半導体装置およびダイボンド材
【課題】高溶融温度を有し、鉛を含まない安価な接合材料を提供し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することを目的とする。
【解決手段】融点が２００℃〜２３０℃の接合材料を用いてマザーボードに接合される半導体装置において、半導体基板１１に半導体素子１３を接合するダイボンド材である接合材料１５を、０．８重量％〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅを含むＢｉ合金とすることで、半導体装置のマザーボードへのリフローによる接合の際に、半導体基板１１に半導体素子１３を接合する接合材料１５が溶融しないため、半導体素子１３の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【解決手段】融点が２００℃〜２３０℃の接合材料を用いてマザーボードに接合される半導体装置において、半導体基板１１に半導体素子１３を接合するダイボンド材である接合材料１５を、０．８重量％〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅを含むＢｉ合金とすることで、半導体装置のマザーボードへのリフローによる接合の際に、半導体基板１１に半導体素子１３を接合する接合材料１５が溶融しないため、半導体素子１３の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と半導体基板との接合に用いるダイボンド材とダイボンド材を使用した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に実装される半導体素子は、外部端子電極を備える半導体基板と電気的に接合する電極を備え、接合に用いる接合材料には、はんだ材料が一般に用いられている。半導体素子をダイボンドする際に注意するべき内容は、ダイボンド材の元素成分である。そして、半導体素子をダイボンドするには、半導体素子が傾くことなく、かつボイドがない状態で半導体基板に電気的接続されるダイボンド材を選択する必要がある。
【０００３】
その半導体装置も、別の接合材料を用いてマザーボードに実装され、その接合材料は、一般に融点が２００〜２３０℃のはんだ材料が用いられている。
半導体装置をマザーボードに実装する際には、半導体装置がマザーボードの所定の位置にはんだ材料を用いて固定できるように準備して、主に熱風方式のリフロー装置により、マザーボードとともに加熱し、融点が２００〜２３０℃のはんだ材料を溶融させる。このとき、半導体装置の温度は２３０〜２６０℃に達するが、半導体装置の内部で半導体素子と半導体基板電極とを接合しているはんだ材料が溶融すると、はんだ材料の移動による意図しない電気的接続が生じ、不具合になる可能性がある。よって、半導体装置の内部に用いる接合材料は、リフロー装置内で到達する半導体装置の最高温度よりも高い溶融温度を有することが要求される。またさらに、金属間化合物を生じてダイボンド材の融点を下げていくことも避けなければならないので温度やそのプロセス回数に対応できる材料の選択は重要であり、かつ接合部の機械的強度劣化による剥離についても注意しなければならない。
【０００４】
組成として錫を含むはんだ材料は、被接合材の金属と金属間化合物相を形成し、この金属間化合物層が経時変化し接合部の機械的強度劣化を生じている。
そこで、従来の半導体装置の内部で半導体素子と半導体基板電極とを接合するはんだ材料には、例えば、鉛を主成分として含み、約３重量％のＳｎを含む、溶融温度３１９℃のＰｂ−Ｓｎ合金が用いられている。
【０００５】
しかしながら、従来から用いられている半導体素子用ダイボンド材において、鉛−錫（Ｐｂ−Ｓｎ）はんだ、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）はんだでは、金属として鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）を含有しており、将来的にはダイボンド材としての使用を避けている金属であり、ダイボンド材としては不適であった。特に鉛を用いた場合、廃棄物中のはんだ材料から、鉛が土壌に溶出することが懸念される。近年、地球環境保護への関心が高まってきており、鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）の開発が進められている。例えば、溶融温度が２００〜２５０℃のＰｂ−Ｓｎ合金からなるはんだ材料は、Ｓｎ−Ａｇ合金もしくはＳｎ−Ｃｕ合金からなるはんだ材料に置き換えられつつある。溶融温度が２６０℃以上のはんだ材料としては、主成分であるＢｉと少量のＡｇとを含むはんだ材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ただし銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）を使用するはんだは、金属自身の価格が高く、ダイボンド材として価格が高価になり、生産コスト上の問題があった。鉛−インジウム（Ｐｂ−Ｉｎ）はんだでは、鉛（Ｐｂ）を含有しているのに加えて、融点が１７３℃と低いため、動作時に発熱を伴う電力用半導体素子のダイボンド材としては不適であった。
【０００７】
そこでＢｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとあるいは０．０２〜０．０８重量％のＮｉとを含む接合材料を用いた電子部品に関するはんだ材料が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−３５３５９０号公報
【特許文献２】特許第３８８６１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の、Ｂｉを主成分とし、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む合金からなる接合材料をダイボンド材としてはんだに用いる場合、リフローなどでマザーボードに実装する温度に近いため、実装信頼性をあげるためにはさらに融点を上げる必要があった。
【０００９】
本発明は、満足できる、例えば２８０℃以上の溶融温度を有し、鉛を含まない安価な接合材料を提供し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の半導体装置は、半導体素子を半導体基板に搭載してなる半導体装置であって、前記半導体基板に形成される１または複数の外部金属端子と、前記半導体素子と前記半導体基板とをそれぞれの電極を介して電気的に接続するための接続部と、前記半導体素子と前記半導体基板を接合するＢｉを主成分とする合金からなるダイボンド材とを有し、前記合金が０．８〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含むことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記Ｃｕの含有量が０．８〜３．８重量％であり、前記Ｇｅの含有量が０．０２〜０．０５重量％であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の半導体装置は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置において、前記合金が、さらに０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の半導体装置は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置において、前記合金が、さらに０．０２〜０．０５重量％のＮｉを含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項５記載のダイボンド材は、半導体基板に半導体素子を接合するダイボンド材であって、Ｂｉを主成分とし、０．８〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む合金であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載のダイボンド材は、請求項５記載のダイボンド材において、前記Ｃｕの含有量が０．８〜３．８重量％であり、前記Ｇｅの含有量が０．０２〜０．０５重量％であることを特徴とする。
