半導体装置接合材
【課題】半導体装置の内部接合用の高温はんだ接合材と、基板実装に際して内部接合部が溶融しない半導体装置を提供する。
【解決手段】ＳｎまたはＳｎ系はんだ合金によって、網目構造を有する多孔質金属体の空孔部分を充填し、かつその表面を被覆する。
【解決手段】ＳｎまたはＳｎ系はんだ合金によって、網目構造を有する多孔質金属体の空孔部分を充填し、かつその表面を被覆する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置における接合材に関し、特にパワーダイオードや内部に微細配線を有する半導体チップなどの、放熱が必要な半導体素子を基板に接合する接合材およびそのような接合材で半導体素子が接合された基板を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の代表例として、Ｃｕ又は４２アロイからなる基板であるフレーム上に半導体チップ（シリコンチップ）が載った半導体デバイスが挙げられる。シリコンチップとフレームの間はＡｕ線でワイヤーボンデングされている。一方、フレームとシリコンチップの接合は、エポキシ系の接着剤を使用することもあるが、熱伝導性が高く放熱効果が高いはんだによる接合の方が一般的である。このような時の接合を半導体装置の内部接合とも言う。
【０００３】
半導体デバイスは、電子機器に組み立てるときプリント基板に実装されるが、そのとき再度リフローはんだ付けの加熱を受ける。その際に、先に行った内部接合によるはんだ付け部がそのときのリフロー温度で融けないようにする必要がある。そのため、半導体デバイスの内部接合に使用するはんだは、プリント基板の実装に使用するはんだよりも溶融温度の高いはんだ合金を使用する。このような半導体デバイス自体でも半導体装置を構成するが、この半導体デバイスはさらに回路基板に接続されて、さらに大きな半導体装置を構成する。以下、このように半導体装置の内部接合のはんだ付けを行うはんだを「高温はんだ」という。
【０００４】
従来の高温はんだは、溶融温度が３００℃前後のＰｂベースのはんだ合金であった。
半導体装置の内部接合に用いられる高温はんだには、Ｐｂ−１０Ｓｎ（固相線温度２６８℃、液相線温度３０２℃）、Ｐｂ−５Ｓｎ（固相線温度３０７℃、液相線温度３１３℃）、Ｐｂ−２Ａｇ−８Ｓｎ（固相線温度２７５℃、液相線温度３４６℃）、Ｐｂ−５Ａｇ（固相線温度３０４℃、液相線温度３６５℃）などがあり、主にＰｂが主成分となっている。これらの高温はんだは、いずれも固相線温度が２６０℃以上である。そのため、プリント基板の実装用はんだ付けに、例えば６３Ｓｎ−３７Ｐｂ共晶はんだを使用する場合、そのときのはんだ付け温度が少し高めの２３０℃になっても、Ｐｂ−１０Ｓｎなどの高温はんだではんだ付けした半導体装置の内部接合のはんだ付け部は、プリント基板への実装はんだ付け時に溶融することがない。
【０００５】
ところで、環境保護の観点から、最近では、はんだ付け技術全般において、Ｐｂ系はんだ合金に代えて、Ｐｂフリーはんだ合金を用いることが求められている。
当然、従来の半導体装置の内部接合に使用されてきた前述のようなＰｂ−Ｓｎ系高温はんだについても、Ｐｂフリーはんだ合金の使用が求められている。
【０００６】
しかしながら、Ｐｂフリーはんだ合金はこれまで種々提案されてきたが、Ｓｎ主成分で固相線温度が２６０℃以上の高温はんだ合金はなかった。例えば、固相線温度（共晶温度）が２２１℃のＳｎ−Ａｇ系はんだ合金において、Ａｇを増やしていっても液相線温度は上がるが、固相線温度は上がらない。固相線温度２２７℃のＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金では、固相線温度を高くするために、Ｓｂを極端に増やした場合、液相線温度も極端に上がってしまう。そして、これらに他の元素を添加してもそのような特性を変えることはできない。
【０００７】
したがって、従来より、Ｐｂフリーはんだ合金では、半導体装置の内部接合用の高温はんだとして使用可能なものはないと考えられている。
この高温はんだ合金を使用しない接合技術として検討されたのは、Ｓｎ主成分の鉛フリーはんだと比較して溶融温度の高い金属間化合物で接合する方法である。
【０００８】
特許文献１には、Ｓｎ又はＳｎ主成分の鉛フリーはんだ粉末とＣｕ粉末を混合したソルダペーストを用いる方法が開示されている。溶融接合時に、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物を形成して接合を行う。
【０００９】
特許文献２には、特許文献１記載の発明の一形態として、Ｓｎ又はＳｎ主成分の鉛フリーはんだ粉末とＣｕ粉末を圧延してはんだ箔としたはんだ材料が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２５４１９４公報
【特許文献２】特開２００２−３０１５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
すでに述べたように、半導体装置の内部接合に使用する接合材あるいはそれにより得られた内部接合部は、プリント基板の実装に使用するはんだ合金よりも溶融温度の高いことが求められるが、それを実現可能とする、Ｓｎ主成分で固相線温度が２６０℃以上の高温はんだ合金はまだ知られていない。
【００１２】
引用文献１では、Ｓｎ又はＳｎ主成分の鉛フリーはんだ粉末とＣｕ粉末とを混合したソルダペーストが提案されているが、ソルダペーストのフラックスには必ず溶剤が含まれているので、ソルダペーストの形態で使用すると加熱時にフラックス中の溶剤が揮発してボイドが発生し易い傾向がある。このボイドは特に微細配線の半導体装置では信頼性を低下させる原因となってしまう。
【００１３】
特許文献２の粉末圧延材では、溶剤の揮発により発生するボイドの問題は解決可能である。しかし、粉末は表面積が広く酸化し易いことから、ＳｎやＣｕの粉末の製造時に粉末表面には既に酸化膜が形成されており、特許文献２のようにはんだの圧延作業を不活性雰囲気で行っても粉末表面の酸化物は除去できない。また、単に粉末を圧延すると、どうしても完全に隙間がはんだで埋まらずに空隙ができ易い。
【００１４】
特許文献２では、フラックスを用いないで水素などの還元雰囲気ではんだ付けをしても、はんだの圧延前に発生した粉末表面の酸化物がはんだ箔内部に入り込んでいるために、水素などの還元雰囲気でははんだ箔内部の酸化物までは除去できないので、はんだのぬれ不良を起こしてボイドが発生しやすいという問題点がある。
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、フラックスを用いない、かつ、ボイド発生がなく濡れ性の優れた半導体装置の内部接合用接合材を提供することである。
さらに本発明の課題は、基板に実装するときにも内部接合部が溶融しない半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、複合材が一般に高温特性に優れていることに着目して、複合材を用いて内部接合を行うという着想を得、さらに検討を重ね、複合材として網目状構造を有する多孔質金属薄板を採用し、これに、はんだ合金、特にＰｂフリーはんだ合金を含浸させた接合材が半導体装置の内部接合用に特に効果的であることを見出し、本発明を完成した。
