高耐熱接合材料及びそれを用いた半導体装置
【課題】製造コストの上昇を抑えつつ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化を抑止することができると共に良好な濡れ性を示し、フラックスレスで接続を行うことができる高耐熱接合材料、及び、それを用いた半導体装置を提供すること。
【解決手段】アルミニウム２を中心に、第一の亜鉛３、アルミニウム２、第二の亜鉛４の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛３及び第二の亜鉛４のアルミニウム２との接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層５、６が形成されている、高耐熱接合材料。
【解決手段】アルミニウム２を中心に、第一の亜鉛３、アルミニウム２、第二の亜鉛４の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛３及び第二の亜鉛４のアルミニウム２との接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層５、６が形成されている、高耐熱接合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体装置の分野において、特にパワー半導体装置の分野において、半導体素子をダイボンディングする際に用いられる、鉛を多く含み融点が３００℃近い、いわゆる高温はんだと呼ばれるはんだの代替材料となり得る、高耐熱接合材料及び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】
リードフレームを用いて製造される半導体装置の多くは、リードフレーム上に半導体素子をダイボンディングし、ワイヤーボンディングにより、リードフレームの内部接続端子と半導体素子の電極端子とを電気的に接続した後、トランスファーモールドにより、半導体素子及び接続部周辺をモールド樹脂で被覆して、製造されるのが一般的である。
【０００３】
ダイボンディングには、古くは金−シリコン接合などが採用されてきたが、金が高コストであることから、近年は鉛を９割近く含み、融点が約３００℃である高温はんだが多く用いられるようになってきている。特に、パワー半導体装置など、半導体素子の発熱が大きく、半導体素子からの良好な放熱性が求められる、半導体装置においては、高温はんだが多く用いられている。一方、半導体素子の発熱が小さい半導体装置においては、ダイボンディング材として接着性を有する有機フィルムが用いられることがある。
【０００４】
しかしながら、はんだに関しては、環境意識の高まりと共に、各国で環境影響物質の規制が進められており、はんだに含まれる鉛の使用も一部では規制の対象となっている。これによって、例えば上記により製造された半導体装置をプリント基板に実装する際に用いられるはんだ材としては、融点が１８３℃の鉛−錫共晶はんだから、錫−銀−銅はんだなどの鉛フリーはんだに置き換えられてきた。しかし、上記した半導体素子をダイボンディングする際に用いられる高温はんだについては、置き換え可能な適当な接合材料が見当たらないことから、これまでのところ規制の対象からは除外されてきた。
【０００５】
はんだの鉛フリー化は時代の趨勢であり、半導体素子をダイボンディングする際に用いられる高温はんだについても、その代替材料となり得る高耐熱接合材料の開発が望まれている。
【０００６】
このような状況に対応して、先行技術文献である特許文献１には、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｇａ系の合金組成からなる、鉛フリーの高温はんだが開示されている。特許文献１によると、この合金は、Ｇａを加えることで、従来の高鉛はんだに近い融点を実現している。また、この合金は、硬度が高く加工性に劣ることから、２００℃程度で熱間成形してはんだ合金材とするか、粉末にした後でペースト状のはんだ合金材とするのがよいとあり、薄い金属箔からなるはんだ材を得るためには、製造コストの上昇は免れず、また、ペースト状のはんだ材では、接続後に洗浄が必要なことが多く、通常、洗浄を行わずに済むようにフラックスレスで接続している、パワー半導体装置における半導体素子のダイボンディングには、少なくとも汎用的には適用できない可能性がある。
【０００７】
また、特許文献２には、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ系またはＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の合金組成からなる、鉛フリーの高温はんだが開示されている。特許文献２によると、この合金は、Ｇａまたは／およびＭｇを加えることで、従来の高鉛はんだに近い融点を実現している。しかし、はんだとしての濡れ性を確保するために必須である、はんだの表面の酸化膜の還元や破壊については、不明な点が多い。
【０００８】
また、特許文献３には、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎの三層構造からなるクラッドはんだが開示されている。特許文献３によると、このクラッドはんだは、表面に強固な酸化皮膜を形成するＡｌをＺｎで被覆することで、Ａｌ表面の酸化膜の形成を回避して、はんだとしての濡れ性の向上を図っている。Ａｌ表面の酸化膜の形成が回避されるので、はんだとしての濡れ性の向上は達成されるが、Ｚｎも酸化し易い金属であるため、実際に接続を行う場合は、接続部の周囲の雰囲気を含めて、適切な接続条件及び接続装置を選択して採用する必要がある。
【０００９】