【００１６】
請求項７記載のダイボンド材は、請求項５または請求項６のいずれかに記載のダイボンド材において、前記合金が、さらに０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項８記載のダイボンド材は、請求項５または請求項６のいずれかに記載のダイボンド材において、前記合金が、さらに０．０２〜０．０５重量％のＮｉを含むことを特徴とする。
【００１８】
以上により、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、融点が２００℃〜２３０℃の接合材料を用いてマザーボードに接合される半導体装置において、半導体基板に半導体素子を接合するダイボンド材である接合材料を、０．８重量％〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅを含むＢｉ合金とすることで、半導体装置のマザーボードへのリフローによる接合の際に、半導体基板に半導体素子を接合する接合材料が溶融しないため、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施の形態１）
本実施形態の半導体素子接合用のダイボンド材である接合材料は、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．８〜１０重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む。融点を上げる工夫については、２７０℃の融点であるＢｉを主成分とする合金に１０８３℃の融点であるＣｕを加えていく量が多くなればなるほど上がっていくことは知られている。ただ合金として０．８〜１０重量％のＣｕを均等に配置させるには、１２００℃の溶融るつぼに入れてＣｕをいったん溶融させ、冷却速度を速めることでＣｕの粒子が大きくならないようにする必要がある。さらに、Ｃｕの含有量は０．８〜３．８重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．０５重量％が好ましい。Ｂｉを主成分とする合金が３元合金（３種の元素からなる合金）である場合、ＣｕとＧｅ以外の残部はＢｉのみからなる。
【００２１】
このような接合材料は、２８０℃以上の溶融温度を有するため、例えば表面実装タイプの半導体装置のような小型で電力用半導体素子を実装する場合に用いる接合材料として適している。半導体装置内部で用いられている接合材料の溶融温度が高いため、リフロー装置を用いて半導体装置をマザーボードに実装する際に半導体装置の不良が抑制される。また、本実施形態の接合材料は、高価な元素（例えばＡｇやＡｕ）を含まないため、安価で製造することができ、更に、鉛を含まないため、鉛フリーとして提供することができる。
【００２２】
２８０℃以上の溶融温度を有する接合材料を得る場合、共晶点温度が２８０℃以上である２元合金（２種の元素からなる合金）をベース（母材）に用いることが有効である。多くの元素の中から共晶点温度が２８０℃以上となる元素の組み合わせを選ぶ際、重視すべき点は、元素の毒性の有無と価格である。Ｐｂ、Ｈｇ、Ｓｂ、Ｓｅ等の元素は、毒性の点から除外される。
【００２３】
図５は２元合金の共晶点温度を示す図であり、縦軸の元素と横軸の元素との交点に示した数値は、それら２種の元素からなる合金の共晶点温度である。図５から、例えば、Ｓｎ−Ａｇ合金の共晶点温度は２２１℃であり、Ｎｉ−Ｃｕ合金には共晶点が存在しないことがわかる。また、ＢｉとＣｕとの組み合わせ、または、ＢｉとＧｅとの組み合わせが、共晶点温度が２７０〜３００℃の合金を与えることがわかる。
【００２４】
この図において、ＢｉとＣｕとの共晶合金は、９９．５重量％のＢｉと０．５重量％のＣｕとを含む（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ）。ＢｉとＧｅとの共晶合金は、９９重量％のＢｉと１重量％のＧｅとを含む（Ｂｉ−１％Ｇｅ）。しかし、Ｇｅの価格はＣｕの約４２０倍と高価である。よって、安価な材料を提供する観点からは、ＢｉとＣｕとの組み合わせが有利である。
【００２５】
図６はＢｉとＣｕとの二元合金（Ｂｉ−Ｃｕ合金）におけるＣｕ含有量（重量％）とＢｉ−Ｃｕ合金の融点（液相温度または固相温度）との関係を示す図である。
図６において、Ｃｕの含有量が増えるにつれて融点が高くなり、０．８重量％では目標である２８０℃に達する。この接合材料の融点以上で均等にかつ安定した温度状態であるヒータを巻きつけ、吐出先端を必要量に制御できる形状にした溶融ポット内に接合材料を液状化させて保持し、その溶融ポット上部から圧力をかけて溶融ポット下部に液状化した接合材料を吐出させたい対象物である半導体基板を設置し、圧力をかける時間でもって制御する。その際接合材料においては液相温度と固相温度との差が小さいほうが作業性はよいが、作業の安定性を考慮してその液相温度よりも３０℃から５０℃高く溶融ポットのヒータ温度を設定しているので、Ｃｕの含有率が１０重量％までは課題と考えなくてもよい。しかし３．８重量％以上であるとＢｉとの合金を作れないＣｕの割合が増えることによって粘性が高くなり、作業性および濡れ性が低下する。一方、Ｃｕの含有量が０．８重量％未満になると、融点が目標値より下がり、２次実装時のリフローでの再溶融によって溶融した接合材料と電極等との濡れ性が低下する可能性が高くなる。よって、Ｃｕの含有量は０．８重量％以上であることが望ましい。
【００２６】
以上より、Ｃｕの含有量は０．８重量％以上１０重量％以下であることが望ましい。また、Ｃｕの含有量を０．８〜３．８重量％とすることにより、作業性を考慮した更に物性バランスに優れた接合材料を得ることができる。特にこの接合材料の液相温度よりも３０℃から５０℃高く均等にかつ安定した温度状態にできるようにヒータを巻きつけることにより容易にこの接合材料を得ることができる。
【００２７】
０．２〜０．８重量％のＣｕを含むＢｉ−Ｃｕ合金は、２７０℃未満の温度で溶融しない点では優れた接合材料である。しかし、メニスカス法による試験では、濡れ性が低いという知見が得られている。Ｂｉ−Ｃｕ合金は、９９．５重量％という多量のＢｉを含む。そのため、合金内における酸化物の生成量が多くなっており、このことが濡れ性に影響していると考えられる。Ｂｉの酸化は、Ｂｉよりも優先的に酸化する元素を、Ｂｉ−Ｃｕ合金に微量添加することにより、抑制できると考えられる。Ｂｉよりも優先的に酸化する元素としては、Ｇｅ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｐ等が挙げられる。
【００２８】
図７はＢｉ−Ｃｕ合金にＧｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを添加した場合の酸化物生成量を例示する図であり、９９．５重量％のＢｉと０．５重量％のＣｕとからなる共晶合金（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ）に、０．０５重量％のＧｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを添加し、３００℃で４時間攪拌したときに、試料中に生成する酸化物の生成量を示している。ただし、試料全体の重量は８ｋｇである。これらの元素を添加していない試料と比較して、Ｇｅを添加した試料では、特に酸化物の生成が抑制されていることがわかる。これは、ＧｅがＢｉ−０．５％Ｃｕの表面で優先的に酸化し、酸化膜を形成するためと考えられる。以上より、Ｂｉ−Ｃｕ合金の酸化を抑制するためには、Ｇｅの添加が適していることがわかる。
