す切断＋成形工程において、封止体１２５から突出するリード１０２をリードフレーム１００から切断分離するとともに、所望の形状にリード１０２を曲げ成形する。ここでは、各リード１０２の切断・成形と、吊りリード１０３，１０４の切断を行って組立を完了（ステップＳ８に示す完成）する。
【００５０】
なお、ステップＳ１〜Ｓ４におけるダイボンディング工程は、全て還元雰囲気下で行うものであり、リードフレーム１００は加熱された状態でコンベアで搬送される連続した工程である。また、半田ペースト１０７，１１５の有機成分は加熱により完全に気化して、半田が溶融する前に消失する性質の溶剤である。
【００５１】
本実施の形態の半導体装置の組み立てによれば、応力緩衝板１０９と半導体チップ１１７をスクラブ１１９をかけてボンディングしているため、半田中のボイドを大幅に低減した状態で接合が可能となり、放熱特性の安定した半導体装置を提供することができる。また、高温の鉛フリー半田をペースト状で供給しているため、半田の連続した自動供給を容易に行うことが可能であり、しかもチップサイズが変わって半田の使用量が変わった場合でも設備的な変更をしないで調整を行うことができ、量産性に優れた生産プロセスを提供することができる。さらに、従来の高鉛半田の組立工程と比較してプロセスが同じであるため、従来の組立設備をそのまま使うことができ、設備コストの増加を少なく抑えることができる。
【００５２】
次に、図５は、接合材料の組成と応力緩衝板を変えて半導体装置を組み立て、各種評価を行った結果を示すものである。図５において本実施の形態は、Ｎo.１〜１５で、Ｎo.１６〜２５は比較例である。Ｎo.１〜４の本実施の形態では、応力緩衝板にＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕが１：１：１の厚さで積層された０.2ｍｍ厚さの低熱膨張板を用い、半田組成が４３ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％かつ１５ｗｔ％≦（Ａｇ＋Ｃｕ）≦２５ｗｔ％の条件を満たす組成の場合である。接合温度（４００℃以下でＯＫ）、チップ割れ、２６０℃リフロー耐性、温度サイクル寿命の全ての評価項目で判定基準をクリアできている。Ｓｂ量が多いとＮo.１６，１８の比較例のように高い接合温度が必要で、しかも高温域で凝固するため熱応力が大きくなってチップ割れが発生する。Ｎo.１７の比較例のようにＣｕを無くしてＡｇのみの３元系の合金にすると、液相温度のみ上昇して接合温度が上昇するものの固相温度が上がらないため、２６０℃リフロー耐性が得られない。
【００５３】
本発明の接合材料を用いた場合でも、応力緩衝板８を用いなかった場合はチップ割れを引き起こし、熱膨張率が６.7ｐｐｍ／ｋ以下の応力緩衝板８を用いた場合には、ダイパッド４と応力緩衝板８の間で高い熱応力が発生し、ダイパッド４のＮｉめっきが下地と剥離する現象が生じた。
【００５４】
これらのことから、応力緩衝板８の熱膨張率はダイパッド４と半導体チップ１の中間領域が適正であると判断できる。Ｎo.８〜１２はＢｉ−ＡｇにＳｂを加えた合金を接合材としてパッケージを組み立てた場合の評価結果を示すものである。接合材９，１０の合金組成を５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％で５ｗｔ％≦Ｓｂ≦２０ｗｔ％の組成とすれば、応力緩衝板８を使うことで全ての評価項目で判定基準をクリアできている。
【００５５】
しかしながら、Ｎo.２１，２３の比較例のようにＳｂ量が少ないと固相温度が２６２℃と低く２６０℃リフロー試験に耐えることができない。また、Ｎo.２５の比較例のようにＳｂ量が多いと固相と液相温度が上昇して接合温度に４００℃以上が必要になり、硬さも増してチップ割れが発生している。
【００５６】
以上のように、熱膨張率が半導体チップ１とダイパッド４の中間の値（８〜１２ｐｐｍ／ｋ）の応力緩衝板８を適用し、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金あるいはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金を接合材９，１０に用いることによって、鉛フリー半田で所定の信頼性を有するトランジスタパッケージ製品（パワー半導体パッケージ１２６）を提供することができる。
【００５７】
図６および図７は、本実施の形態の変形例のパワー半導体パッケージ（半導体装置）３４を示すものであり、Ｃｕ合金製のダイパッド２５の素子搭載領域上に、降伏強度あるいは耐力がＣｕ合金より低い軟質性の応力緩衝手段を所定の厚さで配置するものであり、前記応力緩衝手段として材質的に柔らかいＡｇを選択し、予めＣｕ合金製のダイパッド２５上に厚さ２０μｍｔのＡｇめっき膜２９が配置されているものである。
【００５８】
Ａｇめっき膜２９の上に表層が、Ｔｉ／ＮｉＰ／ＡｇあるいはＴｉ／Ｎｉ／ＡｇあるいはＴｉ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ａｇから成る裏面２１ｂ側の電極２４を有した半導体チップ２１がＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金３０でダイボンディングされている。半導体チップ２１の主面２１ａの主電極２２および制御電極２３と、第１リード２７および第２リード２８間はボンディングされたＡｌワイヤ３２，３３でそれぞれ結線されている。第３リード２６は、ダイパッド２５と一体で繋がっている。