また、特許文献４には、Ｚｎ−Ａｌ系の合金組成からなる、鉛フリーはんだの表面に、Ａｕ層またはＡｇ層を被覆形成した構造からなる複合はんだが開示されている。特許文献４によると、この複合はんだは、Ａｕ層またはＡｇ層の存在により、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだの表面の酸化を抑止するものである。しかし、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだもまた酸化し易い金属であるため、単純にＡｕ層またはＡｇ層をめっきにより形成しようとしても、既に酸化が進行しているＺｎ−Ａｌ系合金はんだの表面にめっきを施すことになり、内部に酸化膜が閉じ込められることにより、接続時に、溶融はんだ中に酸化物が巻き込まれる恐れがある。これにより接続部の信頼性は低下する可能性がある。また、長尺の金属箔からなるはんだ材の表面にめっきを施す場合は、めっき処理にコストが嵩む不利がある。これは、めっき以外のスパッタなどの方法でも同じである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１７２３５２号公報
【特許文献２】特開平１１−２８８９５５号公報
【特許文献３】特開２００８−１２６２７２号公報
【特許文献４】特開２００２−２６１１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだの実用上の大きな課題は、通常、フラックスレスで接続している、パワー半導体装置における半導体素子のダイボンディングに適用できるようにすることである。そのためには、まず、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化を抑止することが肝要である。また、製造コストの上昇をできるだけ抑える必要がある。
【００１２】
既に述べた通り、特許文献１に記載のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｇａ系の合金はんだは、硬度が高く加工性に劣ることから、製造コストの上昇は免れず、また、ペースト状のはんだ材では、フラックスレスで接続している、パワー半導体装置における半導体素子のダイボンディングには、適用できない可能性がある。
【００１３】
また、特許文献２に記載のＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ系またはＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の合金はんだは、はんだとしての濡れ性を確保するためには、はんだの表面の酸化を抑止することが必須であるが、この点について特許文献２には何も記載がなく、はんだの表面の酸化を抑止することは困難であると考えられる。
【００１４】
また、特許文献３に記載のＺｎ／Ａｌ／Ｚｎのクラッドはんだは、ＡｌをＺｎで被覆することで、Ａｌ表面の強固な酸化膜の形成を回避することは可能であるが、Ｚｎの酸化の問題があり、必ずしも良好な接続を容易に行うことができない場合が懸念される。
【００１５】
また、特許文献４に記載のＺｎ−Ａｌ系の合金はんだは、その表面に、Ａｕ層またはＡｇ層を被覆形成したことにより、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだの表面の酸化を抑止することは可能であるが、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだの表面にＡｕ層またはＡｇ層をめっき、スパッタなどにより形成する場合は、製造コストが高くなる可能性がある。
【００１６】
したがって、本発明の目的は、製造コストの上昇を抑えつつ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化を抑止することができると共に良好な濡れ性を示し、フラックスレスで接続を行うことができる高耐熱接合材料、及び、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】
【００１７】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層が形成されていることを特徴とする高耐熱接合材料を提供する。
【００１８】
この高耐熱接合材料によれば、上記構成の採用により、つまり、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の採用によりＡｌをＺｎで被覆し、さらに、両側のＺｎの表面を耐酸化性を有する金属層で被覆することにより、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化を抑止することができると共に良好な濡れ性を示し、フラックスレスで接続を行うことができる高耐熱接合材料を得ることができる。
【００１９】
請求項２の発明は、アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層が形成されていることを特徴とする高耐熱接合材料を提供する。
【００２０】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、両側のＺｎ（第一の亜鉛及び第二の亜鉛）のＡｌ（アルミニウム）との接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層を形成したことにより、両側のＺｎについては、マスクを使用することなくその全面に耐酸化性を有する金属層をめっきにより形成することができるので、めっき処理による製造コストの上昇を抑えることができる。また、このようにＺｎの全面に耐酸化性を有する金属層を形成することにより、少なくともその耐酸化性の観点から、接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着が得やすくなる。したがって、通常クラッド材を製造する場合は、接合面を脱脂、酸化膜除去等の前処理により表面清浄化してから各材料を圧延して接着一体化するが、前記により接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着が得やすくなるので、クラッド材の製造が非常に容易になる。さらに、Ｚｎの全面に耐酸化性を有する金属層を形成することにより、例えばクラッド材保管中に、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制することができる。すなわち、前記したように、本発明は、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の採用によりＡｌをＺｎで被覆し、さらに、両側のＺｎの表面を耐酸化性を有する金属層で被覆することで、Ａｌが表面に出ない構造としたものであるが、Ｚｎの全面に耐酸化性を有する金属層を形成することにより、ＺｎとＡｌの接続界面にも耐酸化性を有する金属層が存在することになるので、この耐酸化性を有する金属層がＡｌの拡散バリアとなって、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制することができる。但し、この拡散バリア層は、本発明の場合、耐酸化性を有する金属層の厚さが薄くてよいので、接合時の加熱に対しては、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの溶融に悪影響を与えるものではない。