【００２９】
図８はＢｉ−Ｃｕ−Ｇｅ合金におけるＧｅ含有量と酸化物生成量との関係を示す図であり、０．５重量％のＣｕを含むＢｉとＣｕとＧｅとの三元合金（Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ合金）におけるＧｅ含有量（重量％）と、酸化物生成量との関係を示している。ただし、合金全体の重量は８ｋｇである。図８から、Ｇｅを０．０２重量％以上添加すると、酸化物の生成が抑制されるが、Ｇｅの含有量が０．３重量％以上になると、酸化物生成量が多くなることがわかる。図８より、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．２重量％が好適であり、０．０２〜０．０５重量％が更に好適であることがわかる。
【００３０】
以上のように、融点が２００℃〜２３０℃の接合材料を用いてマザーボードに接合される半導体装置において、半導体基板に半導体素子を接合するダイボンド材である接合材料を、０．８重量％〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅを含むＢｉ合金とすることで、半導体装置のマザーボードへのリフローによる接合の際に、半導体装置の温度が２３０℃〜２６０℃になったとしても、半導体基板に半導体素子を接合する接合材料が２７０℃程度までは溶融しないため、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【００３１】
また、本発明の接合材料を、特に熱容量の小さな半導体装置に用いることが有効的であり、半導体装置をマザーボードへ実装する際に発生する不良を抑制することができる。さらには半導体素子の裏面電極と接合部材、半導体基板の金属パッドと接合部材の間に金属間化合物層の成長がないため、長期的に熱やストレスがかかっても接合状態が変化せず、長期間の信頼性に耐える接合が得られる。また、２次実装時のリフローでの再溶融が抑えられ、金属間化合物の成長が抑えられる効果と２次実装による変化も抑えられ、さらに長期間の信頼性に耐える接合が得られる。これらのことにより、２次実装後の信頼性も考慮したパッケージ構成材料として採用することが可能となり、完全鉛フリー化が実現する。
（実施の形態２）
本実施形態のダイボンド材である接合材料は、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．８〜１０重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．０８重量％のＮｉとを含むことを特徴とする。ここで、実施の形態１と同様に、Ｃｕの含有量は６〜１０重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．０５重量％が好ましい。また、Ｎｉの含有量は０．０２〜０．０５重量％が好ましい。このようにＮｉを添加することにより、実施の形態１の接合材料よりも、耐衝撃性が高くなる。
【００３２】
耐衝撃性は、１．６ｍｍ×０．８ｍｍサイズのチップコンデンサの側面に、６０ｇの錘を１８０ｍｍの高さから衝突させる試験により評価できる。
９９．４６重量％のＢｉと、０．５重量％のＣｕと、０．０４重量％のＧｅとを含む３元合金（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ−０．０４％Ｇｅ）で接合された接合部を有するチップコンデンサを用い、上記の耐衝撃試験を行ったところ、チップコンデンサは接合部で破断した。破断後の接合部の断面を観察したところ、Ｂｉ含有量の多いα相と、Ｃｕ含有量の多いβ相との界面で破断していた。
【００３３】
ここで、α相とβ相との均一性は、結晶外周値により評価できる。結晶外周値とは、１０μｍ×１０μｍの範囲に存在するα相の外周長さの合計として定義される。結晶外周値が大きい場合、α相とβ相との混合は十分であり、結晶外周値が小さい場合、α相とβ相との混合は不十分である。
【００３４】
上記試験で破断した接合部の断面で結晶外周値を測定したところ、結晶外周値は８７μｍであった。
図９はＢｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＮｉ含有量と、結晶外周値との関係を示す図であり、グラフＡは０．５重量％のＣｕと０．０４重量％のＧｅとを含むＢｉとＣｕとＧｅとＮｉとの四元合金（Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金）におけるＮｉ含有量（重量％）と結晶外周値との関係を示し、グラフＢは０．５重量％のＣｕと０．２重量％のＧｅとを含むＢｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＮｉ含有量（重量％）と結晶外周値との関係を示している。
【００３５】
図９から、Ｎｉ含有量が０．０２〜０．０８重量％である場合に、結晶外周値が大きくなり、α相とβ相とが均一に混合されることがわかる。一方、Ｎｉ含有量が０．１１重量％以上になると、結晶外周値が小さくなり、α相とβ相とが均一に混合されないことがわかる。図９から、Ｎｉの含有量は０．０２〜０．０８重量％が好適であり、０．０２〜０．０５重量％が更に好適であることがわかる。
【００３６】
以上のように、実施の形態１における接合材料においてＮｉを添加し、０．０２〜０．０８重量％のＮｉ含有量とすることにより、溶融温度を維持しながら、耐衝撃性を高くすることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態の半導体装置は、１または複数の半導体素子裏面電極を備える半導体素子を、１または複数の半導体基板電極を備える半導体基板に実装する際に、対応する半導体素子裏面電極と半導体基板電極とが電気的に接続するように、実施の形態１または実施の形態２に係るダイボンド材である接合材料を用いて半導体素子と半導体基板を接合することを特徴とする。
【００３７】
半導体素子は、特に限定されないが、例えば電力用半導体装置が挙げられる。また単体だけでなくモジュールでも良く、特に表面実装部品が挙げられる。
本発明は、特に表面実装タイプのパッケージで４．５ｍｍ×７．６ｍｍサイズ以下の電力用半導体素子を得る場合に好適である。
【００３８】
半導体素子とその接合部である半導体基板電極との関係を図１および図２で説明する。
図１は本発明の半導体装置の構造を示す図、図２は本発明の半導体基板表面に金属薄膜を形成した半導体装置の構造を示す図である。
【００３９】
図１および図２において、半導体基板１１、２１の表裏面（図２は表面のみ）にはＮｉめっきなどの金属薄膜１２、２２が蒸着され、半導体素子１３、２３を搭載する面である表面には半導体基板電極が形成される。半導体素子１３、２３の実装面である裏面には金属薄膜１４、２４が蒸着され、１または複数の半導体素子裏面電極が形成される。そして、半導体基板電極と半導体素子裏面電極とが電気的に接続するように接合材料１５、２５を用いて半導体素子１３、２３を半導体基板１１、２１に実装することにより半導体装置を構成している。ここでは、半導体素子１３、２３と半導体基板１１、２１の電気的接続を、実装領域に形成した半導体基板電極と半導体素子裏面電極とを接続することにより行ったが、半導体素子１３、２３表面に形成された電極と半導体基板の表面に形成された電極とをワイヤーで接続する等、その他の接続手段を用いても良い。なお、Ｎｉめっきなどの金属薄膜１２、２２は、半導体基板１１、２１の酸化防止や金属拡散を防止して接合材料１５、２５を設計どおりに保持することによって接続が安定するために用いている。図１と図２の違いは、半導体基板１１、２１の裏面に金属薄膜１２の有無の差だけでどちらもその効果を得ることができる。