【００５９】
半導体チップ２１とＡｌワイヤ３２，３３とＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金３０の全体、およびダイパッド２５、第１リード２７、第３リード２６および第２リード２８のそれぞれ一部を覆うように封止体３１が形成されている。
【００６０】
本実施の形態によれば、Ｃｕ合金製のダイパッド２５上に柔らかいＡｇめっき膜２９を厚く形成してその上に半導体チップ２１がダイボンディングされたものであり、Ｃｕ合金製のダイパッド２５上に降伏強度あるいは耐力が低い軟質材のＡｇめっき膜２９を施した構造であることにより、Ｃｕ合金のダイパッド２５とＳｉの半導体チップ２１の間で発生する熱歪を低い応力状態で軟質材のＡｇめっき膜２９が塑性変形して吸収するため、半導体チップ２１に高い応力が発生することが無くなる。
【００６１】
その結果、ダイボンディング後の冷却過程や実装プロセスまたは温度サイクル印加時の加熱冷却過程において、半導体チップ２１が割れるという問題を無くすことができる。
【００６２】
また、ダイパッド２５と半導体チップ２１間に生じる熱歪がＡｇめっき膜２９の塑性変形で吸収され、半導体チップ２１に高い応力が加わらないためチップ割れが発生せず、かつ接合材にＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金３０を用いているため、環境負荷の小さいトランジスタパッケージ製品（パワー半導体パッケージ３４）を提供することができる。さらに、Ａｇめっき膜２９が予めダイパッド２５上に形成されているため、トランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ３４）の組み立てを従来と全く同一の方法で行うことができ、特別な設備投資をすることなく、半導体装置（製品）の鉛フリー化を図ることができる。
【００６３】
次に、図８および図９に示す変形例の半導体装置であるパワー半導体パッケージ４８は、Ｃｕ合金製のダイパッド４３のチップ搭載面に予めＦｅ−Ｎｉ合金あるいはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる低熱膨張部材（応力緩衝手段）４４が圧延で埋め込まれており、その上にＮｉめっき膜４５が施されている。裏面４１ｂの電極４２が形成された半導体チップ４１が、主面４１ａを上方に向けた状態で、低熱膨張部材４４が埋設された位置にＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなる接合材４７によってダイボンディングされている。なお、ダイパッド４３のＮｉめっき膜４５が形成された面と反対側の面にもＮｉめっき膜４６が形成されている。
【００６４】
変形例のパワー半導体パッケージ４８によれば、応力緩衝手段である低熱膨張部材４４が予めダイパッド４３に埋め込まれているとともに、その表面にＮｉめっき膜４５が形成されているため、従来の半導体装置と同じ組み立て工程でパワー半導体パッケージ４８を組み立てることが可能になり、さらに、従来の設備で鉛フリー半田の半導体装置を組み立てることができる。また、組み立て工数も従来の組み立てと同じであり、生産性に優れたパワー半導体パッケージ４８を提供することができる。
【００６５】
次に、図１０および図１１に示す変形例の半導体装置であるパワー半導体パッケージ５６は、熱歪を緩和する構造を示しており、Ｃｕ合金製のダイパッド５３の素子搭載領域の下部（内部）に、プレス加工、またはプレス加工と切断加工を複数回行うことによって、内包された微細な空隙部（応力緩衝手段）５４が複数形成されているものである。空隙部５４の形成エリアはチップサイズより大きくなっており、空隙部５４の深さは０.2〜０.4ｍｍ程度である。さらに、空隙部５４間のＣｕ合金部分の厚さは０.2〜０.5ｍｍ程度に形成されている。空隙部５４は、まず、プレス加工などで開口部を有したスリットを形成し、その後２回目のプレス加工で前記開口部を潰して塞ぐことによって内包された空隙部５４を形成できる。
【００６６】
なお、空隙部５４は、図１１に示すように格子状に形成されている。格子状に形成された空隙部５４の上のＣｕ合金のダイパッド５３上に、主面５１ａを上方に向けた状態の半導体チップ５１が、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金あるいはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の接合材５５によってダイボンディングされている。すなわち、半導体チップ５１の裏面５１ｂの電極５２が接合材５５と接合されている。
【００６７】