【００１７】
したがって、本発明は、最も広義には、網目状構造を有する多孔質金属体中にＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだを溶融充填させてから凝固させた半導体装置の高温はんだ接合材およびそれを用いて得られた半導体装置である。
【００１８】
ここに、「網目状構造を有する多孔質金属体」は、「多孔質構造を有し、多孔質構造を構成する孔が網目状に連通していて、そのような連通孔の少なくとも一部が金属体表面に露出している多孔質金属体」を云う。一般には、薄板状となった多孔質金属体である。本発明において使用する多孔質金属体は導電性を示す。
【００１９】
現在、多孔質金属は、従来のバルク状金属を多孔質化することで軽量化やフィルター効果を目的として作られ始めている。導電材料への応用も提案されている。電気は高周波になるほど、それだけ導体表面を通過するようになるので、バルク状の金属に比較して表面積の広い多孔質金属は、同一電流量では、単位面積当たりの電流量が少ないため、電気抵抗の低下や電力損出の防止効果が発揮され、それを目的として使用されている。本発明においてもそのような市販の多孔質金属体を出発材料として使用してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、新規な接合材でもって半導体装置の内部接合が可能となり、半導体装置の内部接合部においてもＰｂフリー化を実現できる。
さらに、本発明によれば、はんだ粉末を使用して金属間化合物を形成する接合材に比較して、ボイドの少ない信頼性の高い内部接合部を得ることができる。
【００２１】
また、本発明によれば、表面積の多い多孔質金属体に予めＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだを溶融させながら含浸させることで、多孔質金属体を構成する金属とＳｎとが、その境界部で密着性ガ高まり、導電性、伝熱性が大きく改善される。しかも、内部接合に際して加熱温度を低くしても、あるいは加熱時間を短くしても、はんだ合金中のＳｎと被接合部金属（Ｎｉ、Ｃｕなど）との金属間化合物を所定の生成量で確保できるため、半導体装置の実装に際しての内部接合部の溶融温度の高温化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ、本発明に係る接合材を用いる半導体装置の内部構造および接合材の模式的説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施例１の多孔質金属中にＳｎを溶融充填した接合材の断面顕微鏡組織図である。
【図３】図３は、比較例１のＣｕシートをＳｎではんだ付けした接合材の断面顕微鏡組織図である。
【図４】図４は、比較例７の空孔率の高い多孔質金属中にＳｎを溶融充填した接合材の断面顕微鏡組織図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１（ａ）は、本発明にかかる半導体装置の模式的説明図であり、本発明にかかる接合材１はシリコンチップ（ＩＣチップ）２と絶縁基板３との間に介在させて両者を内部接合しており、さらに、この組立体が、絶縁基板３をＣｕベース基板４に内部接合させて半導体装置を構成している。
【００２４】
ＩＣチップ２と絶縁基板３との接合は、本発明にかかる接合材の良好な熱伝導性を利用するものである。一方、絶縁基板とＣｕ−ベース基板４との接合は、電極あるいは接続端子の導通をとるとともに、放熱を図るためである。本発明にかかる接合材はいずれの目的にも用いることができる。
【００２５】
なお、ＩＣチップ２を絶縁基板３に内部接合しただけの上記組立体をもって半導体装置と呼ぶこともある。
このように内部接合された半導体装置は、さらにプリント配線基板などに実装されて、電源装置などの電子機器を構成する。
【００２６】
図１（ｂ）は、ＩＣチップ２と絶縁基板３、または絶縁基板３とＣｕベース基板４を接合材１で接合したときの接合部の拡大模式図である。接合材１は多孔質金属体５と金属間化合物６で構成されており、加熱接合後の高温化状態を示している。接合前における多孔質金属体の内部は、ＳｎまたはＳｎ系はんだで充填されており、接合時の加熱により金属間化合物を生成しＳｎが消失し、融点の高温化が行われる。
【００２７】
本発明の半導体装置は、シリコンチップで発生した熱を速やかにＣｕベース基板に放散させる構造であり、微細配線パターンの半導体やパワー半導体などの電気の導通と共に熱を発生し易い用途に用いられる。そのために、ＩＣチップと絶縁基板、絶縁基板とＣｕベース基板との接合部分は、高温になり易く、接合に用いられるはんだも高温はんだが使用される。
【００２８】
本発明は、高温はんだによる接合に代えて、Ｓｎの金属間化合物による接合を使用したもので、そのような接合部位は、網目状構造を有する多孔質金属体によってその周囲が包囲される構造となっている。
【００２９】
すでに述べたように、本発明にかかる高温はんだ接合材は、網目構造の連通孔を備えた多孔質金属体にＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだを溶融充填することによって製造される。
【００３０】
本発明にかかる半導体装置は、内部接合を行うものであれば特に制限はないが、具体的にはパワー半導体装置が例示される。
本発明の接合機構：
本発明によれば、半導体装置を構成する半導体素子と基板との接合部に、Ｓｎの金属間化合物を形成させる。網目状構造を有する多孔質金属に溶融充填されたＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだと多孔質金属体を構成する金属との反応、さらには、上記鉛フリーはんだとＣｕもしくはＮｉめっきとの反応によって接合部が形成される。これらの反応は、それぞれ、溶融はんだ合金を多孔質金属体に含浸させるとき、および内部接合を行うときに生じる。
【００３１】
半導体素子や基板との接合面には、多孔質金属体の骨格を構成する例えばＣｕ１０Ｓｎ合金などの金属面と、多孔部分を充填する鉛フリーはんだ合金面とが共存する。これが接合部材の金属と接触状態で加熱されると、はんだにより相手接合面が濡れるとともに、Ｓｎとの反応によって、金属間化合物が生成される。
【００３２】
本発明にかかる接合材では、多孔質金属体とその中に溶融充填されたＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだ合金との間の境界部には非常に薄い金属間化合物層が形成され、表面酸化皮膜が実質上存在しないため、ボイドの少ない信頼性の高い内部接合部が得られると共に、接合時の加熱により金属間化合物生成反応が容易にとなり、Ｓｎとの金属間化合物生成が促進される結果、Ｓｎは単体としては実質上残存しない。