【００２１】
請求項３の発明は、耐酸化性を有する金属層が、金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、白金の何れかの金属層、または、それらを複合した金属層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料を提供する。
【００２２】
ここで、この発明において耐酸化性を有する金属層として、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔを用いる理由を説明する。図３は、各種金属の酸化物の乖離圧の温度依存性を示す、いわゆるエリンガム図と呼ばれる特性図である。この図は、日本金属学会編、「講座・現代の金属学」、精錬編２、非鉄金属精錬の巻末の付表１の標準自由エネルギー変化に基づいて作成したものである。この図において、縦軸の乖離酸素分圧logPO2が０よりも大きい領域は、酸素１気圧下でも金属が酸化しない領域である。したがって、この図によれば、例えばＡｇの場合は１９０℃以上の大気中で酸化しないことが分かる。Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔについては、データが無かったため記載していないが、一般に貴金属と呼ばれる極めて酸化しにくい金属であるため、図中の温度領域で乖離酸素分圧logPO2が０の線よりも上にくるものと思われる。また、この図から分かるもう一つの大事な点は、各種金属の酸化物の乖離酸素分圧logPO2がＨ2−Ｈ2Ｏの線よりも上にくるか下にくるかということである。つまり、Ｈ2−Ｈ2Ｏの線よりも上にくる場合は、金属の酸化物が水素によって還元されうることを意味する。これは水素の方がより安定な酸化物（この場合Ｈ2Ｏ）を生成しようとするので、その線よりも上にある金属の酸化物が、水素によって酸素を奪い取られる、いわゆる還元反応を起こすからである。この図によると、水素によって還元されうる酸化物を形成する金属としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂが挙げられる。このうち、Ｐｂは、環境への影響が懸念されるので、対象外とされる。したがって、この発明において耐酸化性を有する金属層としては、貴金属と呼ばれる極めて酸化しにくい金属であるＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔと、１９０℃以上の加熱で自然還元されうるＡｇと、水素で還元されうるＣｕ、Ｎｉとが、夫々対象とされる。なお、水素による還元については、パワー半導体装置などの半導体素子の接合（ダイボンディング）では、既に製品によっては、水素雰囲気や水素窒素雰囲気で接合すること（水素による還元）が行われている。
【００２３】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、上記構成の採用により、すなわち、耐酸化性を有する金属層が、金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、白金の何れかの金属層、または、それらを複合した金属層からなることにより、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化をより確実に抑止することができると共に良好な濡れ性を示し、フラックスレスで接続を行うことができる高耐熱接合材料を得ることができる。
【００２４】
請求項４の発明は、耐酸化性を有する金属層の厚さが、第一の亜鉛及び第二の亜鉛の厚さの１／１０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料を提供する。
【００２５】
この発明においては、耐酸化性を有する金属層は、高耐熱接合材料の一部として、接続時に、Ｚｎ−Ａｌ系の溶融はんだ中に溶解することが求められる。その一部が溶解されずに残る状態は、接続時に、濡れ性不良を発生させる恐れが高まるので、好ましくない。したがって、耐酸化性を有する金属層の厚さは、これを適正範囲に定めることが好ましく、その厚さは、発明者らの検討によると、Ｚｎ（第一の亜鉛及び第二の亜鉛）全体の厚さの１／１０以下であれば、少なくとも接合温度を４２０℃とすることでＺｎは溶融するので、その溶融はんだ中に耐酸化性を有する金属層を溶解させることが可能である。実際には、Ｚｎと一緒にＡｌも溶融するので、耐酸化性を有する金属層は、Ｚｎ−Ａｌ溶融はんだ中に溶解することになるが、この点も踏まえて、耐酸化性を有する金属層の厚さをＺｎ全体の厚さの１／１０以下と定めればよい。また、耐酸化性を有する金属層の厚さが薄いほど、その溶解は速やかに行われる。
【００２６】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、上記構成の採用により、すなわち、耐酸化性を有する金属層の厚さが、第一の亜鉛及び第二の亜鉛の厚さの１／１０以下であることにより、接続時に、耐酸化性を有する金属層が溶融はんだ中に溶解されずに残ることがなく、濡れ性不良を発生させる恐れを低下させることができる。これにより、接続部の信頼性は向上することになる。
【００２７】
請求項５の発明は、耐酸化性を有する金属層の厚さが、０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料を提供する。
【００２８】
