接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置
【課題】濡れ性、及び接続性の良い接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】接続材料１００は、Ｚｎ１０１と、Ｚｎ１０１の周囲に積層された複数の金属層１０２，１０３とを備えた部材からなり、部材最表面の表面積の８０％以上を金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）１０３によって被覆するように形成されている。接続材料１００の溶融後において、２ｗｔ％以上９ｗｔ％以下のＡｌ１０２と、０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下の金属Ｍ１０３と、残部Ｚｎ１０１とからなる組成を有する。
【解決手段】接続材料１００は、Ｚｎ１０１と、Ｚｎ１０１の周囲に積層された複数の金属層１０２，１０３とを備えた部材からなり、部材最表面の表面積の８０％以上を金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）１０３によって被覆するように形成されている。接続材料１００の溶融後において、２ｗｔ％以上９ｗｔ％以下のＡｌ１０２と、０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下の金属Ｍ１０３と、残部Ｚｎ１０１とからなる組成を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置に係り、特に、高耐熱接続材料であるＺｎ−Ａｌ系合金を用いて接続したときの濡れ、及び接続の信頼性の向上を図った接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
はんだ材料としては、鉛（Ｐｂ）系はんだ材料が広く知られている。しかしながら、鉛は人体への有害性が指摘されていることから、電機・電子機器中の鉛使用を禁止するＲｏＨＳ（Restriction of the use of certain Hazardous Substances electrical and electronic equipment）指令の施行等で鉛の使用規制が拡大している。その代替材料の一例としては、Ｚｎ−Ａｌ（亜鉛−アルミニウム）系はんだ材料がある。
【０００３】
この種のＺｎ−Ａｌ系はんだ材料としては、Ｚｎ−Ａｌ合金にＭｇ（マグネシウム）及びＧａ（ガリウム）を添加したはんだ材料（特許文献１参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＭｇ及びＧｅ（ゲルマニウム）を添加したはんだ材料（特許文献２参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金に銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などを添加したはんだ材料（特許文献３参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５８５３９号公報
【特許文献２】特開２００４−３５８５４０号公報
【特許文献３】特開２００９−１２５７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１及び２に記載された従来のはんだ材料では、Ａｌに加えてＭｇを成分に含むため、接続時の加熱によりＡｌ酸化物及びＭｇ酸化物が溶融部表面に膜を生成する。この膜が濡れを阻害するため、スクラブ等により機械的に膜を破らない限り、濡れ性が十分に得られない可能性がある。
【０００６】
上記特許文献３記載の従来のはんだ材料では、ＺｎとＣｕの拡散が早い。そのため、内部のＺｎが被覆層となるＣｕと接触していると、接続時の昇温においてＣｕとＺｎの拡散が進行することで被覆層Ｃｕが消失し、酸化しやすいＺｎがはんだ材料の最表面に露出する。そして、酸化が進行して接合性を悪化させる。
【０００７】
上記特許文献１〜３記載の従来のＺｎ−Ａｌ系はんだ材料は、Ｚｎ−Ａｌ系合金にＡｌが含有されることに伴い、酸化により十分な濡れ性を確保できないこと、ＺｎとＣｕは拡散が早いために酸化防止のための被覆が消失することなどの問題を有している。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、濡れ性、及び接続性の良い接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本件発明者等は、接続材料の濡れ性、及び接続性の向上について熱意検討を行った結果、下記の本発明［１］〜［６］を採用することにより、上記目的が達成できることを見いだした。
【００１０】
［１］即ち、本発明は、Ｚｎと、前記Ｚｎの周囲に積層された複数の金属層と、を備えた部材からなり、前記部材の最表面の表面積の８０％以上を金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）によって被覆するように構成されており、前記部材の溶融後において、２ｗｔ％以上９ｗｔ％以下のＡｌと、０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下の金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）と、残部Ｚｎとからなる組成を有するＺｎ−Ａｌ−Ｍ系合金で構成されることを特徴とする接続材料にある。
【００１１】
［２］上記［１］記載の発明にあって、前記部材は、Ａｌで被覆されたＺｎからなるＺｎ系合金の周囲に前記金属Ｍが被覆されていることが好適である。
【００１２】
［３］上記［１］記載の発明にあって、前記部材は、線状からなるＺｎと、前記Ｚｎの周囲を被覆するＡｌ系金属層と、前記Ａｌ系金属層の周囲を被覆するＭ系金属層とからなることが好適である。
【００１３】
［４］本発明は更に、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の接続材料の製造方法であって、Ｚｎの周囲にスパッタリングあるいは蒸着によってＡｌ系金属層を形成する工程と、前記Ａｌ系金属層の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によって金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）からなるＭ系金属層を形成する工程と、を含むことを特徴とする接続材料の製造方法が提供される。
【００１４】
［５］本発明は更に、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の接続材料の製造方法であって、Ａｌ及び金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）を積層し、圧延して中間材を形成する工程と、前記中間材を線状からなるＺｎの周囲に巻き付けて線引きする工程と、を含むことを特徴とする接続材料の製造方法が提供される。
【００１５】