【００３３】
ここに、Ｓｎの金属間化合物を使用した接合は、化合物形成反応が速やかに行われる必要がある。従来は、特許文献１および２のようにＳｎ系はんだとＣｕとを粉末として用いて、ＳｎおよびＣｕの表面積を増加させることによって、ＳｎとＣｕとの金属間化合物形成反応を促進させるものであったが、とのときの反応性を高めるために微細な粉末を用いると、Ｓｎ及びＣｕの粉末が容易に酸化して、ボイドが増加してしまうという問題点があった。
【００３４】
本発明は、そのような問題を改善する。本発明では、微細なＳｎとＣｕの粉末の代わりに、網目状構造を有する多孔質金属体とそこに充填するＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだ合金から成る接合体を用いる。
【００３５】
多孔質金属体：
本発明において使用する多孔質金属体は、市販のものを出発材料として利用すればよい。市販品を、必要により、所定厚さにまで圧延するとともに、空孔率を調整すればよい。
【００３６】
多孔質金属体は、発泡ウレタンに導電性処理を施し、めっきを行ったあと、ウレタンを加熱除去する「めっき法」、発泡ウレタンを含む金属粉末スラリーを直接発泡させ、その後脱脂焼結を行う「スラリー発泡法」、及び金属粉末スラリーを発泡ウレタンに塗布し、焼結とともにウレタンを除去する「スラリー塗布法」などの方法で製造されている。
【００３７】
本発明に使用する網目状構造を有する多孔質金属は、Ｓｎとの反応により金属間化合物を生成する金属であれば適用可能であり、例としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉおよび青銅などのＣｕ合金が考えられる。表１に各種金属とＳｎとの反応により形成する金属間化合物を明記する。特にＳｎとの反応を容易に行う、ＣｕおよびＣｕ合金が好ましい。
【００３８】
このような純銅及びＣｕ含有量が９０％以上のＣｕ合金としては、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅などの銅材、ＣＡＣ１０１，ＣＡＣ１０２，ＣＡＣ１０３などの銅鋳物やＣｕにＳｎやＺｎなどを添加した青銅など銅合金が例示される。網目状構造を有する多孔質金属に用いるＣｕ合金のＣｕ含有量が９０％未満であると、多孔質金属に充填したＳｎ又はＳｎ系の鉛フリーはんだとの反応を阻害するので、好ましくない。網目状構造を有する多孔質金属に用いるＣｕ合金のＣｕ含有量は、好ましくは、純銅及びＣｕ含有量が９０％以上のＣｕ合金が適している。
【００３９】
【表１】
【００４０】
含浸方法：
本発明の場合、多孔質体を構成する孔は、多孔質体表面と連通した穴構造を持っており、網目状構造を有することから、溶融はんだ浴にこの多孔質体を浸漬するだけで孔構造の内部にまではんだを含浸させることができる。真空雰囲気でこのような含浸処理を行えば、より効率的に内部にまで溶融はんだを含浸させることができる。
【００４１】
フープ材のような長尺材の場合、溶融はんだ浴に、好ましくは不活性ガス雰囲気あるいは真空雰囲気下で、連続的に浸漬させ、次いで引き上げることで、空孔内への溶融はんだを含浸できる。この場合、長尺材の走行速度を調整することで、多孔質金属体表面への溶融はんだの付着量、つまり接合材の厚さを調整できる。多孔質金属体の表面は全体が薄くはんだ合金で被覆される。もちろん、このときに溶融はんだ合金と多孔質金属体表面との界面には金属間化合物が生成される、両者の接合強度、つまり密着力は向上する。
【００４２】
含浸させるはんだ合金としては、Ｐｂフリーであれば、特に制限はないが、この種の用途には、Ｓｎ単体金属、Ｓｎ−Ａｇはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金が好ましい。
【００４３】
本発明においてははんだ合金の量は、少なくとも多孔質金属体の空孔部を充填でき、表面、例えば板状多孔質金属体の場合、一方あるいは両方の表面を被覆するような量とする。多孔質金属体に対するはんだ合金の占める割合は好ましくは２０〜３０％である。
【００４４】
多孔質金属体の板厚さおよび空孔率：
本発明にかかる接合材は、薄板状に構成されるが、使用に際しては、所定形状に切断されて、いわゆるはんだプリフォームと同様の態様で使用される。すなわち、本発明にかかる接合材は、接合面の間に介在させて組み立て、これをリフロー炉げ加熱することではんだ接合が行われる。そのため、好ましくは、本発明に係る接合材は、上記多孔質金属体の板厚さが０．１ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下である。本発明に使用する網目状構造を有する多孔質金属体の空孔率、つまりはんだ合金の充填率は、２０〜３０％のものが好ましい。
【００４５】
本発明で、ＣｕまたはＣｕ合金の網目状構造を有する多孔質金属体に、ＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだを含浸すると、空孔率が２０〜３０％（面積割合で示す）のときはＳｎがＣｕ３Ｓｎ並びにＣｕ６Ｓｎ５の形成により消失し、接合部の溶融点の高温化が行われる。空孔率が３０％を越えると低融点相のＳｎが残存し、高温化が実現しない。高温化を行ううえでは、Ｓｎ単一相の消失が必須であること、ボイドなどの接合性を向上するためにも空孔率２０〜３０％のものが好ましい。
【００４６】
すでに述べたように、本発明で使用する多孔質金属体は市販品を用いればよいが、市販品の多くは厚さが、１〜０．５ｍｍ程度であるため、また空孔率も６０％程度であるため、本発明において溶融はんだを含浸させるまえに、所望板厚さおよび空孔率に調整することが好ましい。そのような調整は圧延により行えばよい。
【００４７】
次に、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。
【実施例】
【００４８】
実施例１〜６、比較例１〜４
福田金属製リン青銅粉末（商品名Ｐ−２０１）を８８０℃の還元雰囲気において焼結させ、多孔質金属体（板長さ：１ｍ、幅：１５ｍｍ、厚さ：０．１ｍｍ、空孔率：２５％）を用意し、これを各種はんだ浴に２５０〜２６０℃で浸漬し、鉛フリーはんだを含浸させた。溶融はんだの含浸にフラックスは使用せず、はんだ浴に超音波を当てることにより多孔質金属体の酸化皮膜を除去し、ボイド発生を防止した。使用した多孔質体の孔構造は、連続孔が網目上に連通しており、板表面に開口部を備えていた。
【００４９】
接合材の厚さは、多孔質金属体をはんだ浴から取り出す速度により制御を行い、はんだ合金層および多孔質金属体も合計の厚さが０．１５〜０．２ｍｍになるように調整した。はんだ合金層の厚さは、０．０５〜０．１ｍｍであった。
【００５０】
得られた接合材を、３ｍｍ×３ｍｍの大きさにプレスで打ち抜き、これを使って、Ｃｕ板上にこの接合材を介してシリコンチップを載せて組み立てた。得られた組み立て体をリフロー条件を模した条件に保持した後、冷却して、接合部断面を顕微鏡観察するとともに、接合強度を測定した。
【００５１】