この発明において、耐酸化性を有する金属層は、また、ＡｌとＺｎの間にあっては、前述したように、Ａｌの拡散バリアとして、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制するものである。この効果についても、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を相当期間保管しなければならない現実を考えると、疎かにできない重要事項であるということができる。通常、金属間の拡散現象は、拡散定数を用いて計算することができる。日本金属学会編、「金属データブック」改訂４版、（ｐ２０〜ｐ２５）に基づいて、耐酸化性を有する金属層としてのＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、ＰｔとＺｎとの間の拡散の進行状況を計算すると、それらの耐酸化性を有する金属層の厚さを０．１μｍとすることで、室温２５℃で１年程度であれば、十分、その拡散の進行を遅らせることができることが分かる。
【００２９】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、上記構成の採用により、すなわち、耐酸化性を有する金属層の厚さが、０．１μｍ以上であることにより、Ｚｎの全面に耐酸化性を有する金属層を形成して、ＺｎとＡｌの接続界面に耐酸化性を有する金属層を存在させた場合は、耐酸化性を有する金属層がＡｌの拡散バリアとなって、ＡｌのＺｎ側への拡散を効果的に抑制することができる。
【００３０】
請求項６の発明は、溶融時における、耐酸化性を有する金属層の濃度が、前記金属層が銅あるいはニッケルの場合、全体の平均亜鉛濃度の２０％以下の濃度であり、前記金属層が銀の場合、全体の平均亜鉛濃度の２３％以下の濃度であり、前記金属層が金の場合は、全体の平均亜鉛濃度の３５％以下の濃度であり、前記金属層がパラジウムの場合、全体の平均亜鉛濃度の２５％以下の濃度であり、前記金属層が白金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３８％以下の濃度であることを特徴とする請求項４に記載の高耐熱接合材料を提供する。
【００３１】
この発明は、要するに、請求項４の規定との関係で、接合材料全体が溶融したときの、耐酸化性を有する金属層の濃度を見たものである。言い換えれば、耐酸化性を有する金属層が全てＺｎ−Ａｌ溶融はんだ中に溶解したときの、耐酸化性を有する金属層の濃度を見たものである。請求項４には、耐酸化性を有する金属層の厚さが第一の亜鉛及び第二の亜鉛の厚さの１／１０以下であると規定されている。この上限値に基づいて、溶融時における耐酸化性を有する金属層の濃度を求めると、耐酸化性を有する金属層の濃度は、前記金属層が銅あるいはニッケルの場合、全体の平均亜鉛濃度の２０％以下の濃度であり、前記金属層が銀の場合、全体の平均亜鉛濃度の２３％以下の濃度であり、前記金属層が金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３５％以下の濃度であり、前記金属層がパラジウムの場合、全体の平均亜鉛濃度の２５％以下の濃度であり、前記金属層が白金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３８％以下の濃度となる。なお、各数値はあくまでも夫々の濃度の最大値である。
【００３２】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、上記構成の採用により、すなわち、溶融時における、耐酸化性を有する金属層の濃度が上記の通りであるので、耐酸化性を有する金属層を構成するＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、ＰｔがＺｎ−Ａｌ溶融はんだ中に溶解されずに残ることがなく、濡れ性不良を発生させる恐れを低下させることができる。これにより、接続部の信頼性は向上することになる。
【００３３】
請求項７の発明は、アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層が形成されている高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことを特徴とする半導体装置を提供する。
【００３４】
この半導体装置によれば、上記構成の採用により、すなわち、既に述べた請求項１に記載の高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことにより、半導体素子をフラックスレスで効率的にダイボンディングすることができる。これにより、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができる。
【００３５】
請求項８の発明は、アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層が形成されている高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことを特徴とする半導体装置を提供する。
【００３６】
この半導体装置によれば、上記構成の採用により、すなわち、既に述べた請求項２に記載の高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことにより、半導体素子をフラックスレスで効率的にダイボンディングすることができる。これにより、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることが可能になる。また、この半導体装置によれば、請求項２に記載の高耐熱接合材料を用いることにより、耐酸化性を有する金属層をめっきにより形成する場合における処理コストの上昇を抑えることができるので、この点からも半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができる。また、クラッド材保管中のＡｌ、Ｚｎ間の拡散を抑えることで、接続部の品質の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の高耐熱接合材料、及び、それを用いた半導体装置によれば、高耐熱接合材料については、製造コストの上昇を抑えつつ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化を抑止することができると共に良好な濡れ性を示し、フラックスレスで接続を行うことができる。半導体装置については、そのような高耐熱接合材料を用いて半導体素子をダイボンディングすることにより、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができると共に、接続部の品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第一の実施の形態に係る高耐熱接合材料の横断面図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態に係る高耐熱接合材料の横断面図である。