【００４０】
接合材料１５、２５として、実施の形態１または実施の形態２に係る接合材料を用いることにより、半導体装置のマザーボードへのリフローによる接合の際に、半導体基板に半導体素子を接合する接合材料が溶融しないため、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態の半導体装置は、例として、半導体装置がＴＯ−２２０Ｃ面実装タイプ：松下電器産業（株）製を、図３およびそれをマザーボードに実装する際に応力が最もかかる部位について図４を参照しながら説明する。
【００４１】
図３は本発明の半導体装置の構成を示す図であり、図３（ａ）は樹脂を一部透視した平面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は裏面図である。図４は本発明の半導体装置の実装状態を説明するための図であり、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は半導体装置のマザーボード表面からの距離と応力の関係を示す図である。
【００４２】
図３に示すように、半導体基板３１は、半導体素子３３を実装する領域に半導体素子の裏面電極と接続される半導体基板電極と、半導体基板電極と電気的に接続される外部金属端子３０と、半導体基板電極と電気的に接続されない外部金属端子３７とを備える。半導体素子３３は、裏面に半導体基板電極と接続する半導体素子裏面電極と、表面に金属電極パッドとを備える。実施の形態４の半導体装置は、半導体基板３１上に半導体素子３３が実装され、半導体基板電極と半導体素子裏面電極とが電気的に接続されるように、実施の形態１および実施の形態２に係るダイボンド材である接合材料を用いて接合されている。また、金属電極パッド３９と外部電極端子３７とが金属ワイヤー３８により接続されている。さらに、半導体素子３３と金属ワイヤー３８を保護するように樹脂３６にて封止し、半導体素子３３と電気的に接続された外部金属端子３０の端部と、外部金属端子３７の端部が樹脂３６から露出している。
【００４３】
図４に示すように、図３に示す半導体装置は、半導体装置の裏面および外部金属端子３７をマザーボード実装用接合材料４９でマザーボード４０に接合されて実装されている。
また、半導体装置が図３のような樹脂パッケージの場合、図３（ｃ）のマザーボード実装面から見た図面で説明すると、外部金属端子３７とマザーボードをはんだで電気的接合がなされる。図４（ａ）で説明するとマザーボード４０に外部金属端子３７がマザーボード実装用接合材料４９で接合される。
【００４４】
つまり、半導体装置と、半導体装置を搭載するマザーボードと、半導体装置とマザーボードとを接合するマザーボード実装用接合材料である第１の接合材料とを具備し、第１の接合材料は、第１の合金を含む。
【００４５】
半導体装置は、半導体素子と、半導体素子と接続される半導体基板電極と、半導体素子と裏面金属電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、第２の接合材料は、実施の形態１または実施の形態２のダイボンド材である接合材料からなる。
【００４６】
第１の接合材料は、リフロー装置による加熱で溶融することが好ましく、例えば２００〜２３０℃の溶融温度を有する。このような溶融温度を有する接合材料は、従来から数多く提案されており、当業者であれば容易に入手可能である。
【００４７】
第２の接合材料は、第１の接合材料よりも高い溶融温度を有する。よって、半導体装置をマザーボードに実装する際に、リフロー装置を用いた場合でも、半導体装置内の第２の接合材料の溶融は起こらない。よって、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【００４８】
なおこのような図３に示すようなパッケージである場合には、表面実装タイプであるために図４（ａ）のような実装をする必要があり、図４（ｂ）からもわかるように、熱が伝わるとともに半導体素子への応力が非常に高くなる構造体であるがために半導体素子のクラックが問題となりやすい。そのため、半導体装置内の第２の接合材料のボイドや不均一な状態での固着により、上述した半導体素子のクラックや半導体素子の放熱特性の劣化を生じさせる。したがって、溶融温度を高めることにより、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる接合材料がより重要になる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができ、半導体素子と半導体基板との接合に用いるダイボンド材とダイボンド材を使用した半導体装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の半導体装置の構造を示す図
【図２】本発明の半導体基板表面のみに金属薄膜を形成した半導体装置の構造を示す図
【図３】本発明の半導体装置の構成を示す図
【図４】本発明の半導体装置の実装状態を説明するための図
【図５】２元合金の共晶点温度を示す図
【図６】Ｂｉ−Ｃｕ二元合金におけるＣｕ含有量とＢｉ−Ｃｕ合金の融点と粘度の関係を示す図
【図７】Ｂｉ−Ｃｕ合金にＧｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを添加した場合の酸化物生成量を例示する図
【図８】Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ合金におけるＧｅ含有量と酸化物生成量との関係を示す図
【図９】Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＮｉ含有量と、結晶外周値との関係を示す図
【符号の説明】
【００５１】
１１、２１、３１、４１ 半導体基板
１２、２２ 金属薄膜
１３、２３、３３、４３ 半導体素子
１４、２４ 金属薄膜
１５、２５、３５、４５ 接合材料
３６、４６ 樹脂
３０、３７、４７ 外部金属端子
３８、４８ 金属ワイヤー
３９ 金属電極パッド
４０ マザーボード
４９ マザーボード実装用接合材料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と半導体基板との接合に用いるダイボンド材とダイボンド材を使用した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に実装される半導体素子は、外部端子電極を備える半導体基板と電気的に接合する電極を備え、接合に用いる接合材料には、はんだ材料が一般に用いられている。半導体素子をダイボンドする際に注意するべき内容は、ダイボンド材の元素成分である。そして、半導体素子をダイボンドするには、半導体素子が傾くことなく、かつボイドがない状態で半導体基板に電気的接続されるダイボンド材を選択する必要がある。
【０００３】
その半導体装置も、別の接合材料を用いてマザーボードに実装され、その接合材料は、一般に融点が２００〜２３０℃のはんだ材料が用いられている。
半導体装置をマザーボードに実装する際には、半導体装置がマザーボードの所定の位置にはんだ材料を用いて固定できるように準備して、主に熱風方式のリフロー装置により、マザーボードとともに加熱し、融点が２００〜２３０℃のはんだ材料を溶融させる。このとき、半導体装置の温度は２３０〜２６０℃に達するが、半導体装置の内部で半導体素子と半導体基板電極とを接合しているはんだ材料が溶融すると、はんだ材料の移動による意図しない電気的接続が生じ、不具合になる可能性がある。よって、半導体装置の内部に用いる接合材料は、リフロー装置内で到達する半導体装置の最高温度よりも高い溶融温度を有することが要求される。またさらに、金属間化合物を生じてダイボンド材の融点を下げていくことも避けなければならないので温度やそのプロセス回数に対応できる材料の選択は重要であり、かつ接合部の機械的強度劣化による剥離についても注意しなければならない。
【０００４】