Ｃｕ板上に接合したのは、絶縁体にはシリコンチップとのはんだ接合を容易にするためにＣｕめっきが行われているからである。Ｃｕ板で絶縁板を模したのである。
図２は、実施例１で使用した接合材の断面顕微鏡組織図（倍率：５００倍）である。
多孔質金属体５が、溶融充填されたはんだ合金７によって包囲されているのがわかる。両者のＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物およびＣｕ３Ｓｎ金属間化合物の存在が確認された。しかし、はんだ合金、特に表面部分のはんだ合金はＳｎ単体で存在していることが確認された。
【００５２】
図３は、比較例１で使用した多孔質形状を有しない（空孔率０％）接合材の断面顕微鏡組織図（倍率：５００倍）である。バルク状金属（Ｃｕ）体８とはんだ（Ｓｎ）層７とがきれいに積層されているのがわかる。
【００５３】
図４は、比較例４で使用した空孔率３５％以上の接合材の断面顕微鏡組織図（倍率：５００倍）である。多孔質体金属体９の空孔率が大きいため、その分、ハンダ（Ｓｎ）の充填量が多くなり、最終的に接合部を構成したときに、はんだ成分であるＳｎが単体で存在するため、溶融温度の低下は避けられない。
【００５４】
【表２】
【００５５】
表２記載の空孔率は、多孔質金属体の断面画像から空孔部を検出し測定した。したがって、「空孔率」は面積率で表す。検出に使用した画像解析ソフトはＳｏｆｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ製ｓｃａｎｄｉｕｍを用いた。画像上、金属部と空孔部はコントラストが異なるため、画像解析により識別可能であり、空孔部のみを検出する事で測定を行った。
【００５６】
（実施例７）
実施例１で製造した接合材から５ｍｍ角の接合材を打ち抜き、これを高温炉で１０ｍｍ角のＣｕ板もしくはＮｉめっきＣｕ板に接合することで、Ｓｎ−Ｃｕの金属間化合物を形成させて、接合部を再現した。
【００５７】
接合には、米倉製作所製の高温観察装置ＩｒＦ−ＴＰを用い、加熱温度３５０℃、１５分の条件で加熱した。
このようにして得られた接合部の金属間化合物の生成量を測定した。測定方法は、日本電子製走査型電子顕微鏡ＪＳＭ−７０００Ｆを用い、接合部断面から化合物存在領域を検出、検出した面積を計測し、生成した化合物量とした。結果を表２に示す。
【００５８】
同様に、上記接合部のボイド率を測定した。測定方法は、東芝製Ｘ線透過装置ＴＯＳＭＩＣＲＯＮを用い、ボイド部を検出、接合部全体の面積に対するボイドの比率として表示した。
【００５９】
結果を表２に示す。
実施例１で製造した本発明の接合部材の接合強度及び溶融温度を測定した。
接合強度の測定法は、ＪＩＳ Ｚ３１９８−５に準じた。但し、３０ｍｍ角Ｃｕ板の上に本発明の接合材（３ｍｍ角の大きさ）を載せ、さらにそのうえに測定片としての３ｍｍ角、厚さ１ｍｍのＣｕチップを載せて、これを加熱接合した。
【００６０】
計測は、レスカ製継手強度試験機ＳＴＲ−１０００を用い、せん断速度は６ｍｍ／ｍｉｎ、試験温度は室温ならびに２５０℃で行った。
溶融温度の測定方法は、ＪＩＳ Ｚ３１９８−１に準じた。熱分析の条件は、セイコーインスツルメンツ製示差熱分析装置ＤＳＣ６２００を用い、昇温速度５℃／ｍｉｎ、１８０―２８０℃間における接合加熱後の溶融点を確認した。接合部試料は強度試験に使用したものと同じものを使用した。
結果を表２に示す。
【００６１】
（実施例８）
実施例１で製造した接合材（表２の実施例１参照）を用いて、図１に示すように、絶縁板にシリコンチップを接合し、さらにこれをＣｕ基板に接合して半導体装置を構成した。次いで、この半導体装置をプリント基板にリフロ−温度２４０℃で実装した。
【００６２】
実装時に半導体装置の内部接合部が溶融することはなかった。
【符号の説明】
【００６３】
１． 接合材
２． ＩＣチップ
３． 絶縁基板
４． ベース基板
５． 多孔質金属体
６． 金属間化合物
７． Ｐｂフリーはんだ
８． バルク状金属体（空孔率０％）
９． 多孔質金属体（空孔率３５％以上）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置における接合材に関し、特にパワーダイオードや内部に微細配線を有する半導体チップなどの、放熱が必要な半導体素子を基板に接合する接合材およびそのような接合材で半導体素子が接合された基板を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の代表例として、Ｃｕ又は４２アロイからなる基板であるフレーム上に半導体チップ（シリコンチップ）が載った半導体デバイスが挙げられる。シリコンチップとフレームの間はＡｕ線でワイヤーボンデングされている。一方、フレームとシリコンチップの接合は、エポキシ系の接着剤を使用することもあるが、熱伝導性が高く放熱効果が高いはんだによる接合の方が一般的である。このような時の接合を半導体装置の内部接合とも言う。
【０００３】
半導体デバイスは、電子機器に組み立てるときプリント基板に実装されるが、そのとき再度リフローはんだ付けの加熱を受ける。その際に、先に行った内部接合によるはんだ付け部がそのときのリフロー温度で融けないようにする必要がある。そのため、半導体デバイスの内部接合に使用するはんだは、プリント基板の実装に使用するはんだよりも溶融温度の高いはんだ合金を使用する。このような半導体デバイス自体でも半導体装置を構成するが、この半導体デバイスはさらに回路基板に接続されて、さらに大きな半導体装置を構成する。以下、このように半導体装置の内部接合のはんだ付けを行うはんだを「高温はんだ」という。
【０００４】
従来の高温はんだは、溶融温度が３００℃前後のＰｂベースのはんだ合金であった。
半導体装置の内部接合に用いられる高温はんだには、Ｐｂ−１０Ｓｎ（固相線温度２６８℃、液相線温度３０２℃）、Ｐｂ−５Ｓｎ（固相線温度３０７℃、液相線温度３１３℃）、Ｐｂ−２Ａｇ−８Ｓｎ（固相線温度２７５℃、液相線温度３４６℃）、Ｐｂ−５Ａｇ（固相線温度３０４℃、液相線温度３６５℃）などがあり、主にＰｂが主成分となっている。これらの高温はんだは、いずれも固相線温度が２６０℃以上である。そのため、プリント基板の実装用はんだ付けに、例えば６３Ｓｎ−３７Ｐｂ共晶はんだを使用する場合、そのときのはんだ付け温度が少し高めの２３０℃になっても、Ｐｂ−１０Ｓｎなどの高温はんだではんだ付けした半導体装置の内部接合のはんだ付け部は、プリント基板への実装はんだ付け時に溶融することがない。
【０００５】
ところで、環境保護の観点から、最近では、はんだ付け技術全般において、Ｐｂ系はんだ合金に代えて、Ｐｂフリーはんだ合金を用いることが求められている。
当然、従来の半導体装置の内部接合に使用されてきた前述のようなＰｂ−Ｓｎ系高温はんだについても、Ｐｂフリーはんだ合金の使用が求められている。
【０００６】