【図３】各種金属の酸化物の乖離圧の温度依存性を示す、いわゆるエリンガム図と呼ばれる特性図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態に係る高耐熱接合材料の横断面図である。
【図５】本発明の第四の実施の形態に係る高耐熱接合材料の横断面図である。
【図６】本発明の第五の実施の形態に関する、高耐熱接合材料を用いて製造されたパワー半導体装置の説明図である。
【図７】Ｚｎ−Ａｌ系合金の平衡状態図である。
【図８】Ａｇ−Ｚｎ系合金の平衡状態図である。
【図９】本発明の構成の一部を利用して製造されたＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材の横断面図である。
【図１０】本発明の構成の一部を利用して製造されたＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材の横断面図である。
【図１１】ＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いて製造されたＬＥＤパッケージの説明図である
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図及び表に基づいて本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００４０】
（第一の実施の形態）
図１に、本発明の第一の実施の形態に係る高耐熱接合材料１の横断面図を示す。この高耐熱接合材料１は、アルミニウム（Ａｌ）２を中心に、第一の亜鉛（Ｚｎ）３、アルミニウム（Ａｌ）２、第二の亜鉛（Ｚｎ）４の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛（Ｚｎ）３及び第二の亜鉛（Ｚｎ）４のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層５、６が形成されている。
【００４１】
この高耐熱接合材料１において、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の厚さは、一般に採用されているダイボンディング用はんだ材の厚さと同じく、１００〜２００μｍ程度の厚さとなるように設計することが好ましい。ここでは、溶融時におけるＺｎ−Ａｌの平均組成が、Ｚｎ−Ａｌ共晶近傍のＺｎ−５ｗｔ％Ａｌとなるように、各部材の厚さを調整して、Ｚｎ５８μｍ、Ａｌ１６μｍ、Ｚｎ５８μｍとなるように設計した。また、耐酸化性を有する金属層５、６の厚さを、夫々１μｍとした。
【００４２】
耐酸化性を有する金属層５、６には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうちから選ばれた金属が用いられる。また、これらの金属のうちのいくつかを組み合わせて用いることも可能である。なお、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔを用いる理由は、既に述べた通りである。
【００４３】
また、耐酸化性を有する金属層５、６の全体の厚さは、これも既に述べた理由から、Ｚｎ３、４の全体の厚さの１／１０以下であることが好ましい。ここでは、Ｚｎ３、４の夫々の厚さ５８μｍに対して、各金属層５、６の厚さを夫々１μｍとした。このような厚さであれば、耐酸化性を有する金属層５、６は、接続時にＺｎとＡｌが溶融したときに、その溶融はんだ中に速やかに溶解する。
【００４４】
また、この溶融時における、耐酸化性を有する金属層５、６の濃度は、上記した１／１０以下の上限値との関係から、前記金属層が銅（Ｃｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）の場合、全体の平均亜鉛濃度の２０％以下の濃度であり、前記金属層が銀（Ａｇ）の場合、全体の平均亜鉛濃度の２３％以下の濃度であり、前記金属層が金（Ａｕ）の場合は、全体の平均亜鉛濃度の３５％以下の濃度であり、前記金属層がパラジウム（Ｐｄ）の場合、全体の平均亜鉛濃度の２５％以下の濃度であり、前記金属層が白金（Ｐｔ）の場合、全体の平均亜鉛濃度の３８％以下の濃度となる。
【００４５】
図１の高耐熱接合材料１を製造するには、まず、クラッド圧延に投入する前のＺｎ３、４の素材箔の片面に耐酸化性を有する金属層５、６をめっきにより形成する。Ａｌ２とＺｎ３、４の素材箔の厚さ、及び、前記めっき厚は、クラッド圧延の加工度を考慮して、適正な厚さに設定する。例えば、加工度９０％でクラッド圧延を行う場合は、上記により、Ｚｎ３、４の仕上がり厚さがいずれも５８μｍ、Ａｌの仕上がり厚さが１６μｍであるので、Ｚｎ３、４とＡｌ２の素材箔の厚さを、夫々、５８０μｍ、１６０μｍとし、耐酸化性を有する金属層５、６の圧延前のめっき厚を、１０μｍとする。このように準備された材料を用いて、クラッド圧延を行い、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を仕上がり厚さに製造する。これに対し、最初に、クラッド圧延を行い、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を仕上がり厚さに製造してから、クラッド材の両側のＺｎの表面に、めっきにより金属層５、６を形成する方法も考えられる。この方法は、否定されるものではないが、長尺のクラッド材の表面にめっきを施すことになり、めっき処理を行うにあたって、大きなめっき浴が必要となる。前者の方は、めっき浴が小さくて済むことから、作業性もよく、低コストでめっき処理を行うことができる。