変形例のパワー半導体パッケージ５６によれば、ダイパッド５３の素子搭載領域の下部に、内包された空隙部５４が形成されているため、この空隙部５４によって半導体チップ５１とダイパッド５３間の熱歪が吸収され、半導体チップ５１に高い熱応力が発生しなくなるためチップ割れを防止することができる。また、ダイパッド５３を有するリードフレーム部材に特殊な材料を付加していないため、前記リードフレーム部材のコストを低く抑えることができ、低コストで鉛フリー半田のトランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ５６）を実現することができる。
【００６８】
図１２および図１３にそれぞれ示す変形例の半導体装置であるパワー半導体パッケージ６９，７９は、それぞれ半導体チップ６１，７１を搭載するダイパッド６３，７３の素子搭載領域に開放型の応力緩衝手段である溝部６４，７４を形成し、この溝部６４，７４を埋め、かつダイパッド６３，７３の素子搭載領域の上に１０μｍｔ程度の厚さになるようにＡｇめっき膜６５，７５を形成したものである。
【００６９】
接合材６８にＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金を使う図１２に示すパワー半導体パッケージ６９の場合には、Ａｇめっき膜６５を形成したダイパッド６３の表面にＮｉめっき膜６６を、かつその反対側の面にＮｉめっき膜６７を施している。これは、ＡｇとＳｎ系半田とではＡｇがＳｎ系半田に溶け込んでＳｎ系半田の融点が変化してしまうため、これを防ぐ目的でＮｉめっき膜６６，６７を形成している。
【００７０】
したがって、パワー半導体パッケージ６９では、Ｃｕ合金のダイパッド５３上のＡｇめっき膜６５の上にＮｉめっき膜６６を介在させて、主面６１ａを上方に向けた状態の半導体チップ６１が、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金の接合材６８によってダイボンディングされている。すなわち、半導体チップ６１の裏面６１ｂの電極６２が接合材６８と接合されている。
【００７１】
一方、接合材７８にＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金を使う図１３に示すパワー半導体パッケージ７９の場合には、Ｃｕ合金のダイパッド７３の上に直接半導体チップ７１がダイボンディングされている。これは、ＮｉとＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金では、反応が激しくＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の特性が変化してしまうため、これを防ぐ目的でＮｉ系のめっき膜は介在させずに、Ａｇめっき膜７５上に直接Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の接合材７８を配置して半導体チップ７１の固着を行っている。
【００７２】
したがって、パワー半導体パッケージ７９では、Ｃｕ合金のダイパッド７３上のＡｇめっき膜７５の上に、主面７１ａを上方に向けた状態の半導体チップ７１が、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金の接合材７８によって直接ダイボンディングされている。すなわち、半導体チップ７１の裏面７１ｂの電極７２が接合材７８と接合されている。
【００７３】
変形例のパワー半導体パッケージ６９，７９によれば、それぞれダイパッド６３，７３に開放型の溝部６４，７４を設け、そこに柔らかいＡｇめっき膜６５，７５を施しているため、半導体チップ６１，７１／Ｃｕ合金のダイパッド６３，７３間の大きな熱歪を吸収できる構造となっており、チップサイズが大きい場合であってもチップ割れを防ぐことができる。また、図１０に示す内包型の空隙部５４に比較して製造が容易であり、リードフレーム部材の生産歩留まりを高めることができる。
【００７４】
次に、図１４は、本実施の形態のＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金系接合材の固相および液相温度の評価結果を示すデータである。Ｓｂ量が３ｗｔ％以下では固相温度が２７０℃より低いが、５〜２０ｗｔ％以上で固相温度を２７０℃より高く、液相温度を４００℃以下にできることが分かった。この組成で、トランジスタパッケージ（半導体装置）の実装評価を行った結果、固相温度２７０℃以上で２６０℃リフローに耐えられることが確認できた。
【００７５】
また、図１５は、本実施の形態のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金系接合材の固相および液相温度の評価結果を示すものである。（Ａｇ＋Ｃｕ）の含有量が１6.４〜１9.５ｗｔ％のとき、Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）量を４１〜５４ｗｔ％にすると固相温度を２７０℃以上、液相温度を４００℃以下にできることが分かった。この組成で、トランジスタパッケージ（半導体装置）の実装評価を行った結果、固相温度２７０℃以上で２６０℃リフローに耐えられることをＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金系と同様に確認できた。
【００７６】