しかしながら、Ｐｂフリーはんだ合金はこれまで種々提案されてきたが、Ｓｎ主成分で固相線温度が２６０℃以上の高温はんだ合金はなかった。例えば、固相線温度（共晶温度）が２２１℃のＳｎ−Ａｇ系はんだ合金において、Ａｇを増やしていっても液相線温度は上がるが、固相線温度は上がらない。固相線温度２２７℃のＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金では、固相線温度を高くするために、Ｓｂを極端に増やした場合、液相線温度も極端に上がってしまう。そして、これらに他の元素を添加してもそのような特性を変えることはできない。
【０００７】
したがって、従来より、Ｐｂフリーはんだ合金では、半導体装置の内部接合用の高温はんだとして使用可能なものはないと考えられている。
この高温はんだ合金を使用しない接合技術として検討されたのは、Ｓｎ主成分の鉛フリーはんだと比較して溶融温度の高い金属間化合物で接合する方法である。
【０００８】
特許文献１には、Ｓｎ又はＳｎ主成分の鉛フリーはんだ粉末とＣｕ粉末を混合したソルダペーストを用いる方法が開示されている。溶融接合時に、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物を形成して接合を行う。
【０００９】
特許文献２には、特許文献１記載の発明の一形態として、Ｓｎ又はＳｎ主成分の鉛フリーはんだ粉末とＣｕ粉末を圧延してはんだ箔としたはんだ材料が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２５４１９４公報
【特許文献２】特開２００２−３０１５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
すでに述べたように、半導体装置の内部接合に使用する接合材あるいはそれにより得られた内部接合部は、プリント基板の実装に使用するはんだ合金よりも溶融温度の高いことが求められるが、それを実現可能とする、Ｓｎ主成分で固相線温度が２６０℃以上の高温はんだ合金はまだ知られていない。
【００１２】
引用文献１では、Ｓｎ又はＳｎ主成分の鉛フリーはんだ粉末とＣｕ粉末とを混合したソルダペーストが提案されているが、ソルダペーストのフラックスには必ず溶剤が含まれているので、ソルダペーストの形態で使用すると加熱時にフラックス中の溶剤が揮発してボイドが発生し易い傾向がある。このボイドは特に微細配線の半導体装置では信頼性を低下させる原因となってしまう。
【００１３】
特許文献２の粉末圧延材では、溶剤の揮発により発生するボイドの問題は解決可能である。しかし、粉末は表面積が広く酸化し易いことから、ＳｎやＣｕの粉末の製造時に粉末表面には既に酸化膜が形成されており、特許文献２のようにはんだの圧延作業を不活性雰囲気で行っても粉末表面の酸化物は除去できない。また、単に粉末を圧延すると、どうしても完全に隙間がはんだで埋まらずに空隙ができ易い。
【００１４】
特許文献２では、フラックスを用いないで水素などの還元雰囲気ではんだ付けをしても、はんだの圧延前に発生した粉末表面の酸化物がはんだ箔内部に入り込んでいるために、水素などの還元雰囲気でははんだ箔内部の酸化物までは除去できないので、はんだのぬれ不良を起こしてボイドが発生しやすいという問題点がある。
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、フラックスを用いない、かつ、ボイド発生がなく濡れ性の優れた半導体装置の内部接合用接合材を提供することである。
さらに本発明の課題は、基板に実装するときにも内部接合部が溶融しない半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、複合材が一般に高温特性に優れていることに着目して、複合材を用いて内部接合を行うという着想を得、さらに検討を重ね、複合材として網目状構造を有する多孔質金属薄板を採用し、これに、はんだ合金、特にＰｂフリーはんだ合金を含浸させた接合材が半導体装置の内部接合用に特に効果的であることを見出し、本発明を完成した。
【００１７】
したがって、本発明は、最も広義には、網目状構造を有する多孔質金属体中にＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだを溶融充填させてから凝固させた半導体装置の高温はんだ接合材およびそれを用いて得られた半導体装置である。
【００１８】
ここに、「網目状構造を有する多孔質金属体」は、「多孔質構造を有し、多孔質構造を構成する孔が網目状に連通していて、そのような連通孔の少なくとも一部が金属体表面に露出している多孔質金属体」を云う。一般には、薄板状となった多孔質金属体である。本発明において使用する多孔質金属体は導電性を示す。
【００１９】
現在、多孔質金属は、従来のバルク状金属を多孔質化することで軽量化やフィルター効果を目的として作られ始めている。導電材料への応用も提案されている。電気は高周波になるほど、それだけ導体表面を通過するようになるので、バルク状の金属に比較して表面積の広い多孔質金属は、同一電流量では、単位面積当たりの電流量が少ないため、電気抵抗の低下や電力損出の防止効果が発揮され、それを目的として使用されている。本発明においてもそのような市販の多孔質金属体を出発材料として使用してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、新規な接合材でもって半導体装置の内部接合が可能となり、半導体装置の内部接合部においてもＰｂフリー化を実現できる。
さらに、本発明によれば、はんだ粉末を使用して金属間化合物を形成する接合材に比較して、ボイドの少ない信頼性の高い内部接合部を得ることができる。
【００２１】
また、本発明によれば、表面積の多い多孔質金属体に予めＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだを溶融させながら含浸させることで、多孔質金属体を構成する金属とＳｎとが、その境界部で密着性ガ高まり、導電性、伝熱性が大きく改善される。しかも、内部接合に際して加熱温度を低くしても、あるいは加熱時間を短くしても、はんだ合金中のＳｎと被接合部金属（Ｎｉ、Ｃｕなど）との金属間化合物を所定の生成量で確保できるため、半導体装置の実装に際しての内部接合部の溶融温度の高温化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ、本発明に係る接合材を用いる半導体装置の内部構造および接合材の模式的説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施例１の多孔質金属中にＳｎを溶融充填した接合材の断面顕微鏡組織図である。
【図３】図３は、比較例１のＣｕシートをＳｎではんだ付けした接合材の断面顕微鏡組織図である。
【図４】図４は、比較例７の空孔率の高い多孔質金属中にＳｎを溶融充填した接合材の断面顕微鏡組織図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１（ａ）は、本発明にかかる半導体装置の模式的説明図であり、本発明にかかる接合材１はシリコンチップ（ＩＣチップ）２と絶縁基板３との間に介在させて両者を内部接合しており、さらに、この組立体が、絶縁基板３をＣｕベース基板４に内部接合させて半導体装置を構成している。