組成として錫を含むはんだ材料は、被接合材の金属と金属間化合物相を形成し、この金属間化合物層が経時変化し接合部の機械的強度劣化を生じている。
そこで、従来の半導体装置の内部で半導体素子と半導体基板電極とを接合するはんだ材料には、例えば、鉛を主成分として含み、約３重量％のＳｎを含む、溶融温度３１９℃のＰｂ−Ｓｎ合金が用いられている。
【０００５】
しかしながら、従来から用いられている半導体素子用ダイボンド材において、鉛−錫（Ｐｂ−Ｓｎ）はんだ、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）はんだでは、金属として鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）を含有しており、将来的にはダイボンド材としての使用を避けている金属であり、ダイボンド材としては不適であった。特に鉛を用いた場合、廃棄物中のはんだ材料から、鉛が土壌に溶出することが懸念される。近年、地球環境保護への関心が高まってきており、鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）の開発が進められている。例えば、溶融温度が２００〜２５０℃のＰｂ−Ｓｎ合金からなるはんだ材料は、Ｓｎ−Ａｇ合金もしくはＳｎ−Ｃｕ合金からなるはんだ材料に置き換えられつつある。溶融温度が２６０℃以上のはんだ材料としては、主成分であるＢｉと少量のＡｇとを含むはんだ材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ただし銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）を使用するはんだは、金属自身の価格が高く、ダイボンド材として価格が高価になり、生産コスト上の問題があった。鉛−インジウム（Ｐｂ−Ｉｎ）はんだでは、鉛（Ｐｂ）を含有しているのに加えて、融点が１７３℃と低いため、動作時に発熱を伴う電力用半導体素子のダイボンド材としては不適であった。
【０００７】
そこでＢｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとあるいは０．０２〜０．０８重量％のＮｉとを含む接合材料を用いた電子部品に関するはんだ材料が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−３５３５９０号公報
【特許文献２】特許第３８８６１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の、Ｂｉを主成分とし、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む合金からなる接合材料をダイボンド材としてはんだに用いる場合、リフローなどでマザーボードに実装する温度に近いため、実装信頼性をあげるためにはさらに融点を上げる必要があった。
【０００９】
本発明は、満足できる、例えば２８０℃以上の溶融温度を有し、鉛を含まない安価な接合材料を提供し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の半導体装置は、半導体素子を半導体基板に搭載してなる半導体装置であって、前記半導体基板に形成される１または複数の外部金属端子と、前記半導体素子と前記半導体基板とをそれぞれの電極を介して電気的に接続するための接続部と、前記半導体素子と前記半導体基板を接合するＢｉを主成分とする合金からなるダイボンド材とを有し、前記合金が０．８〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含むことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記Ｃｕの含有量が０．８〜３．８重量％であり、前記Ｇｅの含有量が０．０２〜０．０５重量％であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の半導体装置は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置において、前記合金が、さらに０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の半導体装置は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置において、前記合金が、さらに０．０２〜０．０５重量％のＮｉを含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項５記載のダイボンド材は、半導体基板に半導体素子を接合するダイボンド材であって、Ｂｉを主成分とし、０．８〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む合金であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載のダイボンド材は、請求項５記載のダイボンド材において、前記Ｃｕの含有量が０．８〜３．８重量％であり、前記Ｇｅの含有量が０．０２〜０．０５重量％であることを特徴とする。
【００１６】
請求項７記載のダイボンド材は、請求項５または請求項６のいずれかに記載のダイボンド材において、前記合金が、さらに０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項８記載のダイボンド材は、請求項５または請求項６のいずれかに記載のダイボンド材において、前記合金が、さらに０．０２〜０．０５重量％のＮｉを含むことを特徴とする。
【００１８】
以上により、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、融点が２００℃〜２３０℃の接合材料を用いてマザーボードに接合される半導体装置において、半導体基板に半導体素子を接合するダイボンド材である接合材料を、０．８重量％〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅを含むＢｉ合金とすることで、半導体装置のマザーボードへのリフローによる接合の際に、半導体基板に半導体素子を接合する接合材料が溶融しないため、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施の形態１）
本実施形態の半導体素子接合用のダイボンド材である接合材料は、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．８〜１０重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む。融点を上げる工夫については、２７０℃の融点であるＢｉを主成分とする合金に１０８３℃の融点であるＣｕを加えていく量が多くなればなるほど上がっていくことは知られている。ただ合金として０．８〜１０重量％のＣｕを均等に配置させるには、１２００℃の溶融るつぼに入れてＣｕをいったん溶融させ、冷却速度を速めることでＣｕの粒子が大きくならないようにする必要がある。さらに、Ｃｕの含有量は０．８〜３．８重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．０５重量％が好ましい。Ｂｉを主成分とする合金が３元合金（３種の元素からなる合金）である場合、ＣｕとＧｅ以外の残部はＢｉのみからなる。
【００２１】
このような接合材料は、２８０℃以上の溶融温度を有するため、例えば表面実装タイプの半導体装置のような小型で電力用半導体素子を実装する場合に用いる接合材料として適している。半導体装置内部で用いられている接合材料の溶融温度が高いため、リフロー装置を用いて半導体装置をマザーボードに実装する際に半導体装置の不良が抑制される。また、本実施形態の接合材料は、高価な元素（例えばＡｇやＡｕ）を含まないため、安価で製造することができ、更に、鉛を含まないため、鉛フリーとして提供することができる。