図１７に示す変形例の半導体装置であるパワー半導体パッケージ１４０は、両面の電極を半田で接合するＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor) タイプのトランジスタパッケージに本発明を適用した例である。
【００７７】
パワー半導体パッケージ１４０の構造について説明すると、半導体チップ１３３の裏面１３３ｂ側（下側）の電極１３３ｄはダイパッド１３１との間にＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ積層板（厚さ比＝１：１：１、平均熱膨張率１０〜１１ｐｐｍ／ｋ）から成る応力緩衝手段である応力緩衝板１３４が挿入され、その上下の接合箇所がＳｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−９Ｃｕ半田１３５，１３６で接合されている。一方、主面１３３ａ側（回路側）の電極１３３ｃはＡｌパッド上にＣｒ／ＮｉのメタライズあるいはＡｌパッド上にジンケート処理後Ｎｉめっきが施され、それぞれの外部接続端子用のリード１３２にダイボンディングと同じＳｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−９Ｃｕ半田１３７，１３８で接合されている。
【００７８】
リード１３２は、応力緩衝板１３４と同様の低熱膨張で電気伝導性のよいＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ積層板で構成されている。ダイボンディングまでの組立プロセスは、図４に示す組み立て工程と同じである。主面１３３ａ側の電極１３３ｃの接合は、３６０〜３８０℃のダイボンディング後に３００℃以下に冷却され、その状態で電極１３３ｃ上にペースト状の半田を供給し、さらに複数のリード１３２が一体化したリードフレーム部材を位置合わせして配置し、前記リードフレーム部材の上側からヒートブロックを押し付けて複数の半導体チップ１３３を一括して接合している。最後にトランスファモールドによって樹脂封止を行って封止体１３９を形成し、その後、ダイパッド１３１とリード１３２をそれぞれ前記リードフレーム部材から切断してパワー半導体パッケージ１４０の完成となる。
【００７９】
図１７に示す変形例のパワー半導体パッケージ１４０によれば、パッケージ内部の全ての接続部を鉛フリー半田で接合しているため、環境に悪影響を与えないトランジスタパッケージを提供することができ、しかもソース電極（電極１３３ｃ）とリード１３２を広い面積でＳｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−９Ｃｕ半田１３７で接合しているため、接続部の電気抵抗（オン抵抗）が小さく低損失のパッケージを提供することができる。また、Ａｌワイヤボンディングに比較して、チップ上部の厚み寸法を薄くすることができ、リード１３２のボンディングエリアを省略することができ、その結果、パッケージ寸法を小さくすることができる。
【００８０】
図１８および図１９に示す変形例の半導体装置は、リードフレーム部材を使って組み立てるマルチチップパッケージ１５１に本発明を適用したものである。
【００８１】
マルチチップパッケージ１５１の構造について説明すると、複数の外部接続用端子であるリード１４４と、複数のダイパッド１４１，１４２，１４３から成る前記リードフレーム部材から組み立てられ、各ダイパッドにそれぞれ１つの半導体チップ１４６がダイボンディングされている。すなわち、複数の半導体チップ１４６が組み込まれた半導体装置である。
【００８２】
各ダイパッドと半導体チップ１４６の間には応力緩衝手段である低熱膨張の応力緩衝板１４７が挿入されており、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ半田１４８，１４９で接合されている。半導体チップ１４６の主面１４６ａ側（回路面側）の電極１４６ｃと、リード１４４あるいは電気的接続が必要なダイパッドとがＡｌワイヤ１５０によるワイヤボンディングによって接続されている。また、裏面１４６ｂの電極１４６ｄは、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ半田１４８と応力緩衝板１４７とＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ半田１４９を介してダイパッドと接続されている。さらに、各半導体チップ１４６とＡｌワイヤ１５０と半田と、リード１４４およびダイパッドの一部とが封止用樹脂によって形成された封止体１４５によって封止されている。
【００８３】
図１８および図１９に示す変形例のパマルチチップパッケージ１５１によれば、複数の半導体チップ１４６で構成された高機能で、かつ鉛フリー半田の半導体パッケージを提供することができ、さらにダイボンデイングを金属接合で行っているため、環境に優しくパワーサイクルや温度サイクル信頼性を高くすることができる。また、高融点半田を使っているため、高温信頼性にも優れるという利点がある。
【００８４】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００８５】