【００２４】
ＩＣチップ２と絶縁基板３との接合は、本発明にかかる接合材の良好な熱伝導性を利用するものである。一方、絶縁基板とＣｕ−ベース基板４との接合は、電極あるいは接続端子の導通をとるとともに、放熱を図るためである。本発明にかかる接合材はいずれの目的にも用いることができる。
【００２５】
なお、ＩＣチップ２を絶縁基板３に内部接合しただけの上記組立体をもって半導体装置と呼ぶこともある。
このように内部接合された半導体装置は、さらにプリント配線基板などに実装されて、電源装置などの電子機器を構成する。
【００２６】
図１（ｂ）は、ＩＣチップ２と絶縁基板３、または絶縁基板３とＣｕベース基板４を接合材１で接合したときの接合部の拡大模式図である。接合材１は多孔質金属体５と金属間化合物６で構成されており、加熱接合後の高温化状態を示している。接合前における多孔質金属体の内部は、ＳｎまたはＳｎ系はんだで充填されており、接合時の加熱により金属間化合物を生成しＳｎが消失し、融点の高温化が行われる。
【００２７】
本発明の半導体装置は、シリコンチップで発生した熱を速やかにＣｕベース基板に放散させる構造であり、微細配線パターンの半導体やパワー半導体などの電気の導通と共に熱を発生し易い用途に用いられる。そのために、ＩＣチップと絶縁基板、絶縁基板とＣｕベース基板との接合部分は、高温になり易く、接合に用いられるはんだも高温はんだが使用される。
【００２８】
本発明は、高温はんだによる接合に代えて、Ｓｎの金属間化合物による接合を使用したもので、そのような接合部位は、網目状構造を有する多孔質金属体によってその周囲が包囲される構造となっている。
【００２９】
すでに述べたように、本発明にかかる高温はんだ接合材は、網目構造の連通孔を備えた多孔質金属体にＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだを溶融充填することによって製造される。
【００３０】
本発明にかかる半導体装置は、内部接合を行うものであれば特に制限はないが、具体的にはパワー半導体装置が例示される。
本発明の接合機構：
本発明によれば、半導体装置を構成する半導体素子と基板との接合部に、Ｓｎの金属間化合物を形成させる。網目状構造を有する多孔質金属に溶融充填されたＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだと多孔質金属体を構成する金属との反応、さらには、上記鉛フリーはんだとＣｕもしくはＮｉめっきとの反応によって接合部が形成される。これらの反応は、それぞれ、溶融はんだ合金を多孔質金属体に含浸させるとき、および内部接合を行うときに生じる。
【００３１】
半導体素子や基板との接合面には、多孔質金属体の骨格を構成する例えばＣｕ１０Ｓｎ合金などの金属面と、多孔部分を充填する鉛フリーはんだ合金面とが共存する。これが接合部材の金属と接触状態で加熱されると、はんだにより相手接合面が濡れるとともに、Ｓｎとの反応によって、金属間化合物が生成される。
【００３２】
本発明にかかる接合材では、多孔質金属体とその中に溶融充填されたＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだ合金との間の境界部には非常に薄い金属間化合物層が形成され、表面酸化皮膜が実質上存在しないため、ボイドの少ない信頼性の高い内部接合部が得られると共に、接合時の加熱により金属間化合物生成反応が容易にとなり、Ｓｎとの金属間化合物生成が促進される結果、Ｓｎは単体としては実質上残存しない。
【００３３】
ここに、Ｓｎの金属間化合物を使用した接合は、化合物形成反応が速やかに行われる必要がある。従来は、特許文献１および２のようにＳｎ系はんだとＣｕとを粉末として用いて、ＳｎおよびＣｕの表面積を増加させることによって、ＳｎとＣｕとの金属間化合物形成反応を促進させるものであったが、とのときの反応性を高めるために微細な粉末を用いると、Ｓｎ及びＣｕの粉末が容易に酸化して、ボイドが増加してしまうという問題点があった。
【００３４】
本発明は、そのような問題を改善する。本発明では、微細なＳｎとＣｕの粉末の代わりに、網目状構造を有する多孔質金属体とそこに充填するＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだ合金から成る接合体を用いる。
【００３５】
多孔質金属体：
本発明において使用する多孔質金属体は、市販のものを出発材料として利用すればよい。市販品を、必要により、所定厚さにまで圧延するとともに、空孔率を調整すればよい。
【００３６】
多孔質金属体は、発泡ウレタンに導電性処理を施し、めっきを行ったあと、ウレタンを加熱除去する「めっき法」、発泡ウレタンを含む金属粉末スラリーを直接発泡させ、その後脱脂焼結を行う「スラリー発泡法」、及び金属粉末スラリーを発泡ウレタンに塗布し、焼結とともにウレタンを除去する「スラリー塗布法」などの方法で製造されている。
【００３７】
本発明に使用する網目状構造を有する多孔質金属は、Ｓｎとの反応により金属間化合物を生成する金属であれば適用可能であり、例としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉおよび青銅などのＣｕ合金が考えられる。表１に各種金属とＳｎとの反応により形成する金属間化合物を明記する。特にＳｎとの反応を容易に行う、ＣｕおよびＣｕ合金が好ましい。
【００３８】
このような純銅及びＣｕ含有量が９０％以上のＣｕ合金としては、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅などの銅材、ＣＡＣ１０１，ＣＡＣ１０２，ＣＡＣ１０３などの銅鋳物やＣｕにＳｎやＺｎなどを添加した青銅など銅合金が例示される。網目状構造を有する多孔質金属に用いるＣｕ合金のＣｕ含有量が９０％未満であると、多孔質金属に充填したＳｎ又はＳｎ系の鉛フリーはんだとの反応を阻害するので、好ましくない。網目状構造を有する多孔質金属に用いるＣｕ合金のＣｕ含有量は、好ましくは、純銅及びＣｕ含有量が９０％以上のＣｕ合金が適している。
【００３９】
【表１】
【００４０】
含浸方法：
本発明の場合、多孔質体を構成する孔は、多孔質体表面と連通した穴構造を持っており、網目状構造を有することから、溶融はんだ浴にこの多孔質体を浸漬するだけで孔構造の内部にまではんだを含浸させることができる。真空雰囲気でこのような含浸処理を行えば、より効率的に内部にまで溶融はんだを含浸させることができる。
【００４１】
フープ材のような長尺材の場合、溶融はんだ浴に、好ましくは不活性ガス雰囲気あるいは真空雰囲気下で、連続的に浸漬させ、次いで引き上げることで、空孔内への溶融はんだを含浸できる。この場合、長尺材の走行速度を調整することで、多孔質金属体表面への溶融はんだの付着量、つまり接合材の厚さを調整できる。多孔質金属体の表面は全体が薄くはんだ合金で被覆される。もちろん、このときに溶融はんだ合金と多孔質金属体表面との界面には金属間化合物が生成される、両者の接合強度、つまり密着力は向上する。