［６］本発明は更に、フレームと、前記フレーム上に設けられた半導体素子と、前記フレームと前記半導体素子との間に設けられた上記［１］〜［３］のいずれかに記載の接続材料とを備えることを特徴とする半導体装置にある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、濡れ性、及び接続性の良い接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置が効果的に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る典型的な実施の形態である接続材料を模式的に示す横断面図である。
【図２Ａ】本発明に係る接続材料の製造方法を模式的に示す図であって、Ｚｎ材をスパッタリングあるいは蒸着で被覆する工程を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの工程により製造された中間材を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｂの中間材をスパッタリングあるいは蒸着で被覆する工程を示す図である。
【図３Ａ】本発明に係る接続材料の他の製造方法を概略的に示す図であって、クラッド工程を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの工程により製造された中間材を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの中間材をＺｎ材の周囲に巻き付ける工程を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ｂの工程の次の線引き工程を示す図である。
【図４】本発明に係る接続材料を用いた半導体装置への適用例を示す図である。
【図５】従来の半導体装置において、再溶融したはんだによるフラッシュを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
【００１９】
（接続材料の組成成分）
図１において、全体を示す符号１００は、高耐熱接続材料（以下、「接続材料」という。）の一例を例示している。この接続材料１００の基本の構成は、ＺｎあるいはＺｎ合金の線材からなるＺｎ系合金（以下、「Ｚｎ材」という。）１０１と、Ｚｎ材１０１の周囲にＡｌあるいはＡｌ合金で被覆されたＡｌ系金属層（以下、「Ａｌ層」という。）１０２と、Ａｌ層１０２の周囲に金属Ｍで被覆されたＭ系金属層（以下、「金属Ｍ層」という。）１０３との三層構造により線状に形成されている。
【００２０】
ここで、金属Ｍとは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、又はＰｄからなる元素群の中から選択される１種以上の添加元素をいう。なお、この実施の形態では、接続材料１００の外観形態を線状としているが、これに限定されるものではなく、例えば棒状やシート状などの各種形態も採用することができる。
【００２１】
この接続材料１００は、各種の電気・電子機器に好適に用いられるはんだ材料となる。溶融前の接続材料１００としては、線材の最表面がＡｌを含まない金属Ｍであり、少なくとも線材の表面積の８０％以上が金属Ｍで被覆されていることが好適である。つまり、接続材料１００を溶融する前の金属Ｍの線材最表面への露出面積は、線材最表面の表面積の８０％以上であることが好ましい。このような接続材料１００を溶融させた後の組成は、Ａｌ：２〜９ｗｔ％、金属Ｍ：０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下、残部がＺｎであるＺｎ−Ａｌ−Ｍ系合金となることが好適である。
【００２２】
溶融前の接続材料１００の最表面がＡｌを含有しない金属Ｍにより被覆される被覆率が、少なくとも表面積の８０％以上であることを規定したのは、この被覆率が低いと、Ａｌが接続材料１００の表面に露出する割合が多くなるためである。つまり、接続材料１００の最表面にＡｌが存在していると、その表面の酸化が進行することで濡れ性が悪くなるためであり、接続材料１００の最表面に金属Ｍによる被覆が不足していると、酸化防止の効果を十分に発揮できないためである。
【００２３】
接続材料１００の溶融後にＡｌを２〜９ｗｔ％含むＺｎ−Ａｌ系合金に規定したのは、Ｚｎ−Ａｌ系合金が共晶組成であることが好ましいためである。ＺｎとＣｕの拡散と比べて、拡散が遅いＡｌとＣｕの組み合わせを用い、ＺｎとＣｕとの間にＡｌを介在させることで、接続材料１００の溶融後に、Ｚｎが接続材料１００の表面に露出することを防止することができる。それに加えて、接続材料１００が融点に到達したときにＺｎとＡｌとの間の界面が共晶反応を起こして液体となるので、その際に溶融させることができる。従って、接続材料１００の溶融後にＡｌを３〜８ｗｔ％程度含むことが更に好ましい。
【００２４】
Ａｌの密度は２．７ｇ／ｃｍ３であるから、Ｚｎ材１０１の外径を１としたときのＡｌ層１０２の厚さ比は、１／８０〜１／１５であることが好ましい。更に好ましくは、Ａｌ層１０２の厚さ比が１／５５〜１／１８であることが望ましい。
【００２５】
金属Ｍの含有量を０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下に規定したのは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、又はＰｄからなる元素を多く含むと、融点の上昇とコストの増加とを招くためである。従って、金属Ｍの含有量としては、０ｗｔ％超５ｗｔ％以下であることが更に好ましい。
【００２６】
Ａｕの密度は１９．２６ｇ／ｃｍ３、Ａｇの密度は１０．５ｇ／ｃｍ３、Ｃｕの密度は８．９２ｇ／ｃｍ３、Ｎｉの密度は８．９ｇ／ｃｍ３、Ｐｔの密度は２１．４５ｇ／ｃｍ３、Ｐｄの密度は１２．１６ｇ／ｃｍ３であるから、Ｚｎ材１０１の外径を１としたときの金属Ｍ層１０３の厚さ比は、Ａｕが１／５５以下、Ａｇが１／５０以下、Ｃｕが１／４５以下、Ｎｉが１／４５以下、Ｐｔが１／１００以下、Ｐｄが１／５５であることが好ましい。更に好ましくは、Ａｇの厚さ比が１／１００以下、Ｃｕの厚さ比が１／９０以下、Ｎｉの厚さ比が１／９０以下、Ｐｔの厚さ比が１／２００以下、Ｐｄの厚さ比が１／１１０以下であることが望ましい。
【００２７】
（接続材料の製造方法）
上記のように構成された接続材料１００は、図２Ａ〜図２Ｃに示す第１の製造方法、あるいは図３Ａ〜図３Ｄに示す第２の製造方法により効果的に得られる。この製造方法により線径５μｍ以上の接続材料１００を製造することが可能であり、ダイボンディングの部品接続に用いる場合には、接続材料１００の線径が８０〜４５０μｍであることが好ましい。
【００２８】
この第１の製造方法は、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、Ｚｎ材１０１の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によってＡｌ層１０２を形成する工程と、Ｚｎ材１０１とＡｌ層１０２とからなる中間材１０４の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によって金属Ｍ層１０３を形成する工程とを有している。