【００４６】
また、この実施の形態において、耐酸化性を有する金属層５、６としてＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔを用いた場合は、貴金属であることから高コストとなるが、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化がほぼ完全に抑止されるため、良好な濡れ性を示し、接合不良は発生しにくい。Ａｇを用いた場合は、クラッド材を室温で保管中に、Ａｇの酸化が進行するが、接合時に、例えば窒素雰囲気中で加熱する中でＡｇの酸化物が徐々に還元されることになり、クラッド材がＺｎ−Ａｌ共晶温度３８２℃に達すると、ＺｎとＡｌとの界面から共晶溶解反応が起こり、この溶液（Ｚｎ−Ａｌ溶融はんだ）中にＡｇ及びＡｇの酸化物が溶解するので、良好な濡れ性を示す。耐酸化性を有する金属層５、６としてＣｕ、Ｎｉを用いた場合は、水素あるいは水素窒素雰囲気で接合することで、良好な濡れ性が得られ易くなる。なお、Ｃｕ、Ｎｉの表面に多少酸化物が存在していたとしても、これらの酸化物はＺｎ−Ａｌ溶融はんだによって破壊される可能性があり、したがって、必ずしも水素あるいは水素窒素雰囲気で接合しなければならないというものではない。
【００４７】
（第二の実施の形態）
図２に、本発明の第二の実施の形態に係る高耐熱接合材料７の横断面図を示す。この高耐熱接合材料７は、アルミニウム（Ａｌ）２を中心に、第一の亜鉛（Ｚｎ）３、アルミニウム（Ａｌ）２、第二の亜鉛（Ｚｎ）４の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛（Ｚｎ）３及び第二の亜鉛（Ｚｎ）４のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛（Ｚｎ）３及び第二の亜鉛（Ｚｎ）４のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層８、９が形成されている。
【００４８】
この実施の形態は、Ｚｎ３、４のＡｌ２との接続界面に耐酸化性を有する金属層８、９が形成されている以外は、第一の実施の形態の場合と同じである。したがって、両者に共通の説明は省略する。
【００４９】
この実施の形態で、Ｚｎ３、４のＡｌ２との接続界面に耐酸化性を有する金属層８、９を形成した理由は、まず、Ｚｎ３、４の表面に耐酸化性を有する金属層８、９をめっきにより形成する場合は、片面めっきだと反対側の表面をマスクにより緊密に覆わなければならないが、全面めっきだとその必要が無く、めっき処理に伴う製造コストの上昇を抑制できるからである。もう一つの理由は、これは積極的なメリットであり、全面めっきであればＺｎ３、４のＡｌ２との接続界面にも耐酸化性を有する金属層８、９が存在することになるので、少なくともその耐酸化性の観点から、接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着が得やすくなるからである。通常、クラッド材を製造する場合は、接合面を脱脂、酸化膜除去等の前処理により表面清浄化してから各材料を圧延して接着一体化するが、前記により接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着が得やすくなるので、クラッド材の製造が非常に容易になる。さらに、もう一つの理由は、全面めっきであればＺｎ３、４のＡｌ２との接続界面にも耐酸化性を有する金属層８、９が存在することになるので、例えばクラッド材保管中に、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制することができるからである。既に述べたように、本発明は、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の採用によりＡｌをＺｎで被覆し、さらに、両側のＺｎの表面を耐酸化性を有する金属層で被覆することで、Ａｌが表面に出ない構造としたものであるが、全面めっきであればＺｎ３、４のＡｌ２との接続界面にも耐酸化性を有する金属層８、９が存在することになるので、耐酸化性を有する金属層８、９がＡｌ２の拡散バリアとなって、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制することができる。但し、この拡散バリア層は、本発明の場合、耐酸化性を有する金属層８、９の厚さが薄くてよいので、接合時の加熱に対しては、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの溶融に悪影響を与えるものではない。
【００５０】
この実施の形態においては、高耐熱接合材料７を構成するＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の仕上がり厚さは、第一の実施の形態の場合と同じく、Ｚｎ５８μｍ、Ａｌ１６μｍ、Ｚｎ５８μｍとした。また、耐酸化性を有する金属層５、６、８、９の仕上がり厚さは、夫々１μｍとした。耐酸化性を有する金属層５、６、８、９を構成する金属には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちから選ばれた金属が用いられる。耐酸化性を有する金属層５、６は、第一の実施の形態の場合と同じく、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の表面のＺｎの酸化を抑制する役割をする。耐酸化性を有する金属層８、９は、クラッド圧延の際は、クラッド材の接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着を得やすくし、また、クラッド材保管中は、Ａｌの拡散バリアとなって、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制する役割をする。但し、この拡散バリア層は、耐酸化性を有する金属層８、９の厚さが薄いので、接合時の３００℃以上の加熱に対しては、ＡｌとＺｎの拡散が非常に早く進行し、すぐにＺｎとＡｌが混ざり合い、Ｚｎ−Ａｌ共晶溶解が起こり始めるため、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの溶融の障害にはならない。