【００４２】
含浸させるはんだ合金としては、Ｐｂフリーであれば、特に制限はないが、この種の用途には、Ｓｎ単体金属、Ｓｎ−Ａｇはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金が好ましい。
【００４３】
本発明においてははんだ合金の量は、少なくとも多孔質金属体の空孔部を充填でき、表面、例えば板状多孔質金属体の場合、一方あるいは両方の表面を被覆するような量とする。多孔質金属体に対するはんだ合金の占める割合は好ましくは２０〜３０％である。
【００４４】
多孔質金属体の板厚さおよび空孔率：
本発明にかかる接合材は、薄板状に構成されるが、使用に際しては、所定形状に切断されて、いわゆるはんだプリフォームと同様の態様で使用される。すなわち、本発明にかかる接合材は、接合面の間に介在させて組み立て、これをリフロー炉げ加熱することではんだ接合が行われる。そのため、好ましくは、本発明に係る接合材は、上記多孔質金属体の板厚さが０．１ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下である。本発明に使用する網目状構造を有する多孔質金属体の空孔率、つまりはんだ合金の充填率は、２０〜３０％のものが好ましい。
【００４５】
本発明で、ＣｕまたはＣｕ合金の網目状構造を有する多孔質金属体に、ＳｎまたはＳｎ系の鉛フリーはんだを含浸すると、空孔率が２０〜３０％（面積割合で示す）のときはＳｎがＣｕ３Ｓｎ並びにＣｕ６Ｓｎ５の形成により消失し、接合部の溶融点の高温化が行われる。空孔率が３０％を越えると低融点相のＳｎが残存し、高温化が実現しない。高温化を行ううえでは、Ｓｎ単一相の消失が必須であること、ボイドなどの接合性を向上するためにも空孔率２０〜３０％のものが好ましい。
【００４６】
すでに述べたように、本発明で使用する多孔質金属体は市販品を用いればよいが、市販品の多くは厚さが、１〜０．５ｍｍ程度であるため、また空孔率も６０％程度であるため、本発明において溶融はんだを含浸させるまえに、所望板厚さおよび空孔率に調整することが好ましい。そのような調整は圧延により行えばよい。
【００４７】
次に、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。
【実施例】
【００４８】
実施例１〜６、比較例１〜４
福田金属製リン青銅粉末（商品名Ｐ−２０１）を８８０℃の還元雰囲気において焼結させ、多孔質金属体（板長さ：１ｍ、幅：１５ｍｍ、厚さ：０．１ｍｍ、空孔率：２５％）を用意し、これを各種はんだ浴に２５０〜２６０℃で浸漬し、鉛フリーはんだを含浸させた。溶融はんだの含浸にフラックスは使用せず、はんだ浴に超音波を当てることにより多孔質金属体の酸化皮膜を除去し、ボイド発生を防止した。使用した多孔質体の孔構造は、連続孔が網目上に連通しており、板表面に開口部を備えていた。
【００４９】
接合材の厚さは、多孔質金属体をはんだ浴から取り出す速度により制御を行い、はんだ合金層および多孔質金属体も合計の厚さが０．１５〜０．２ｍｍになるように調整した。はんだ合金層の厚さは、０．０５〜０．１ｍｍであった。
【００５０】
得られた接合材を、３ｍｍ×３ｍｍの大きさにプレスで打ち抜き、これを使って、Ｃｕ板上にこの接合材を介してシリコンチップを載せて組み立てた。得られた組み立て体をリフロー条件を模した条件に保持した後、冷却して、接合部断面を顕微鏡観察するとともに、接合強度を測定した。
【００５１】
Ｃｕ板上に接合したのは、絶縁体にはシリコンチップとのはんだ接合を容易にするためにＣｕめっきが行われているからである。Ｃｕ板で絶縁板を模したのである。
図２は、実施例１で使用した接合材の断面顕微鏡組織図（倍率：５００倍）である。
多孔質金属体５が、溶融充填されたはんだ合金７によって包囲されているのがわかる。両者のＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物およびＣｕ３Ｓｎ金属間化合物の存在が確認された。しかし、はんだ合金、特に表面部分のはんだ合金はＳｎ単体で存在していることが確認された。
【００５２】
図３は、比較例１で使用した多孔質形状を有しない（空孔率０％）接合材の断面顕微鏡組織図（倍率：５００倍）である。バルク状金属（Ｃｕ）体８とはんだ（Ｓｎ）層７とがきれいに積層されているのがわかる。
【００５３】
図４は、比較例４で使用した空孔率３５％以上の接合材の断面顕微鏡組織図（倍率：５００倍）である。多孔質体金属体９の空孔率が大きいため、その分、ハンダ（Ｓｎ）の充填量が多くなり、最終的に接合部を構成したときに、はんだ成分であるＳｎが単体で存在するため、溶融温度の低下は避けられない。
【００５４】
【表２】
【００５５】
表２記載の空孔率は、多孔質金属体の断面画像から空孔部を検出し測定した。したがって、「空孔率」は面積率で表す。検出に使用した画像解析ソフトはＳｏｆｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ製ｓｃａｎｄｉｕｍを用いた。画像上、金属部と空孔部はコントラストが異なるため、画像解析により識別可能であり、空孔部のみを検出する事で測定を行った。
【００５６】
（実施例７）
実施例１で製造した接合材から５ｍｍ角の接合材を打ち抜き、これを高温炉で１０ｍｍ角のＣｕ板もしくはＮｉめっきＣｕ板に接合することで、Ｓｎ−Ｃｕの金属間化合物を形成させて、接合部を再現した。
【００５７】
接合には、米倉製作所製の高温観察装置ＩｒＦ−ＴＰを用い、加熱温度３５０℃、１５分の条件で加熱した。
このようにして得られた接合部の金属間化合物の生成量を測定した。測定方法は、日本電子製走査型電子顕微鏡ＪＳＭ−７０００Ｆを用い、接合部断面から化合物存在領域を検出、検出した面積を計測し、生成した化合物量とした。結果を表２に示す。
【００５８】
同様に、上記接合部のボイド率を測定した。測定方法は、東芝製Ｘ線透過装置ＴＯＳＭＩＣＲＯＮを用い、ボイド部を検出、接合部全体の面積に対するボイドの比率として表示した。
【００５９】
結果を表２に示す。
実施例１で製造した本発明の接合部材の接合強度及び溶融温度を測定した。
接合強度の測定法は、ＪＩＳ Ｚ３１９８−５に準じた。但し、３０ｍｍ角Ｃｕ板の上に本発明の接合材（３ｍｍ角の大きさ）を載せ、さらにそのうえに測定片としての３ｍｍ角、厚さ１ｍｍのＣｕチップを載せて、これを加熱接合した。
【００６０】
計測は、レスカ製継手強度試験機ＳＴＲ−１０００を用い、せん断速度は６ｍｍ／ｍｉｎ、試験温度は室温ならびに２５０℃で行った。
溶融温度の測定方法は、ＪＩＳ Ｚ３１９８−１に準じた。熱分析の条件は、セイコーインスツルメンツ製示差熱分析装置ＤＳＣ６２００を用い、昇温速度５℃／ｍｉｎ、１８０―２８０℃間における接合加熱後の溶融点を確認した。接合部試料は強度試験に使用したものと同じものを使用した。
結果を表２に示す。
【００６１】
（実施例８）