【００２２】
２８０℃以上の溶融温度を有する接合材料を得る場合、共晶点温度が２８０℃以上である２元合金（２種の元素からなる合金）をベース（母材）に用いることが有効である。多くの元素の中から共晶点温度が２８０℃以上となる元素の組み合わせを選ぶ際、重視すべき点は、元素の毒性の有無と価格である。Ｐｂ、Ｈｇ、Ｓｂ、Ｓｅ等の元素は、毒性の点から除外される。
【００２３】
図５は２元合金の共晶点温度を示す図であり、縦軸の元素と横軸の元素との交点に示した数値は、それら２種の元素からなる合金の共晶点温度である。図５から、例えば、Ｓｎ−Ａｇ合金の共晶点温度は２２１℃であり、Ｎｉ−Ｃｕ合金には共晶点が存在しないことがわかる。また、ＢｉとＣｕとの組み合わせ、または、ＢｉとＧｅとの組み合わせが、共晶点温度が２７０〜３００℃の合金を与えることがわかる。
【００２４】
この図において、ＢｉとＣｕとの共晶合金は、９９．５重量％のＢｉと０．５重量％のＣｕとを含む（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ）。ＢｉとＧｅとの共晶合金は、９９重量％のＢｉと１重量％のＧｅとを含む（Ｂｉ−１％Ｇｅ）。しかし、Ｇｅの価格はＣｕの約４２０倍と高価である。よって、安価な材料を提供する観点からは、ＢｉとＣｕとの組み合わせが有利である。
【００２５】
図６はＢｉとＣｕとの二元合金（Ｂｉ−Ｃｕ合金）におけるＣｕ含有量（重量％）とＢｉ−Ｃｕ合金の融点（液相温度または固相温度）との関係を示す図である。
図６において、Ｃｕの含有量が増えるにつれて融点が高くなり、０．８重量％では目標である２８０℃に達する。この接合材料の融点以上で均等にかつ安定した温度状態であるヒータを巻きつけ、吐出先端を必要量に制御できる形状にした溶融ポット内に接合材料を液状化させて保持し、その溶融ポット上部から圧力をかけて溶融ポット下部に液状化した接合材料を吐出させたい対象物である半導体基板を設置し、圧力をかける時間でもって制御する。その際接合材料においては液相温度と固相温度との差が小さいほうが作業性はよいが、作業の安定性を考慮してその液相温度よりも３０℃から５０℃高く溶融ポットのヒータ温度を設定しているので、Ｃｕの含有率が１０重量％までは課題と考えなくてもよい。しかし３．８重量％以上であるとＢｉとの合金を作れないＣｕの割合が増えることによって粘性が高くなり、作業性および濡れ性が低下する。一方、Ｃｕの含有量が０．８重量％未満になると、融点が目標値より下がり、２次実装時のリフローでの再溶融によって溶融した接合材料と電極等との濡れ性が低下する可能性が高くなる。よって、Ｃｕの含有量は０．８重量％以上であることが望ましい。
【００２６】
以上より、Ｃｕの含有量は０．８重量％以上１０重量％以下であることが望ましい。また、Ｃｕの含有量を０．８〜３．８重量％とすることにより、作業性を考慮した更に物性バランスに優れた接合材料を得ることができる。特にこの接合材料の液相温度よりも３０℃から５０℃高く均等にかつ安定した温度状態にできるようにヒータを巻きつけることにより容易にこの接合材料を得ることができる。
【００２７】
０．２〜０．８重量％のＣｕを含むＢｉ−Ｃｕ合金は、２７０℃未満の温度で溶融しない点では優れた接合材料である。しかし、メニスカス法による試験では、濡れ性が低いという知見が得られている。Ｂｉ−Ｃｕ合金は、９９．５重量％という多量のＢｉを含む。そのため、合金内における酸化物の生成量が多くなっており、このことが濡れ性に影響していると考えられる。Ｂｉの酸化は、Ｂｉよりも優先的に酸化する元素を、Ｂｉ−Ｃｕ合金に微量添加することにより、抑制できると考えられる。Ｂｉよりも優先的に酸化する元素としては、Ｇｅ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｐ等が挙げられる。
【００２８】
図７はＢｉ−Ｃｕ合金にＧｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを添加した場合の酸化物生成量を例示する図であり、９９．５重量％のＢｉと０．５重量％のＣｕとからなる共晶合金（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ）に、０．０５重量％のＧｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを添加し、３００℃で４時間攪拌したときに、試料中に生成する酸化物の生成量を示している。ただし、試料全体の重量は８ｋｇである。これらの元素を添加していない試料と比較して、Ｇｅを添加した試料では、特に酸化物の生成が抑制されていることがわかる。これは、ＧｅがＢｉ−０．５％Ｃｕの表面で優先的に酸化し、酸化膜を形成するためと考えられる。以上より、Ｂｉ−Ｃｕ合金の酸化を抑制するためには、Ｇｅの添加が適していることがわかる。
【００２９】
図８はＢｉ−Ｃｕ−Ｇｅ合金におけるＧｅ含有量と酸化物生成量との関係を示す図であり、０．５重量％のＣｕを含むＢｉとＣｕとＧｅとの三元合金（Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ合金）におけるＧｅ含有量（重量％）と、酸化物生成量との関係を示している。ただし、合金全体の重量は８ｋｇである。図８から、Ｇｅを０．０２重量％以上添加すると、酸化物の生成が抑制されるが、Ｇｅの含有量が０．３重量％以上になると、酸化物生成量が多くなることがわかる。図８より、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．２重量％が好適であり、０．０２〜０．０５重量％が更に好適であることがわかる。
【００３０】
以上のように、融点が２００℃〜２３０℃の接合材料を用いてマザーボードに接合される半導体装置において、半導体基板に半導体素子を接合するダイボンド材である接合材料を、０．８重量％〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅを含むＢｉ合金とすることで、半導体装置のマザーボードへのリフローによる接合の際に、半導体装置の温度が２３０℃〜２６０℃になったとしても、半導体基板に半導体素子を接合する接合材料が２７０℃程度までは溶融しないため、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【００３１】
また、本発明の接合材料を、特に熱容量の小さな半導体装置に用いることが有効的であり、半導体装置をマザーボードへ実装する際に発生する不良を抑制することができる。さらには半導体素子の裏面電極と接合部材、半導体基板の金属パッドと接合部材の間に金属間化合物層の成長がないため、長期的に熱やストレスがかかっても接合状態が変化せず、長期間の信頼性に耐える接合が得られる。また、２次実装時のリフローでの再溶融が抑えられ、金属間化合物の成長が抑えられる効果と２次実装による変化も抑えられ、さらに長期間の信頼性に耐える接合が得られる。これらのことにより、２次実装後の信頼性も考慮したパッケージ構成材料として採用することが可能となり、完全鉛フリー化が実現する。
（実施の形態２）
本実施形態のダイボンド材である接合材料は、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．８〜１０重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．０８重量％のＮｉとを含むことを特徴とする。ここで、実施の形態１と同様に、Ｃｕの含有量は６〜１０重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．０５重量％が好ましい。また、Ｎｉの含有量は０．０２〜０．０５重量％が好ましい。このようにＮｉを添加することにより、実施の形態１の接合材料よりも、耐衝撃性が高くなる。
【００３２】