【００５１】
（第三の実施の形態）
図４に、本発明の第三の実施の形態に係る高耐熱接合材料１０の横断面図を示す。この高耐熱接合材料１０は、アルミニウム（Ａｌ）２を中心に、第一の亜鉛（Ｚｎ）３、アルミニウム（Ａｌ）２、第二の亜鉛（Ｚｎ）４の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛（Ｚｎ）３及び第二の亜鉛（Ｚｎ）４のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層１１、１２が埋め込まれた状態でパターン形成されている。
【００５２】
この構造も、クラッド圧延に投入する前のＺｎ３、４の素材箔の片面に耐酸化性を有する金属層１１、１２をめっきによりパターン形成することで、容易に得ることができる。
【００５３】
これ以外は、第一の実施の形態の場合と同じである。したがって、両者に共通の説明は省略する。
【００５４】
この実施の形態によれば、耐酸化性を有する金属層１１、１２として、高価なＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔを使用する場合は、その使用量を削減することができるメリットがある。
【００５５】
（第四の実施の形態）
図５に、本発明の第四の実施の形態に係る高耐熱接合材料１３の横断面図を示す。この高耐熱接合材料１３は、アルミニウム（Ａｌ）２を中心に、第一の亜鉛合金（Ｚｎ合金）１４、アルミニウム（Ａｌ）２、第二の亜鉛合金（Ｚｎ合金）１５の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛合金（Ｚｎ合金）１４及び第二の亜鉛合金（Ｚｎ合金）１５のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層１６、１７が形成されている。
【００５６】
この実施の形態は、要するに、第一の亜鉛及び第二の亜鉛としてＺｎ合金を用いたものであり、Ｚｎ合金としては、例えばＺｎ−（3.5〜4.3）Ａｌ−（＜0.25）Ｃｕ−（0.02〜0.05）Ｍｇ合金や、Ｚｎ−（3.5〜4.3）Ａｌ−（0.75〜1.25）Ｃｕ−（0.03〜0.08）Ｍｇ合金など、ＪＩＳ Ｈ５３０１規格のＺＤＣ１やＺＤＣ２のＺｎダイカスト合金が用いられる。
【００５７】
この実施の形態によれば、市場流通量の多い亜鉛合金を用いることで低コスト化のメリットがある。
【００５８】
（第五の実施の形態）
図６に、本発明の第五の実施の形態に関する、上記高耐熱接合材料１、７、１０、１３を用いて製造されたパワー半導体装置１８を示す。
【００５９】
このパワー半導体装置１８は、上記高耐熱接合材料１、７、１０、１３を用いて、リードフレーム１９の半導体素子搭載部２０上に半導体素子２１をダイボンディングし、ワイヤーもしくはリボン２２を用いたワイヤーボンディングにより、リードフレーム１９の内部接続端子２３と半導体素子２１の電極端子２４とを電気的に接続した後、トランスファーモールドにより、半導体素子２１及び接続部周辺をモールド樹脂２５で被覆して、製造される。半導体素子搭載部２０は、その底面をモールド樹脂２５から露出させて、半導体素子２１からの発熱による放熱性を高めている。なお、このような半導体素子搭載部２０は、ヒートスプレッダと呼ばれることもある。
【００６０】
この実施の形態のパワー半導体装置１８によれば、高耐熱接合材料１、７、１０、１３を用いて、半導体素子２１をダイボンディングしたことにより、半導体素子２１をフラックスレスで効率的にダイボンディングすることができる。これにより、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができる。特に、高耐熱接合材料７を用いることにより、耐酸化性を有する金属層をめっきにより形成する場合における処理コストの上昇を抑えることができるので、より一層、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができる。また、クラッド材保管中のＡｌ、Ｚｎ間の拡散を抑えることで、接続部の品質の向上を図ることができる。したがって、高耐熱接合材料１、７、１０、１３は、半導体装置用のダイボンディング材として好適な材料であるということができる。
【実施例】
【００６１】
表１は、図２の構成に基づいて、溶融時におけるＺｎ−Ａｌ系はんだの組成がＺｎ−Ａｌ共晶近傍の組成となるように、クラッド材を構成する三層のＺｎ３、Ａｌ２、Ｚｎ４の厚さを変え、さらに、耐酸化性を有する金属層（耐酸化性金属層）５、６、８、９を構成する金属の種類とその厚さを変えて、高耐熱接合材料７を製造した結果を纏めたものである。
【００６２】
【表１】
【００６３】
ここで、耐酸化性金属層５、６、８、９としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉの何れかの金属層、または、それらを複合した金属層（例えば二層めっきにより形成）を用い、その厚さは、夫々１μｍとした。複合した金属層の場合、その厚さは、トータルで１μｍとした。なお、表１中のこれらの厚さは、いずれもクラッド圧延後の仕上がり厚さである。また、表１中の耐酸化性金属層５、６、８、９の厚さは、１μｍに限らず、０．１μｍ〜５．８μｍの範囲で、適宜選択、適用することが可能である。
【００６４】
この実施例は、あくまでも図２の構成に基づくものであり、図１の構成に基づく場合は、耐酸化性金属層８、９は無くても構わない。耐酸化性金属層８、９を設けるかどうかは、一義的には、耐酸化性金属層５、６を片面めっきにより形成する場合の、マスク使用に伴うめっき処理のコストの上昇を考慮して、判断される。
【００６５】