【００２９】
この接続材料１００を製造するにあたっては、先ず、Ｚｎ材１０１の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によってＡｌを供給することによって、Ｚｎ材１０１とＡｌ層１０２とからなる中間材１０４を得る（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。次に、中間材１０４の周囲に金属Ｍ層１０３のスパッタリングあるいは蒸着を行う（図２Ｃ参照）。これにより、図１に示すように、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、又はＰｄからなる元素群の中から選択される１種以上の添加元素で被覆された内部がＡｌ系合金で被覆されたＺｎ系合金の線材である接続材料１００が得られる。
【００３０】
この第２の製造方法は、図３Ａ〜図３Ｄに示すように、Ａｌ層１０２及び金属Ｍ層１０３をクラッド圧延して中間材１０５を形成する工程と、Ｚｎ材１０１の周囲に中間材１０５を巻き付ける工程と、Ｚｎ材１０１と中間材１０５とを線引きする工程とを有している。
【００３１】
この接続材料１００を製造するにあたっては、先ず、Ａｌ層１０２となるＡｌ金属条の片面に金属Ｍ層１０３となる金属Ｍ条を重ね合わせて、一対のローラ１，１を用いてクラッド圧延することで中間材１０５を得る（図３Ａ及び図３Ｂ参照）。次に、この中間材１０５をＺｎ材１０１の周囲に被覆するように巻き付けることで被覆材１０６を得る（図３Ｃ参照）。次に、線引き治具２を用いて被覆材１０６を線引きすることでＺｎ材１０１と一体化させる（図３Ｄ参照）。これにより、図１に示す接続材料１００が得られる。
【００３２】
この第２の製造方法によれば、Ａｌ層１０２となるＡｌ金属条と金属Ｍ層１０３となる金属Ｍ条とをクラッド圧延で接合して作製した中間材１０５をＺｎの外周に巻いて線引きを行うので、量産性に優れており、しかも伸線により金属の新生面同士の金属同士で接合するので、密着性がよい。
【００３３】
一方、第１の製造方法のようなスパッタリングや蒸着による中間材１０４の作製によると、Ｚｎ材１０１に対する密着性は優れる。しかしながら、成長速度が遅いため、数μｍという次元で必要なＡｌ層１０２の作製には時間がかかり、量産性が悪くなる場合がある。また、めっきによる中間材１０４の作製によると、厚さの形成に対しては優れる。しかしながら、アンカー効果による密着のため、例えばＣｕとＺｎの密着性に劣る場合がある。しかしながら、いずれの欠点も接続性を大幅に悪化させるものではない。
【００３４】
接続材料１００を製造するには、例えばスパッタリング、蒸着、めっき、線引きやクラッド圧延等の各種工程を組み合わせることが可能であり、その他の類推される製造方法にあっても、接続材料１００を効果的に製造することができる。ただし、めっきは様々な方法で行うことができるが、溶融めっきは、この実施の形態に用いることは好ましくない。これは、接続材料１００の中心部となるＺｎ材１０１の融点が約４２０℃であり、Ｚｎ材１０１に接するＡｌ層１０２の融点は約６６０℃であることから、Ｚｎ材が溶融してしまうからである。
【実施例】
【００３５】
以下に、図４、図５、表１及び表２を参照しながら、本発明の更に具体的な実施の形態として、実施例及び比較例を挙げて詳細に説明する。なお、この実施例では、上記実施の形態の典型的な一例を挙げており、本発明は、この実施例に限定されるものではないことは勿論である。
【００３６】
実施例１〜３６、及び比較例１〜１３の接続材料を試作材として、図３Ａ〜図３Ｄに示す上記第２の製造方法により製造し、得られた試作材について、濡れ性試験と接続性試験とを実施して比較を行った。
【００３７】
なお、実施例１、２、４〜６、８〜１８、２０〜２４、及び２６〜３６では、試作材最表面の１００％を金属Ｍで被覆されるように線引きして、金属Ｍの被覆率Ｃが１００％となる試作材とし、比較例８及び９においても、金属Ｍの被覆率Ｃが１００％となる試作材とした。実施例３、７、１９、及び２５においては、試作材最表面の８０％を金属Ｍで被覆されるように線引きして、金属Ｍの被覆率Ｃが８０％となる試作材とし、比較例１０〜１３では、試作材最表面の４０％を金属Ｍで被覆されるように線引きして、金属Ｍの被覆率Ｃが４０％となる試作材とした。
【００３８】
下記の表１に、実施例１〜３６、及び比較例１〜１３のそれぞれの試作材における組成成分、金属Ｍ層及びＡｌ層の層厚、Ｚｎ材の外径、Ａｌ／Ｚｎ厚さ比、金属Ｍが線材最表面を被覆した割合（被覆率）Ｃ、溶融後のＺｎ、Ａｌ及び金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）の含有量の測定結果をまとめて示す。なお、下記表１に示す「Ｘ」は溶融後のＡｌの含有量を、「Ｙ」は溶融後の金属Ｍの含有量をそれぞれ示しており、接続材料における溶融後の組成は、Ｚｎ−Ｘｗｔ％Ａｌ−Ｙｗｔ％Ｍとなることを表している。
【００３９】
下記の表２に、実施例１〜３６、及び比較例１〜１３の試作材における濡れ性試験、及び接続性試験の評価結果をまとめて示す。
【００４０】
（濡れ性試験）
この濡れ性試験については、実施例１〜３６、及び比較例１〜１３のそれぞれの試作材をＣｕ／Ｎｉ／Ａｕ基板上に設置し、加熱温度：４００℃、保持時間：３分、雰囲気：Ｎ２の条件下で、試作材を加熱したときの濡れ広がりを調べたものである。
【００４１】
試作材が基板上に濡れ広がることが、接続材料としての必要条件である。試作材が基板上に濡れ広がった場合には、試作材の溶融した面積が当初の固体の状態における面積よりも大きくなる。試作材が基板上に濡れ広がらなかった場合は、試作材の溶融した面積が当初の固体の状態における面積よりも小さくなる。下記の表２において、基板上に試作材が濡れ広がった場合を合格とし、○印で表した。基板上に試作材が濡れ広がらなかった場合を不合格とし、×印で表した。
【００４２】
（接続性試験）
この接続性試験については、実施例１〜３６のそれぞれの試作材を用いて、半導体素子のダイボンディングを行い、試作材の接続性を評価した。
【００４３】
半導体素子１１を備えた半導体装置１０は、図４に示すように、試作材を介して半導体素子１１を接続するフレーム１２と、一端が外部端子となるリード１３と、リード１３の他端と半導体素子１１の電極とを接続するワイヤ１４と、半導体素子１１及びワイヤ１４を樹脂封止する封止用レジン１５とを備えている。半導体素子１１とフレーム１２とは、実施例１〜３６に係る試作材である接続材料（以下、「はんだ材料」ともいう。）１００で接続されている。
【００４４】
一方、比較例１〜１３にあっても、それぞれの試作材を用いて、図５に示すように、半導体素子１１のダイボンディングを行い、試作材の接続性を評価した。半導体素子１１とフレーム１２とは、比較例１〜１３に係る試作材であるはんだ材料２００で接続されている。
【００４５】