例えば、前記実施の形態では、半導体装置がトランジスタパッケージ（パワー半導体パッケージ）の場合を主に説明したが、前記半導体装置は、トランジスタパッケージに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、半導体装置および半導体製造技術に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の実施の形態の半導体装置の内部構造の一例を封止体を透過して示す平面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の半導体装置の組み立てに用いられるリードフレームの構造の一例を示す図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断した断面の構造を示す部分断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の半導体装置の組み立て手順の一例を示す製造プロセスフロー図である。
【図５】本発明の実施の形態の半導体装置に組み込まれる応力緩衝板と半田をパラメータとした半導体装置の評価結果の一例を示す結果データ図である。
【図６】本発明の実施の形態の半導体装置の変形例であるトランジスタの内部構造を封止体を透過して示す平面図である。
【図７】図６に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図である。
【図９】図８に示す半導体装置の構造を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図である。
【図１１】図１０に示すＡ−Ａ線に沿って切断した断面の構造を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の構造を示す部分断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態の半導体装置に用いられるＢｉ−Ａｇ−Ｓｂ系合金の固相・液相温度の評価結果の一例を示すデータ図である。
【図１５】本発明の実施の形態の半導体装置に用いられるＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の固相・液相温度の評価結果の一例を示す結果図である。
【図１６】本発明の実施の形態の半導体装置に用いられるＢｉ−Ａｇ系合金の２元状態図の一例を示す状態図である。
【図１７】本発明の実施の形態の半導体装置の変形例であるトランジスタの構造を示す断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態の変形例の半導体装置の裏面側の構造を示す裏面図である。
【図１９】図１８に示すＢ−Ｂ線に沿って切断した断面の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１，２１，４１，５１，６１，７１，１１７，１３３，１４６ 半導体チップ（半導体素子）
１ａ，２１ａ，４１ａ，５１ａ，６１ａ，７１ａ，１１７ａ，１３３ａ，１４６ａ 主面
１ｂ，２１ｂ，４１ｂ，５１ｂ，６１ｂ，７１ｂ，１１７ｂ，１３３ｂ，１４６ｂ 裏面
２，２２ 主電極
３，２３ 制御電極
４，２５，４３，５３，６３，７３，１０１，１３１，１４１，１４２，１４３ ダイパッド
５，２６ 第３リード
６，２７ 第１リード
７，２８ 第２リード
８，１０９，１３４，１４７ 応力緩衝板（応力緩衝手段）
９，１０，４７，５５，６８，７８ 接合材
１１，３１，１２５，１３９，１４５ 封止体
１２，１３，３２，３３，１２１，１２２，１５０ Ａｌワイヤ
１４，３４，４８，５６，６９，７９，１２６，１４０ パワー半導体パッケージ（半導体装置）
１５，２４，４２，５２，６２，７２ 電極
２９ Ａｇめっき膜（応力緩衝手段）
３０ Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂ合金（接合材）
４４ 低熱膨張部材（応力緩衝手段）
４５，４６，６６，６７ Ｎｉめっき膜
５４ 空隙部（応力緩衝手段）
６４，７４ 溝部（応力緩衝手段）
６５，７５ Ａｇめっき膜
１００ リードフレーム
１０２，１３２，１４４ リード
１０３，１０４ 吊りリード
１０５ フレーム部
１０６，１１４ ディスペンサ
１０７，１１５ 半田ペースト
１０８，１１６ 溶融半田
１１０，１１８ コレット
１１１ 吸引
１１２，１１９ スクラブ
１１３，１２０ 半田接合
１２３ ボンディングツール
１２４ 超音波振動
１３３ｃ，１３３ｄ 電極
１３５，１３６，１３７，１３８ Ｓｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−９Ｃｕ半田
１４６ｃ，１４６ｄ 電極
１４８，１４９ Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ半田
１５１ マルチチップパッケージ（半導体装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面と、その反対側の裏面と、前記主面に形成された電極と、前記裏面に形成された電極と、前記主面に形成された回路とを備えた半導体素子と、