耐衝撃性は、１．６ｍｍ×０．８ｍｍサイズのチップコンデンサの側面に、６０ｇの錘を１８０ｍｍの高さから衝突させる試験により評価できる。
９９．４６重量％のＢｉと、０．５重量％のＣｕと、０．０４重量％のＧｅとを含む３元合金（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ−０．０４％Ｇｅ）で接合された接合部を有するチップコンデンサを用い、上記の耐衝撃試験を行ったところ、チップコンデンサは接合部で破断した。破断後の接合部の断面を観察したところ、Ｂｉ含有量の多いα相と、Ｃｕ含有量の多いβ相との界面で破断していた。
【００３３】
ここで、α相とβ相との均一性は、結晶外周値により評価できる。結晶外周値とは、１０μｍ×１０μｍの範囲に存在するα相の外周長さの合計として定義される。結晶外周値が大きい場合、α相とβ相との混合は十分であり、結晶外周値が小さい場合、α相とβ相との混合は不十分である。
【００３４】
上記試験で破断した接合部の断面で結晶外周値を測定したところ、結晶外周値は８７μｍであった。
図９はＢｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＮｉ含有量と、結晶外周値との関係を示す図であり、グラフＡは０．５重量％のＣｕと０．０４重量％のＧｅとを含むＢｉとＣｕとＧｅとＮｉとの四元合金（Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金）におけるＮｉ含有量（重量％）と結晶外周値との関係を示し、グラフＢは０．５重量％のＣｕと０．２重量％のＧｅとを含むＢｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＮｉ含有量（重量％）と結晶外周値との関係を示している。
【００３５】
図９から、Ｎｉ含有量が０．０２〜０．０８重量％である場合に、結晶外周値が大きくなり、α相とβ相とが均一に混合されることがわかる。一方、Ｎｉ含有量が０．１１重量％以上になると、結晶外周値が小さくなり、α相とβ相とが均一に混合されないことがわかる。図９から、Ｎｉの含有量は０．０２〜０．０８重量％が好適であり、０．０２〜０．０５重量％が更に好適であることがわかる。
【００３６】
以上のように、実施の形態１における接合材料においてＮｉを添加し、０．０２〜０．０８重量％のＮｉ含有量とすることにより、溶融温度を維持しながら、耐衝撃性を高くすることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態の半導体装置は、１または複数の半導体素子裏面電極を備える半導体素子を、１または複数の半導体基板電極を備える半導体基板に実装する際に、対応する半導体素子裏面電極と半導体基板電極とが電気的に接続するように、実施の形態１または実施の形態２に係るダイボンド材である接合材料を用いて半導体素子と半導体基板を接合することを特徴とする。
【００３７】
半導体素子は、特に限定されないが、例えば電力用半導体装置が挙げられる。また単体だけでなくモジュールでも良く、特に表面実装部品が挙げられる。
本発明は、特に表面実装タイプのパッケージで４．５ｍｍ×７．６ｍｍサイズ以下の電力用半導体素子を得る場合に好適である。
【００３８】
半導体素子とその接合部である半導体基板電極との関係を図１および図２で説明する。
図１は本発明の半導体装置の構造を示す図、図２は本発明の半導体基板表面に金属薄膜を形成した半導体装置の構造を示す図である。
【００３９】
図１および図２において、半導体基板１１、２１の表裏面（図２は表面のみ）にはＮｉめっきなどの金属薄膜１２、２２が蒸着され、半導体素子１３、２３を搭載する面である表面には半導体基板電極が形成される。半導体素子１３、２３の実装面である裏面には金属薄膜１４、２４が蒸着され、１または複数の半導体素子裏面電極が形成される。そして、半導体基板電極と半導体素子裏面電極とが電気的に接続するように接合材料１５、２５を用いて半導体素子１３、２３を半導体基板１１、２１に実装することにより半導体装置を構成している。ここでは、半導体素子１３、２３と半導体基板１１、２１の電気的接続を、実装領域に形成した半導体基板電極と半導体素子裏面電極とを接続することにより行ったが、半導体素子１３、２３表面に形成された電極と半導体基板の表面に形成された電極とをワイヤーで接続する等、その他の接続手段を用いても良い。なお、Ｎｉめっきなどの金属薄膜１２、２２は、半導体基板１１、２１の酸化防止や金属拡散を防止して接合材料１５、２５を設計どおりに保持することによって接続が安定するために用いている。図１と図２の違いは、半導体基板１１、２１の裏面に金属薄膜１２の有無の差だけでどちらもその効果を得ることができる。
【００４０】
接合材料１５、２５として、実施の形態１または実施の形態２に係る接合材料を用いることにより、半導体装置のマザーボードへのリフローによる接合の際に、半導体基板に半導体素子を接合する接合材料が溶融しないため、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態の半導体装置は、例として、半導体装置がＴＯ−２２０Ｃ面実装タイプ：松下電器産業（株）製を、図３およびそれをマザーボードに実装する際に応力が最もかかる部位について図４を参照しながら説明する。
【００４１】
図３は本発明の半導体装置の構成を示す図であり、図３（ａ）は樹脂を一部透視した平面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は裏面図である。図４は本発明の半導体装置の実装状態を説明するための図であり、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は半導体装置のマザーボード表面からの距離と応力の関係を示す図である。
【００４２】
図３に示すように、半導体基板３１は、半導体素子３３を実装する領域に半導体素子の裏面電極と接続される半導体基板電極と、半導体基板電極と電気的に接続される外部金属端子３０と、半導体基板電極と電気的に接続されない外部金属端子３７とを備える。半導体素子３３は、裏面に半導体基板電極と接続する半導体素子裏面電極と、表面に金属電極パッドとを備える。実施の形態４の半導体装置は、半導体基板３１上に半導体素子３３が実装され、半導体基板電極と半導体素子裏面電極とが電気的に接続されるように、実施の形態１および実施の形態２に係るダイボンド材である接合材料を用いて接合されている。また、金属電極パッド３９と外部電極端子３７とが金属ワイヤー３８により接続されている。さらに、半導体素子３３と金属ワイヤー３８を保護するように樹脂３６にて封止し、半導体素子３３と電気的に接続された外部金属端子３０の端部と、外部金属端子３７の端部が樹脂３６から露出している。
【００４３】
図４に示すように、図３に示す半導体装置は、半導体装置の裏面および外部金属端子３７をマザーボード実装用接合材料４９でマザーボード４０に接合されて実装されている。
また、半導体装置が図３のような樹脂パッケージの場合、図３（ｃ）のマザーボード実装面から見た図面で説明すると、外部金属端子３７とマザーボードをはんだで電気的接合がなされる。図４（ａ）で説明するとマザーボード４０に外部金属端子３７がマザーボード実装用接合材料４９で接合される。
【００４４】
つまり、半導体装置と、半導体装置を搭載するマザーボードと、半導体装置とマザーボードとを接合するマザーボード実装用接合材料である第１の接合材料とを具備し、第１の接合材料は、第１の合金を含む。
【００４５】
半導体装置は、半導体素子と、半導体素子と接続される半導体基板電極と、半導体素子と裏面金属電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、第２の接合材料は、実施の形態１または実施の形態２のダイボンド材である接合材料からなる。
【００４６】
第１の接合材料は、リフロー装置による加熱で溶融することが好ましく、例えば２００〜２３０℃の溶融温度を有する。このような溶融温度を有する接合材料は、従来から数多く提案されており、当業者であれば容易に入手可能である。