以上のように構成された半導体装置１０は、半導体素子１１とフレーム１２とをはんだ材料１００、又ははんだ材料２００を介して接続した後、半導体素子１１とリード１３との間をワイヤ１４でワイヤボンディングし、１８０℃で封止用レジン１５あるいは不活性ガスにより封止することで製造される。製造した半導体装置１０について、超音波探傷試験により、はんだ接続部となるはんだ材料１００，２００のボイド面積率を測定した。
【００４６】
ここで、ボイド面積率とは、超音波探傷で空隙が見られた部分をボイドとし、はんだ材料１００，２００の平面方向から測定したときの全面積に対するボイドの割合である。ボイド面積率は、（ボイド面積÷全面積）×１００で定義される。
【００４７】
はんだ接続部の接続性は、半導体装置１０が一定の信頼性を得るための一般的な基準である。下記の表２において、はんだ接続部となるはんだ材料１００，２００の層のボイド率が１０％以下となり、正常に半導体素子１１が動作した場合には合格とし、○印で表した。それ以外を不合格とし、×印で表した。なお、ボイド率が１０％を超えると、温度サイクル試験により、ボイド周辺から優先的にクラックが進展し、早期に接続信頼性が低下するなどの問題がある。従って、ボイド率を少なくすることで、長期間にわたって接続信頼性を確保することができるようになる。
【００４８】
［実施例１〜３６］
（評価結果）
下記表１及び表２から明らかなように、実施例１〜３６に係る試作材においては、試作材の溶融前の組成成分、金属Ｍ層及びＡｌ層の層厚、Ｚｎ材の外径、Ａｌ／Ｚｎ厚さ比、金属Ｍの被覆率Ｃ、試作材の溶融後のＺｎ、Ａｌ及び金属Ｍの含有量の全ての条件を満たしており、良好な濡れ性と接続性とが得られた。
【００４９】
実施例１〜３６の試作材に、例えば不純物元素としてＭｎを含む場合は、融点の低下は僅かしかないにも関わらず、はんだ材料１００の層の硬さを硬くする効果があり、半導体素子１１が割れる要因になる。ただし、実施例１〜３６の試作材にＧａ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｃｕなどの添加元素である金属Ｍを１０ｗｔ％以下含有する場合には、融点を下げる効果が得られる。この場合は、半導体素子１１が割れにくくなるので、はんだ材料１００の最表面層ではないＺｎ材１０１、又はＡｌ層１０２に混入してもよい。
【００５０】
以上より、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍ系合金を用いて接続したときの濡れ性及び接続性が良い高耐熱接続材であって、間着材を必要としない加工性の良い接続材料が得られ、高放熱性が要求されるパワー半導体装置、及びパワーモジュール等への適用が可能になるということが分かった。
【００５１】
［比較例１〜１３］
（評価結果）
下記表１及び表２から明らかなように、試作材の溶融前の組成成分、金属Ｍ層及びＡｌ層の層厚、Ｚｎ材の外径、Ａｌ／Ｚｎ厚さ比、金属Ｍの被覆率Ｃ、試作材の溶融後のＺｎ、Ａｌ及び金属Ｍの含有量のうち、少なくとも一つの条件が上記規定範囲から逸脱しており、比較例１〜１３の試作材における濡れ性、及び接続性に良好な結果が得られなかった。特に、少なくとも試作材の溶融前の金属Ｍの被覆率Ｃ、試作材の溶融後のＺｎ、Ａｌ及び金属Ｍの含有量が上記規定範囲を満たしていなければ、初期の目的とする濡れ性、及び接続性に良好な接続材料を得ることは困難であるということが理解できる。
【００５２】
比較例１〜７の試作材では、金属Ｍを添加していないので、酸化しやすいＺｎがはんだ材料２００の最表面に露出し、酸化防止の効果が得られなかった。その結果、酸化が進行して試作材の接続性が悪かった。
【００５３】
比較例８及び９の試作材では、金属Ｍにおけるはんだ材料２００の最表面に占める被覆率Ｃが１００％であり、その規定範囲を満たしているが、Ａｌ／Ｚｎ厚さ比と、溶融後のＡｌ含有量及びＣｕ含有量とが規定範囲から大幅に外れている。一方、比較例１０〜１３の試作材では、金属Ｍにおけるはんだ材料２００の最表面に占める被覆率Ｃが、８０％以上の規定範囲から大幅に外れている。溶融後のはんだ材料２００の最表面の層がＡｌであるか、もしくはＡｌの露出の割合が多くなり、Ａｌが強固な酸化皮膜を形成し、はんだ材料２００の溶融時に残存している酸化皮膜が濡れを阻害したと考えられる。
【００５４】
半導体素子１１とフレーム１２とをはんだ材料２００を介して接続したときには、濡れ性が悪化し、Ａｌの酸化皮膜を巻き込むことで、図５に示す多量のボイド２０１が発生したと考えられる。はんだ材料２００の接続部周りが封止用レジン１５でモールドされている場合は、はんだ溶融時の体積膨張により、はんだ材料２００が封止用レジン１５とフレーム１２との間の界面から漏れ出すフラッシュと呼ばれる現象が起こり得る。はんだ材料２００が漏れ出さないまでも、漏れ出そうと作用する。その結果、はんだ材料２００の凝固後に、はんだ材料２００中に大きなボイド２０１が形成されて不良品になったと考えられる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。上記実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【００５６】
【表１】
【００５７】
【表２】
【符号の説明】
【００５８】
１ ローラ
２ 線引き治具
１０ 半導体装置
１１ 半導体素子
１２ フレーム
１３ リード
１４ ワイヤ
１５ 封止用レジン
１００，２００ 接続材料
１０１ Ｚｎ材
１０２ Ａｌ層
１０３ 金属Ｍ層
１０４，１０５ 中間材
１０６ 被覆材
２０１ ボイド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置に係り、特に、高耐熱接続材料であるＺｎ−Ａｌ系合金を用いて接続したときの濡れ、及び接続の信頼性の向上を図った接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
はんだ材料としては、鉛（Ｐｂ）系はんだ材料が広く知られている。しかしながら、鉛は人体への有害性が指摘されていることから、電機・電子機器中の鉛使用を禁止するＲｏＨＳ（Restriction of the use of certain Hazardous Substances electrical and electronic equipment）指令の施行等で鉛の使用規制が拡大している。その代替材料の一例としては、Ｚｎ−Ａｌ（亜鉛−アルミニウム）系はんだ材料がある。
【０００３】
この種のＺｎ−Ａｌ系はんだ材料としては、Ｚｎ−Ａｌ合金にＭｇ（マグネシウム）及びＧａ（ガリウム）を添加したはんだ材料（特許文献１参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＭｇ及びＧｅ（ゲルマニウム）を添加したはんだ材料（特許文献２参照）、Ｚｎ−Ａｌ合金に銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などを添加したはんだ材料（特許文献３参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５８５３９号公報
【特許文献２】特開２００４−３５８５４０号公報