前記半導体素子の前記裏面の電極と接合する導電性のダイパッドと、
前記半導体素子の前記主面の電極と電気的に接続する導電性のリードと、
前記半導体素子と前記ダイパッドと前記リードの一部を封止する封止体と、
前記半導体素子と前記ダイパッドの間に配置され、かつ前記ダイパッドを形成する主材料より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝手段とを有し、
前記半導体素子と前記応力緩衝手段とが、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金のいずれかの接合材によって接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、前記ダイパッドおよび前記リードを形成する前記主材料はＣｕ合金であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、熱膨張率が８〜１２ｐｐｍ／Ｋの複合材からなる薄板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、前記ダイパッドの素子搭載領域上に配置されたＡｇめっき膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、前記ダイパッドの素子搭載領域の内部に形成された複数の空隙部であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、縦と横の平面寸法が前記半導体素子より大きく、かつ前記ダイパッドより小さい薄板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置において、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金は、４３ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で１５ｗｔ％≦（Ａｇ＋Ｃｕ）≦２５ｗｔ％の条件を満たす組成となっており、さらに前記Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金は、５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％で５ｗｔ％≦Ｓｂ≦２０ｗｔ％の条件を満たす組成となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体装置において、前記半導体素子の前記主面にはトランジスタ素子の回路が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１記載の半導体装置において、前記半導体素子が複数個組み込まれていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
縦型の半導体素子と、前記半導体素子の裏面の電極に接合するＣｕ合金のダイパッドと、前記半導体素子の回路側の主電極に電気的に接続されるＣｕ合金の第１リードと、前記半導体素子の回路側の制御電極に電気的に接続されるＣｕ合金の第２リードと、前記半導体素子と前記ダイパッドと前記第１および第２リードの一部を覆う樹脂製の封止体とを有する半導体装置であって、
前記ダイパッドと前記半導体素子の間に前記Ｃｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝手段が配置され、前記半導体素子と前記応力緩衝手段とが、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金のいずれかの接合材によって接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、熱膨張率が８〜１２ｐｐｍ／Ｋの複合材からなる薄板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、前記ダイパッドの素子搭載領域上に配置されたＡｇめっき膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１０記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、前記ダイパッドの素子搭載領域の内部に形成された複数の空隙部であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１０記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、縦と横の平面寸法が前記半導体素子より大きく、かつ前記ダイパッドより小さい薄板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１０記載の半導体装置において、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金は、４３ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で１５ｗｔ％≦（Ａｇ＋Ｃｕ）≦２５ｗｔ％の条件を満たす組成となっており、さらに前記Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金は、５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％で５ｗｔ％≦Ｓｂ≦２０ｗｔ％の条件を満たす組成となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