【００４７】
第２の接合材料は、第１の接合材料よりも高い溶融温度を有する。よって、半導体装置をマザーボードに実装する際に、リフロー装置を用いた場合でも、半導体装置内の第２の接合材料の溶融は起こらない。よって、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる。
【００４８】
なおこのような図３に示すようなパッケージである場合には、表面実装タイプであるために図４（ａ）のような実装をする必要があり、図４（ｂ）からもわかるように、熱が伝わるとともに半導体素子への応力が非常に高くなる構造体であるがために半導体素子のクラックが問題となりやすい。そのため、半導体装置内の第２の接合材料のボイドや不均一な状態での固着により、上述した半導体素子のクラックや半導体素子の放熱特性の劣化を生じさせる。したがって、溶融温度を高めることにより、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができる接合材料がより重要になる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、半導体素子の接続不良を抑制し、半導体装置の実装性および電気的信頼性を確保することができ、半導体素子と半導体基板との接合に用いるダイボンド材とダイボンド材を使用した半導体装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の半導体装置の構造を示す図
【図２】本発明の半導体基板表面のみに金属薄膜を形成した半導体装置の構造を示す図
【図３】本発明の半導体装置の構成を示す図
【図４】本発明の半導体装置の実装状態を説明するための図
【図５】２元合金の共晶点温度を示す図
【図６】Ｂｉ−Ｃｕ二元合金におけるＣｕ含有量とＢｉ−Ｃｕ合金の融点と粘度の関係を示す図
【図７】Ｂｉ−Ｃｕ合金にＧｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを添加した場合の酸化物生成量を例示する図
【図８】Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ合金におけるＧｅ含有量と酸化物生成量との関係を示す図
【図９】Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＮｉ含有量と、結晶外周値との関係を示す図
【符号の説明】
【００５１】
１１、２１、３１、４１ 半導体基板
１２、２２ 金属薄膜
１３、２３、３３、４３ 半導体素子
１４、２４ 金属薄膜
１５、２５、３５、４５ 接合材料
３６、４６ 樹脂
３０、３７、４７ 外部金属端子
３８、４８ 金属ワイヤー
３９ 金属電極パッド
４０ マザーボード
４９ マザーボード実装用接合材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を半導体基板に搭載してなる半導体装置であって、
前記半導体基板に形成される１または複数の外部金属端子と、
前記半導体素子と前記半導体基板とをそれぞれの電極を介して電気的に接続するための接続部と、
前記半導体素子と前記半導体基板を接合するＢｉを主成分とする合金からなるダイボンド材と
を有し、前記合金が０．８〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記Ｃｕの含有量が０．８〜３．８重量％であり、前記Ｇｅの含有量が０．０２〜０．０５重量％であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記合金が、さらに０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含むことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項４】
前記合金が、さらに０．０２〜０．０５重量％のＮｉを含むことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板に半導体素子を接合するダイボンド材であって、
Ｂｉを主成分とし、０．８〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む合金であることを特徴とするダイボンド材。
【請求項６】
前記Ｃｕの含有量が０．８〜３．８重量％であり、前記Ｇｅの含有量が０．０２〜０．０５重量％であることを特徴とする請求項５記載のダイボンド材。
【請求項７】
前記合金が、さらに０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含むことを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載のダイボンド材。
【請求項８】
前記合金が、さらに０．０２〜０．０５重量％のＮｉを含むことを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載のダイボンド材。
【請求項１】
半導体素子を半導体基板に搭載してなる半導体装置であって、
前記半導体基板に形成される１または複数の外部金属端子と、
前記半導体素子と前記半導体基板とをそれぞれの電極を介して電気的に接続するための接続部と、
前記半導体素子と前記半導体基板を接合するＢｉを主成分とする合金からなるダイボンド材と
を有し、前記合金が０．８〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記Ｃｕの含有量が０．８〜３．８重量％であり、前記Ｇｅの含有量が０．０２〜０．０５重量％であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記合金が、さらに０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含むことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項４】
前記合金が、さらに０．０２〜０．０５重量％のＮｉを含むことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板に半導体素子を接合するダイボンド材であって、
Ｂｉを主成分とし、０．８〜１０重量％のＣｕと０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む合金であることを特徴とするダイボンド材。
【請求項６】
前記Ｃｕの含有量が０．８〜３．８重量％であり、前記Ｇｅの含有量が０．０２〜０．０５重量％であることを特徴とする請求項５記載のダイボンド材。
【請求項７】
前記合金が、さらに０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含むことを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載のダイボンド材。
【請求項８】
前記合金が、さらに０．０２〜０．０５重量％のＮｉを含むことを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載のダイボンド材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【公開番号】特開２００９−１５８７２５（Ｐ２００９−１５８７２５Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３５４２３（Ｐ２００７−３３５４２３）
【出願日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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