【特許文献３】特開２００９−１２５７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１及び２に記載された従来のはんだ材料では、Ａｌに加えてＭｇを成分に含むため、接続時の加熱によりＡｌ酸化物及びＭｇ酸化物が溶融部表面に膜を生成する。この膜が濡れを阻害するため、スクラブ等により機械的に膜を破らない限り、濡れ性が十分に得られない可能性がある。
【０００６】
上記特許文献３記載の従来のはんだ材料では、ＺｎとＣｕの拡散が早い。そのため、内部のＺｎが被覆層となるＣｕと接触していると、接続時の昇温においてＣｕとＺｎの拡散が進行することで被覆層Ｃｕが消失し、酸化しやすいＺｎがはんだ材料の最表面に露出する。そして、酸化が進行して接合性を悪化させる。
【０００７】
上記特許文献１〜３記載の従来のＺｎ−Ａｌ系はんだ材料は、Ｚｎ−Ａｌ系合金にＡｌが含有されることに伴い、酸化により十分な濡れ性を確保できないこと、ＺｎとＣｕは拡散が早いために酸化防止のための被覆が消失することなどの問題を有している。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、濡れ性、及び接続性の良い接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本件発明者等は、接続材料の濡れ性、及び接続性の向上について熱意検討を行った結果、下記の本発明［１］〜［６］を採用することにより、上記目的が達成できることを見いだした。
【００１０】
［１］即ち、本発明は、Ｚｎと、前記Ｚｎの周囲に積層された複数の金属層と、を備えた部材からなり、前記部材の最表面の表面積の８０％以上を金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）によって被覆するように構成されており、前記部材の溶融後において、２ｗｔ％以上９ｗｔ％以下のＡｌと、０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下の金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）と、残部Ｚｎとからなる組成を有するＺｎ−Ａｌ−Ｍ系合金で構成されることを特徴とする接続材料にある。
【００１１】
［２］上記［１］記載の発明にあって、前記部材は、Ａｌで被覆されたＺｎからなるＺｎ系合金の周囲に前記金属Ｍが被覆されていることが好適である。
【００１２】
［３］上記［１］記載の発明にあって、前記部材は、線状からなるＺｎと、前記Ｚｎの周囲を被覆するＡｌ系金属層と、前記Ａｌ系金属層の周囲を被覆するＭ系金属層とからなることが好適である。
【００１３】
［４］本発明は更に、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の接続材料の製造方法であって、Ｚｎの周囲にスパッタリングあるいは蒸着によってＡｌ系金属層を形成する工程と、前記Ａｌ系金属層の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によって金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）からなるＭ系金属層を形成する工程と、を含むことを特徴とする接続材料の製造方法が提供される。
【００１４】
［５］本発明は更に、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の接続材料の製造方法であって、Ａｌ及び金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）を積層し、圧延して中間材を形成する工程と、前記中間材を線状からなるＺｎの周囲に巻き付けて線引きする工程と、を含むことを特徴とする接続材料の製造方法が提供される。
【００１５】
［６］本発明は更に、フレームと、前記フレーム上に設けられた半導体素子と、前記フレームと前記半導体素子との間に設けられた上記［１］〜［３］のいずれかに記載の接続材料とを備えることを特徴とする半導体装置にある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、濡れ性、及び接続性の良い接続材料及びその製造方法、並びにそれを用いた半導体装置が効果的に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る典型的な実施の形態である接続材料を模式的に示す横断面図である。
【図２Ａ】本発明に係る接続材料の製造方法を模式的に示す図であって、Ｚｎ材をスパッタリングあるいは蒸着で被覆する工程を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの工程により製造された中間材を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｂの中間材をスパッタリングあるいは蒸着で被覆する工程を示す図である。
【図３Ａ】本発明に係る接続材料の他の製造方法を概略的に示す図であって、クラッド工程を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの工程により製造された中間材を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの中間材をＺｎ材の周囲に巻き付ける工程を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ｂの工程の次の線引き工程を示す図である。
【図４】本発明に係る接続材料を用いた半導体装置への適用例を示す図である。
【図５】従来の半導体装置において、再溶融したはんだによるフラッシュを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
【００１９】
（接続材料の組成成分）
図１において、全体を示す符号１００は、高耐熱接続材料（以下、「接続材料」という。）の一例を例示している。この接続材料１００の基本の構成は、ＺｎあるいはＺｎ合金の線材からなるＺｎ系合金（以下、「Ｚｎ材」という。）１０１と、Ｚｎ材１０１の周囲にＡｌあるいはＡｌ合金で被覆されたＡｌ系金属層（以下、「Ａｌ層」という。）１０２と、Ａｌ層１０２の周囲に金属Ｍで被覆されたＭ系金属層（以下、「金属Ｍ層」という。）１０３との三層構造により線状に形成されている。
【００２０】
ここで、金属Ｍとは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、又はＰｄからなる元素群の中から選択される１種以上の添加元素をいう。なお、この実施の形態では、接続材料１００の外観形態を線状としているが、これに限定されるものではなく、例えば棒状やシート状などの各種形態も採用することができる。
【００２１】
この接続材料１００は、各種の電気・電子機器に好適に用いられるはんだ材料となる。溶融前の接続材料１００としては、線材の最表面がＡｌを含まない金属Ｍであり、少なくとも線材の表面積の８０％以上が金属Ｍで被覆されていることが好適である。つまり、接続材料１００を溶融する前の金属Ｍの線材最表面への露出面積は、線材最表面の表面積の８０％以上であることが好ましい。このような接続材料１００を溶融させた後の組成は、Ａｌ：２〜９ｗｔ％、金属Ｍ：０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下、残部がＺｎであるＺｎ−Ａｌ−Ｍ系合金となることが好適である。