半導体素子と、前記半導体素子の裏面の電極に接合するＣｕ合金のダイパッドと、前記半導体素子の電極に電気的に接続されるＣｕ合金のリードと、前記半導体素子と前記ダイパッドと前記リードの一部を覆う樹脂製の封止体とを有する半導体装置の製造方法であって、
（ａ）前記ダイパッドと前記リードを有するリードフレームを準備する工程と、
（ｂ）前記リードフレームの前記ダイパッド上にペースト状または粒状からなりかつ鉛を含まない半田を供給して溶融させる工程と、
（ｃ）前記半田の上に前記Ｃｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝板を配置し、その後、前記応力緩衝板の加圧とスクラブを行って前記応力緩衝板を固着する工程と、
（ｄ）前記応力緩衝板の上にペースト状または粒状からなりかつ鉛を含まない半田を供給して溶融させる工程と、
（ｅ）前記（ｄ）工程で供給された前記半田の上に前記半導体素子を配置し、その後、前記半導体素子の加圧とスクラブを行って前記半導体素子を固着する工程と、
（ｆ）前記半導体素子の前記電極と前記リードフレームの前記リードとを電気的に接続する工程と、
（ｇ）前記半導体素子、前記ダイパッドおよび前記リードの一部を覆うように樹脂モールドを行って前記封止体を形成する工程と、
（ｈ）前記封止体から突出する前記リードを前記リードフレームから切断分離する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の半導体装置の製造方法において、前記鉛を含まない半田として、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金のいずれかの接合材を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
主面と、その反対側の裏面と、前記主面に形成された電極と、前記裏面に形成された電極と、前記主面に形成された回路とを備えた半導体素子と、
前記半導体素子の前記裏面の電極と接合する導電性のダイパッドと、
前記半導体素子の前記主面の電極と電気的に接続する導電性のリードと、
前記半導体素子と前記ダイパッドと前記リードの一部を封止する封止体と、
前記半導体素子と前記ダイパッドの間に配置され、かつ前記ダイパッドを形成する主材料より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝手段とを有し、
前記半導体素子と前記応力緩衝手段とが、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金のいずれかの接合材によって接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、前記ダイパッドおよび前記リードを形成する前記主材料はＣｕ合金であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、熱膨張率が８〜１２ｐｐｍ／Ｋの複合材からなる薄板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、前記ダイパッドの素子搭載領域上に配置されたＡｇめっき膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、前記ダイパッドの素子搭載領域の内部に形成された複数の空隙部であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、縦と横の平面寸法が前記半導体素子より大きく、かつ前記ダイパッドより小さい薄板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置において、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金は、４３ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で１５ｗｔ％≦（Ａｇ＋Ｃｕ）≦２５ｗｔ％の条件を満たす組成となっており、さらに前記Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金は、５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％で５ｗｔ％≦Ｓｂ≦２０ｗｔ％の条件を満たす組成となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体装置において、前記半導体素子の前記主面にはトランジスタ素子の回路が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１記載の半導体装置において、前記半導体素子が複数個組み込まれていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