実施例１で製造した接合材（表２の実施例１参照）を用いて、図１に示すように、絶縁板にシリコンチップを接合し、さらにこれをＣｕ基板に接合して半導体装置を構成した。次いで、この半導体装置をプリント基板にリフロ−温度２４０℃で実装した。
【００６２】
実装時に半導体装置の内部接合部が溶融することはなかった。
【符号の説明】
【００６３】
１． 接合材
２． ＩＣチップ
３． 絶縁基板
４． ベース基板
５． 多孔質金属体
６． 金属間化合物
７． Ｐｂフリーはんだ
８． バルク状金属体（空孔率０％）
９． 多孔質金属体（空孔率３５％以上）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
網目構造を有する多孔質金属体と、該多孔質金属体の空孔部分に充填され、かつ該多孔質金属体表面を被覆したＳｎまたはＳｎ系はんだ合金とから構成され、前記多孔質金属体が導電性を示す、高温はんだ接合材。
【請求項２】
前記多孔質金属体が、Ｓｎとの反応により金属間化合物を生成するＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、およびＣｕ含有量が９０質量％以上のＣｕ合金からなる群から選んだ少なくとい１種から構成される請求項１記載の高温はんだ接合材。
【請求項３】
前記多孔質金属体に対してはんだ合金の占める割合が、体積％で、２０％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の高温はんだ接合材。
【請求項４】
前記多孔質金属体の厚さが０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であり、半導体装置の内部接合に用いる、請求項１ないし３のいずれかに記載の高温はんだ接合材。
【請求項５】
空多孔質金属体として、空孔率が、面積率で、２０％以上、３０％以下である多孔質金属体を用いた、請求項１ないし４のいずれかに記載の高温はんだ接合材。
【請求項６】
多孔質金属体を、ＳｎまたはＳｎ系はんだ合金溶融浴中に浸漬して、該多孔質金属体を構成する内部から表面に連通した孔構造内に溶融ＳｎまたはＳｎ系はんだを充填し、かつ該多孔質幸金属板表面を被覆させること、前記多孔金属体をＳｎまたはＳｎ系はんだ合金溶融浴から取り出すこと、そして、前記多孔質金属体に充填されまたそれを被覆する溶融ＳｎまたはＳｎ系はんだ合金を凝固させることからなる、請求項１記載の高温はんだ接合材の製造方法。
【請求項７】
少なくとも、半導体素子と絶縁基板とを接合するはんだ接合部を備えた半導体装置であって、該はんだ接合部が、請求項１ないし５のいずれかに記載の高温はんだ接合材を用いて接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記接合部において、Ｓｎ単体が消失した、請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記接合部が２６０℃において溶融しない、請求項７または８記載の半導体装置。
【請求項１０】
請求１ないし５のいずれかに記載の高温はんだ接合材を用いて、少なくとも、半導体素子と絶縁基板とを接合する半導体装置の接合方法であって、不活性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気、および減圧雰囲気から選ばれたいずれかの雰囲気下で、３００℃以上３５０℃以下において５分以上加熱させ、フラックスレスで接合を行う、半導体装置の内部接合方法。
【請求項１】
網目構造を有する多孔質金属体と、該多孔質金属体の空孔部分に充填され、かつ該多孔質金属体表面を被覆したＳｎまたはＳｎ系はんだ合金とから構成され、前記多孔質金属体が導電性を示す、高温はんだ接合材。
【請求項２】
前記多孔質金属体が、Ｓｎとの反応により金属間化合物を生成するＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、およびＣｕ含有量が９０質量％以上のＣｕ合金からなる群から選んだ少なくとい１種から構成される請求項１記載の高温はんだ接合材。
【請求項３】
前記多孔質金属体に対してはんだ合金の占める割合が、体積％で、２０％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の高温はんだ接合材。
【請求項４】
前記多孔質金属体の厚さが０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であり、半導体装置の内部接合に用いる、請求項１ないし３のいずれかに記載の高温はんだ接合材。
【請求項５】
空多孔質金属体として、空孔率が、面積率で、２０％以上、３０％以下である多孔質金属体を用いた、請求項１ないし４のいずれかに記載の高温はんだ接合材。
【請求項６】
多孔質金属体を、ＳｎまたはＳｎ系はんだ合金溶融浴中に浸漬して、該多孔質金属体を構成する内部から表面に連通した孔構造内に溶融ＳｎまたはＳｎ系はんだを充填し、かつ該多孔質幸金属板表面を被覆させること、前記多孔金属体をＳｎまたはＳｎ系はんだ合金溶融浴から取り出すこと、そして、前記多孔質金属体に充填されまたそれを被覆する溶融ＳｎまたはＳｎ系はんだ合金を凝固させることからなる、請求項１記載の高温はんだ接合材の製造方法。
【請求項７】
少なくとも、半導体素子と絶縁基板とを接合するはんだ接合部を備えた半導体装置であって、該はんだ接合部が、請求項１ないし５のいずれかに記載の高温はんだ接合材を用いて接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記接合部において、Ｓｎ単体が消失した、請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記接合部が２６０℃において溶融しない、請求項７または８記載の半導体装置。
【請求項１０】
請求１ないし５のいずれかに記載の高温はんだ接合材を用いて、少なくとも、半導体素子と絶縁基板とを接合する半導体装置の接合方法であって、不活性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気、および減圧雰囲気から選ばれたいずれかの雰囲気下で、３００℃以上３５０℃以下において５分以上加熱させ、フラックスレスで接合を行う、半導体装置の内部接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−３５２９１（Ｐ２０１２−３５２９１Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７６４５６（Ｐ２０１０−１７６４５６）
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００１９９１９７）千住金属工業株式会社 (101)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００１９９１９７）千住金属工業株式会社 (101)
【Ｆターム（参考）】
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