【００２２】
溶融前の接続材料１００の最表面がＡｌを含有しない金属Ｍにより被覆される被覆率が、少なくとも表面積の８０％以上であることを規定したのは、この被覆率が低いと、Ａｌが接続材料１００の表面に露出する割合が多くなるためである。つまり、接続材料１００の最表面にＡｌが存在していると、その表面の酸化が進行することで濡れ性が悪くなるためであり、接続材料１００の最表面に金属Ｍによる被覆が不足していると、酸化防止の効果を十分に発揮できないためである。
【００２３】
接続材料１００の溶融後にＡｌを２〜９ｗｔ％含むＺｎ−Ａｌ系合金に規定したのは、Ｚｎ−Ａｌ系合金が共晶組成であることが好ましいためである。ＺｎとＣｕの拡散と比べて、拡散が遅いＡｌとＣｕの組み合わせを用い、ＺｎとＣｕとの間にＡｌを介在させることで、接続材料１００の溶融後に、Ｚｎが接続材料１００の表面に露出することを防止することができる。それに加えて、接続材料１００が融点に到達したときにＺｎとＡｌとの間の界面が共晶反応を起こして液体となるので、その際に溶融させることができる。従って、接続材料１００の溶融後にＡｌを３〜８ｗｔ％程度含むことが更に好ましい。
【００２４】
Ａｌの密度は２．７ｇ／ｃｍ３であるから、Ｚｎ材１０１の外径を１としたときのＡｌ層１０２の厚さ比は、１／８０〜１／１５であることが好ましい。更に好ましくは、Ａｌ層１０２の厚さ比が１／５５〜１／１８であることが望ましい。
【００２５】
金属Ｍの含有量を０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下に規定したのは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、又はＰｄからなる元素を多く含むと、融点の上昇とコストの増加とを招くためである。従って、金属Ｍの含有量としては、０ｗｔ％超５ｗｔ％以下であることが更に好ましい。
【００２６】
Ａｕの密度は１９．２６ｇ／ｃｍ３、Ａｇの密度は１０．５ｇ／ｃｍ３、Ｃｕの密度は８．９２ｇ／ｃｍ３、Ｎｉの密度は８．９ｇ／ｃｍ３、Ｐｔの密度は２１．４５ｇ／ｃｍ３、Ｐｄの密度は１２．１６ｇ／ｃｍ３であるから、Ｚｎ材１０１の外径を１としたときの金属Ｍ層１０３の厚さ比は、Ａｕが１／５５以下、Ａｇが１／５０以下、Ｃｕが１／４５以下、Ｎｉが１／４５以下、Ｐｔが１／１００以下、Ｐｄが１／５５であることが好ましい。更に好ましくは、Ａｇの厚さ比が１／１００以下、Ｃｕの厚さ比が１／９０以下、Ｎｉの厚さ比が１／９０以下、Ｐｔの厚さ比が１／２００以下、Ｐｄの厚さ比が１／１１０以下であることが望ましい。
【００２７】
（接続材料の製造方法）
上記のように構成された接続材料１００は、図２Ａ〜図２Ｃに示す第１の製造方法、あるいは図３Ａ〜図３Ｄに示す第２の製造方法により効果的に得られる。この製造方法により線径５μｍ以上の接続材料１００を製造することが可能であり、ダイボンディングの部品接続に用いる場合には、接続材料１００の線径が８０〜４５０μｍであることが好ましい。
【００２８】
この第１の製造方法は、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、Ｚｎ材１０１の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によってＡｌ層１０２を形成する工程と、Ｚｎ材１０１とＡｌ層１０２とからなる中間材１０４の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によって金属Ｍ層１０３を形成する工程とを有している。
【００２９】
この接続材料１００を製造するにあたっては、先ず、Ｚｎ材１０１の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によってＡｌを供給することによって、Ｚｎ材１０１とＡｌ層１０２とからなる中間材１０４を得る（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。次に、中間材１０４の周囲に金属Ｍ層１０３のスパッタリングあるいは蒸着を行う（図２Ｃ参照）。これにより、図１に示すように、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、又はＰｄからなる元素群の中から選択される１種以上の添加元素で被覆された内部がＡｌ系合金で被覆されたＺｎ系合金の線材である接続材料１００が得られる。
【００３０】
この第２の製造方法は、図３Ａ〜図３Ｄに示すように、Ａｌ層１０２及び金属Ｍ層１０３をクラッド圧延して中間材１０５を形成する工程と、Ｚｎ材１０１の周囲に中間材１０５を巻き付ける工程と、Ｚｎ材１０１と中間材１０５とを線引きする工程とを有している。
【００３１】
この接続材料１００を製造するにあたっては、先ず、Ａｌ層１０２となるＡｌ金属条の片面に金属Ｍ層１０３となる金属Ｍ条を重ね合わせて、一対のローラ１，１を用いてクラッド圧延することで中間材１０５を得る（図３Ａ及び図３Ｂ参照）。次に、この中間材１０５をＺｎ材１０１の周囲に被覆するように巻き付けることで被覆材１０６を得る（図３Ｃ参照）。次に、線引き治具２を用いて被覆材１０６を線引きすることでＺｎ材１０１と一体化させる（図３Ｄ参照）。これにより、図１に示す接続材料１００が得られる。
【００３２】
この第２の製造方法によれば、Ａｌ層１０２となるＡｌ金属条と金属Ｍ層１０３となる金属Ｍ条とをクラッド圧延で接合して作製した中間材１０５をＺｎの外周に巻いて線引きを行うので、量産性に優れており、しかも伸線により金属の新生面同士の金属同士で接合するので、密着性がよい。
【００３３】
一方、第１の製造方法のようなスパッタリングや蒸着による中間材１０４の作製によると、Ｚｎ材１０１に対する密着性は優れる。しかしながら、成長速度が遅いため、数μｍという次元で必要なＡｌ層１０２の作製には時間がかかり、量産性が悪くなる場合がある。また、めっきによる中間材１０４の作製によると、厚さの形成に対しては優れる。しかしながら、アンカー効果による密着のため、例えばＣｕとＺｎの密着性に劣る場合がある。しかしながら、いずれの欠点も接続性を大幅に悪化させるものではない。
【００３４】
接続材料１００を製造するには、例えばスパッタリング、蒸着、めっき、線引きやクラッド圧延等の各種工程を組み合わせることが可能であり、その他の類推される製造方法にあっても、接続材料１００を効果的に製造することができる。ただし、めっきは様々な方法で行うことができるが、溶融めっきは、この実施の形態に用いることは好ましくない。これは、接続材料１００の中心部となるＺｎ材１０１の融点が約４２０℃であり、Ｚｎ材１０１に接するＡｌ層１０２の融点は約６６０℃であることから、Ｚｎ材が溶融してしまうからである。
【実施例】
【００３５】