縦型の半導体素子と、前記半導体素子の裏面の電極に接合するＣｕ合金のダイパッドと、前記半導体素子の回路側の主電極に電気的に接続されるＣｕ合金の第１リードと、前記半導体素子の回路側の制御電極に電気的に接続されるＣｕ合金の第２リードと、前記半導体素子と前記ダイパッドと前記第１および第２リードの一部を覆う樹脂製の封止体とを有する半導体装置であって、
前記ダイパッドと前記半導体素子の間に前記Ｃｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝手段が配置され、前記半導体素子と前記応力緩衝手段とが、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金のいずれかの接合材によって接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、熱膨張率が８〜１２ｐｐｍ／Ｋの複合材からなる薄板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、前記ダイパッドの素子搭載領域上に配置されたＡｇめっき膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１０記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、前記ダイパッドの素子搭載領域の内部に形成された複数の空隙部であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１０記載の半導体装置において、前記応力緩衝手段は、縦と横の平面寸法が前記半導体素子より大きく、かつ前記ダイパッドより小さい薄板であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１０記載の半導体装置において、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金は、４３ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で１５ｗｔ％≦（Ａｇ＋Ｃｕ）≦２５ｗｔ％の条件を満たす組成となっており、さらに前記Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金は、５ｗｔ％≦Ａｇ／（Ｂｉ＋Ａｇ）≦２５ｗｔ％で５ｗｔ％≦Ｓｂ≦２０ｗｔ％の条件を満たす組成となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
半導体素子と、前記半導体素子の裏面の電極に接合するＣｕ合金のダイパッドと、前記半導体素子の電極に電気的に接続されるＣｕ合金のリードと、前記半導体素子と前記ダイパッドと前記リードの一部を覆う樹脂製の封止体とを有する半導体装置の製造方法であって、
（ａ）前記ダイパッドと前記リードを有するリードフレームを準備する工程と、
（ｂ）前記リードフレームの前記ダイパッド上にペースト状または粒状からなりかつ鉛を含まない半田を供給して溶融させる工程と、
（ｃ）前記半田の上に前記Ｃｕ合金より低熱膨張、低降伏応力または低弾性率の応力緩衝板を配置し、その後、前記応力緩衝板の加圧とスクラブを行って前記応力緩衝板を固着する工程と、
（ｄ）前記応力緩衝板の上にペースト状または粒状からなりかつ鉛を含まない半田を供給して溶融させる工程と、
（ｅ）前記（ｄ）工程で供給された前記半田の上に前記半導体素子を配置し、その後、前記半導体素子の加圧とスクラブを行って前記半導体素子を固着する工程と、
（ｆ）前記半導体素子の前記電極と前記リードフレームの前記リードとを電気的に接続する工程と、
（ｇ）前記半導体素子、前記ダイパッドおよび前記リードの一部を覆うように樹脂モールドを行って前記封止体を形成する工程と、
（ｈ）前記封止体から突出する前記リードを前記リードフレームから切断分離する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の半導体装置の製造方法において、前記鉛を含まない半田として、固相温度２７０℃以上で液相温度が４００℃以下のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕを主要構成元素とする合金、またはＢｉ−Ａｇ−Ｓｂを主要構成元素とする合金のいずれかの接合材を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００６−１９０８５０（Ｐ２００６−１９０８５０Ａ）
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０１６（Ｐ２００５−２０１６）
【出願日】平成１７年１月７日（２００５．１．７）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月７日（２００５．１．７）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
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