以下に、図４、図５、表１及び表２を参照しながら、本発明の更に具体的な実施の形態として、実施例及び比較例を挙げて詳細に説明する。なお、この実施例では、上記実施の形態の典型的な一例を挙げており、本発明は、この実施例に限定されるものではないことは勿論である。
【００３６】
実施例１〜３６、及び比較例１〜１３の接続材料を試作材として、図３Ａ〜図３Ｄに示す上記第２の製造方法により製造し、得られた試作材について、濡れ性試験と接続性試験とを実施して比較を行った。
【００３７】
なお、実施例１、２、４〜６、８〜１８、２０〜２４、及び２６〜３６では、試作材最表面の１００％を金属Ｍで被覆されるように線引きして、金属Ｍの被覆率Ｃが１００％となる試作材とし、比較例８及び９においても、金属Ｍの被覆率Ｃが１００％となる試作材とした。実施例３、７、１９、及び２５においては、試作材最表面の８０％を金属Ｍで被覆されるように線引きして、金属Ｍの被覆率Ｃが８０％となる試作材とし、比較例１０〜１３では、試作材最表面の４０％を金属Ｍで被覆されるように線引きして、金属Ｍの被覆率Ｃが４０％となる試作材とした。
【００３８】
下記の表１に、実施例１〜３６、及び比較例１〜１３のそれぞれの試作材における組成成分、金属Ｍ層及びＡｌ層の層厚、Ｚｎ材の外径、Ａｌ／Ｚｎ厚さ比、金属Ｍが線材最表面を被覆した割合（被覆率）Ｃ、溶融後のＺｎ、Ａｌ及び金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）の含有量の測定結果をまとめて示す。なお、下記表１に示す「Ｘ」は溶融後のＡｌの含有量を、「Ｙ」は溶融後の金属Ｍの含有量をそれぞれ示しており、接続材料における溶融後の組成は、Ｚｎ−Ｘｗｔ％Ａｌ−Ｙｗｔ％Ｍとなることを表している。
【００３９】
下記の表２に、実施例１〜３６、及び比較例１〜１３の試作材における濡れ性試験、及び接続性試験の評価結果をまとめて示す。
【００４０】
（濡れ性試験）
この濡れ性試験については、実施例１〜３６、及び比較例１〜１３のそれぞれの試作材をＣｕ／Ｎｉ／Ａｕ基板上に設置し、加熱温度：４００℃、保持時間：３分、雰囲気：Ｎ２の条件下で、試作材を加熱したときの濡れ広がりを調べたものである。
【００４１】
試作材が基板上に濡れ広がることが、接続材料としての必要条件である。試作材が基板上に濡れ広がった場合には、試作材の溶融した面積が当初の固体の状態における面積よりも大きくなる。試作材が基板上に濡れ広がらなかった場合は、試作材の溶融した面積が当初の固体の状態における面積よりも小さくなる。下記の表２において、基板上に試作材が濡れ広がった場合を合格とし、○印で表した。基板上に試作材が濡れ広がらなかった場合を不合格とし、×印で表した。
【００４２】
（接続性試験）
この接続性試験については、実施例１〜３６のそれぞれの試作材を用いて、半導体素子のダイボンディングを行い、試作材の接続性を評価した。
【００４３】
半導体素子１１を備えた半導体装置１０は、図４に示すように、試作材を介して半導体素子１１を接続するフレーム１２と、一端が外部端子となるリード１３と、リード１３の他端と半導体素子１１の電極とを接続するワイヤ１４と、半導体素子１１及びワイヤ１４を樹脂封止する封止用レジン１５とを備えている。半導体素子１１とフレーム１２とは、実施例１〜３６に係る試作材である接続材料（以下、「はんだ材料」ともいう。）１００で接続されている。
【００４４】
一方、比較例１〜１３にあっても、それぞれの試作材を用いて、図５に示すように、半導体素子１１のダイボンディングを行い、試作材の接続性を評価した。半導体素子１１とフレーム１２とは、比較例１〜１３に係る試作材であるはんだ材料２００で接続されている。
【００４５】
以上のように構成された半導体装置１０は、半導体素子１１とフレーム１２とをはんだ材料１００、又ははんだ材料２００を介して接続した後、半導体素子１１とリード１３との間をワイヤ１４でワイヤボンディングし、１８０℃で封止用レジン１５あるいは不活性ガスにより封止することで製造される。製造した半導体装置１０について、超音波探傷試験により、はんだ接続部となるはんだ材料１００，２００のボイド面積率を測定した。
【００４６】
ここで、ボイド面積率とは、超音波探傷で空隙が見られた部分をボイドとし、はんだ材料１００，２００の平面方向から測定したときの全面積に対するボイドの割合である。ボイド面積率は、（ボイド面積÷全面積）×１００で定義される。
【００４７】
はんだ接続部の接続性は、半導体装置１０が一定の信頼性を得るための一般的な基準である。下記の表２において、はんだ接続部となるはんだ材料１００，２００の層のボイド率が１０％以下となり、正常に半導体素子１１が動作した場合には合格とし、○印で表した。それ以外を不合格とし、×印で表した。なお、ボイド率が１０％を超えると、温度サイクル試験により、ボイド周辺から優先的にクラックが進展し、早期に接続信頼性が低下するなどの問題がある。従って、ボイド率を少なくすることで、長期間にわたって接続信頼性を確保することができるようになる。
【００４８】
［実施例１〜３６］
（評価結果）
下記表１及び表２から明らかなように、実施例１〜３６に係る試作材においては、試作材の溶融前の組成成分、金属Ｍ層及びＡｌ層の層厚、Ｚｎ材の外径、Ａｌ／Ｚｎ厚さ比、金属Ｍの被覆率Ｃ、試作材の溶融後のＺｎ、Ａｌ及び金属Ｍの含有量の全ての条件を満たしており、良好な濡れ性と接続性とが得られた。
【００４９】
実施例１〜３６の試作材に、例えば不純物元素としてＭｎを含む場合は、融点の低下は僅かしかないにも関わらず、はんだ材料１００の層の硬さを硬くする効果があり、半導体素子１１が割れる要因になる。ただし、実施例１〜３６の試作材にＧａ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｃｕなどの添加元素である金属Ｍを１０ｗｔ％以下含有する場合には、融点を下げる効果が得られる。この場合は、半導体素子１１が割れにくくなるので、はんだ材料１００の最表面層ではないＺｎ材１０１、又はＡｌ層１０２に混入してもよい。
【００５０】
以上より、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍ系合金を用いて接続したときの濡れ性及び接続性が良い高耐熱接続材であって、間着材を必要としない加工性の良い接続材料が得られ、高放熱性が要求されるパワー半導体装置、及びパワーモジュール等への適用が可能になるということが分かった。
【００５１】
［比較例１〜１３］
（評価結果）
下記表１及び表２から明らかなように、試作材の溶融前の組成成分、金属Ｍ層及びＡｌ層の層厚、Ｚｎ材の外径、Ａｌ／Ｚｎ厚さ比、金属Ｍの被覆率Ｃ、試作材の溶融後のＺｎ、Ａｌ及び金属Ｍの含有量のうち、少なくとも一つの条件が上記規定範囲から逸脱しており、比較例１〜１３の試作材における濡れ性、及び接続性に良好な結果が得られなかった。特に、少なくとも試作材の溶融前の金属Ｍの被覆率Ｃ、試作材の溶融後のＺｎ、Ａｌ及び金属Ｍの含有量が上記規定範囲を満たしていなければ、初期の目的とする濡れ性、及び接続性に良好な接続材料を得ることは困難であるということが理解できる。
【００５２】
比較例１〜７の試作材では、金属Ｍを添加していないので、酸化しやすいＺｎがはんだ材料２００の最表面に露出し、酸化防止の効果が得られなかった。その結果、酸化が進行して試作材の接続性が悪かった。
【００５３】
比較例８及び９の試作材では、金属Ｍにおけるはんだ材料２００の最表面に占める被覆率Ｃが１００％であり、その規定範囲を満たしているが、Ａｌ／Ｚｎ厚さ比と、溶融後のＡｌ含有量及びＣｕ含有量とが規定範囲から大幅に外れている。一方、比較例１０〜１３の試作材では、金属Ｍにおけるはんだ材料２００の最表面に占める被覆率Ｃが、８０％以上の規定範囲から大幅に外れている。溶融後のはんだ材料２００の最表面の層がＡｌであるか、もしくはＡｌの露出の割合が多くなり、Ａｌが強固な酸化皮膜を形成し、はんだ材料２００の溶融時に残存している酸化皮膜が濡れを阻害したと考えられる。
【００５４】
半導体素子１１とフレーム１２とをはんだ材料２００を介して接続したときには、濡れ性が悪化し、Ａｌの酸化皮膜を巻き込むことで、図５に示す多量のボイド２０１が発生したと考えられる。はんだ材料２００の接続部周りが封止用レジン１５でモールドされている場合は、はんだ溶融時の体積膨張により、はんだ材料２００が封止用レジン１５とフレーム１２との間の界面から漏れ出すフラッシュと呼ばれる現象が起こり得る。はんだ材料２００が漏れ出さないまでも、漏れ出そうと作用する。その結果、はんだ材料２００の凝固後に、はんだ材料２００中に大きなボイド２０１が形成されて不良品になったと考えられる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。上記実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【００５６】
【表１】
【００５７】
【表２】
【符号の説明】
【００５８】
１ ローラ
２ 線引き治具
１０ 半導体装置
１１ 半導体素子
１２ フレーム
１３ リード
１４ ワイヤ
１５ 封止用レジン
１００，２００ 接続材料
１０１ Ｚｎ材
１０２ Ａｌ層
１０３ 金属Ｍ層
１０４，１０５ 中間材
１０６ 被覆材
２０１ ボイド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎと、前記Ｚｎの周囲に積層された複数の金属層と、を備えた部材からなり、
前記部材の最表面の表面積の８０％以上を金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）によって被覆するように構成されており、
前記部材の溶融後において、２ｗｔ％以上９ｗｔ％以下のＡｌと、０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下の金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）と、残部Ｚｎとからなる組成を有するＺｎ−Ａｌ−Ｍ系合金で構成されることを特徴とする接続材料。
【請求項２】
前記部材は、Ａｌで被覆されたＺｎからなるＺｎ系合金の周囲に前記金属Ｍが被覆されている請求項１記載の接続材料。
【請求項３】
前記部材は、線状からなるＺｎと、前記Ｚｎの周囲を被覆するＡｌ系金属層と、前記Ａｌ系金属層の周囲を被覆するＭ系金属層とからなる請求項１記載の接続材料。
【請求項４】
上記請求項１〜３のいずれかに記載の接続材料の製造方法であって、
Ｚｎの周囲にスパッタリングあるいは蒸着によってＡｌ系金属層を形成する工程と、
前記Ａｌ系金属層の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によって金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）からなるＭ系金属層を形成する工程と、を含むことを特徴とする接続材料の製造方法。
【請求項５】
上記請求項１〜３のいずれかに記載の接続材料の製造方法であって、
Ａｌ及び金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）を積層し、圧延して中間材を形成する工程と、
前記中間材を線状からなるＺｎの周囲に巻き付けて線引きする工程と、
を含むことを特徴とする接続材料の製造方法。
【請求項６】
フレームと、前記フレーム上に設けられた半導体素子と、前記フレームと前記半導体素子との間に設けられた上記請求項１〜３のいずれかに記載の接続材料とを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
Ｚｎと、前記Ｚｎの周囲に積層された複数の金属層と、を備えた部材からなり、
前記部材の最表面の表面積の８０％以上を金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）によって被覆するように構成されており、
前記部材の溶融後において、２ｗｔ％以上９ｗｔ％以下のＡｌと、０ｗｔ％超１０ｗｔ％以下の金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）と、残部Ｚｎとからなる組成を有するＺｎ−Ａｌ−Ｍ系合金で構成されることを特徴とする接続材料。
【請求項２】
前記部材は、Ａｌで被覆されたＺｎからなるＺｎ系合金の周囲に前記金属Ｍが被覆されている請求項１記載の接続材料。
【請求項３】
前記部材は、線状からなるＺｎと、前記Ｚｎの周囲を被覆するＡｌ系金属層と、前記Ａｌ系金属層の周囲を被覆するＭ系金属層とからなる請求項１記載の接続材料。
【請求項４】
上記請求項１〜３のいずれかに記載の接続材料の製造方法であって、
Ｚｎの周囲にスパッタリングあるいは蒸着によってＡｌ系金属層を形成する工程と、
前記Ａｌ系金属層の周囲にスパッタリングあるいは蒸着によって金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）からなるＭ系金属層を形成する工程と、を含むことを特徴とする接続材料の製造方法。
【請求項５】
上記請求項１〜３のいずれかに記載の接続材料の製造方法であって、
Ａｌ及び金属Ｍ（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ）を積層し、圧延して中間材を形成する工程と、
前記中間材を線状からなるＺｎの周囲に巻き付けて線引きする工程と、
を含むことを特徴とする接続材料の製造方法。
【請求項６】
フレームと、前記フレーム上に設けられた半導体素子と、前記フレームと前記半導体素子との間に設けられた上記請求項１〜３のいずれかに記載の接続材料とを備えることを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１６１８２１（Ｐ２０１２−１６１８２１Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１４９（Ｐ２０１１−２５１４９）
【出願日】平成２３年２月８日（２０１１．２．８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月８日（２０１１．２．８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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