上記のほか、例えばＡｌ２の厚さを１００μｍ程度に厚くすることも可能である。また、一般に高温はんだ材として用いられる、高耐熱接合材料の全体の厚さを、設計により６０μｍ程度に薄くしたり、２００μｍ程度に厚くしたりすることも可能である。また、耐酸化性金属層を構成する金属の種類については、コスト低減を優先する場合は、ＡｕやＡｇを使用せず、ＣｕやＮｉを使用し、耐酸化性、濡れ性を優先する場合は、反対にＡｕやＡｇを使用する。これらの金属を含めて使用可能ないくつかの金属を組み合わせることにより、ＡｕやＡｇの使用量を少なくして、期待する耐酸化性を確保することが可能である。要するに、図１及び図２に記載の高耐熱接合材料の具体的構成については、溶融時におけるＺｎ−Ａｌ系はんだの組成を中心とした、接合条件、接合環境、コスト等を踏まえて、種々選択することが可能である。
【００６６】
さらに、表１の内容を補足すると、既に述べたように、実施例１〜７の溶融時におけるＺｎ−Ａｌ系はんだの組成は、Ｚｎ−Ａｌ共晶近傍の組成となるように調整されたものである。これについては、図７のＺｎ−Ａｌ系合金の平衡状態図を見ると分かるように、共晶組成は、加熱して融点を越えるとＺｎとＡｌが同時に溶解して、最も安定的に溶融するため、はんだ等の接合材料においては、濡れ性の点から優れた組成であるということができる。したがって、必ずしも共晶組成に限定されるわけではないが、実施例１〜７においては、共晶をベースに耐酸化性金属の厚さを調整して、その組成を変化させている。
【００６７】
例えば、実施例２の場合は、耐酸化性金属層として夫々厚さ１μｍのＡｇを設けており、この実施例２によれば、Ａｇは１９０℃以上の環境、あるいは水素還元雰囲気で接続を行う場合は容易に還元されるため、良好な濡れ性が得られる。また、ＡｇはＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔほど高価な貴金属ではないため、コスト面でもメリットは大きい。さらに、実施例２の場合、溶融時の合金に占めるＡｇの濃度は約２．４％であるが、図８のＡｇ−Ｚｎ系合金の平衡状態図を見ると分かるように（実際にはＡｌの影響も考慮して、三元状態図で見るべきであるが、Ａｇ量が比較的微量であるため、液相面の組成による移動は比較的小さいと予想されることと、分かり易さのため、Ａｇ−Ｚｎ二元状態図を使用）、２％程度のＡｇ濃度であれば、４３０℃程度の加熱では固相が出てこないことが分かる。したがって、その温度で液体となったＺｎの液相中へのＡｇの溶解は非常に早くなる。これに対し、Ａｇ濃度が高く（Ａｇ量が多く）、Ｚｎの液相と平衡状態でＡｇの固相が形成される場合は、Ｚｎの液相中へのＡｇの溶解は遅くなる。但し、既に述べたように、耐酸化性金属層としてのＡｇの全体の厚さが概ねＺｎの全体の厚さの１／１０以下であれば、その溶解性は確保されることになる。したがって、はんだ材としての濡れ性も確保されることになる。
【００６８】
（参考例１）
図９に、本発明の構成の一部を利用して製造されたＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材２６の横断面図を示す。
【００６９】
このＡｌ／Ｚｎクラッド材２６は、Ａｌ２７の片側にのみ存在するＺｎ２８の表面に耐酸化性を有する金属層２９を形成したものであり、やはり高耐熱接合材料として使用されるものである。
【００７０】
硬質ロールを用いた圧延により金属箔を製造する場合は、圧縮された金属箔の加工面は鏡面となる。これを利用して、前記クラッド材２６をクラッド圧延により製造する場合において、Ａｌ２７を十分厚くしておくと、Ｚｎ２８とＡｌ２７の接続界面は加工時に熱をもらって共晶反応により溶解するが、厚くされたＡｌ２７の表面は鏡面加工されて溶解されずにそのままの表面状態を保つことができる。したがって、このＡｌ／Ｚｎクラッド材２６を用いて、例えばＬＥＤ素子を搭載するための接着性を有する配線を形成し、ＬＥＤパッケージを構成する場合は、鏡面加工されたＡｌの配線によって、ＬＥＤ素子からの発光に対する高い反射率が得られることになる。
【００７１】
（参考例２）
図１０に、本発明の構成の一部を利用して製造されたＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材３０の横断面図を示す。
【００７２】
このＡｌ／Ｚｎクラッド材３０は、Ａｌ２７の片側にのみ存在するＺｎ２８の表面、及び、Ａｌ２７との接続界面に、夫々耐酸化性を有する金属層３１、３２を形成したものであり、やはり高耐熱接合材料として使用されるものである。
【００７３】
また、このＡｌ／Ｚｎクラッド材３０についても、クラッド圧延により製造し、Ａｌ２７を十分厚くして、Ａｌ２７の表面を鏡面加工することについては、参考例１と同じである。したがって、また、参考例１と同じように、このＡｌ／Ｚｎクラッド材３０を用いて、例えばＬＥＤ素子を搭載するための接着性を有する配線を形成し、ＬＥＤパッケージを構成する場合は、鏡面加工されたＡｌの配線によって、ＬＥＤ素子からの発光に対する高い反射率が得られることになる。
【００７４】
（参考例３）
図１１に、上記ＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材２６、３０を用いて製造されたＬＥＤパッケージ３３を示す。
【００７５】
このＬＥＤパッケージ３３は、セラミック基板３４上にスパッタ、蒸着、あるいはめっきなどにより、べた状に形成されたＴｉ３５／Ｃｕ３６の電極の上に上記クラッド材２６、３０を接合し、エッチングにより余分なＡｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｕを除去して、所望の配線パターンを形成する。そして、この配線パターン上の素子搭載部に透明接着剤３７を用いてＬＥＤ素子３８を搭載し、ＬＥＤ素子３８の電極と配線パターン上の電極との間をボンディングワイヤ３９により電気的に接続して、製造される。４０はＺｎ−Ａｌ合金はんだ部である。なお、さらに透明な樹脂を用いて、ＬＥＤ素子３８及び接続部周辺を被覆する場合もある。
【００７６】
このＬＥＤパッケージ３３によれば、前記したようにＡｌを鏡面加工して製造されたクラッド材２６、３０を用いて配線を形成することにより、ＬＥＤ素子３８からの発光に対する高い反射率が得られると共に、厚いＡｌとＣｕによって構成された配線を通して、ＬＥＤ素子３８からの発熱を平面方向に拡散させることができ、放熱性に優れたＬＥＤパッケージを得ることができる。
【００７７】
セラミック基板３４を用いたＬＥＤパッケージでは、一般に、セラミック基板３４としてアルミナセラミック基板が用いられる。これは、アルミナセラミックが光の反射率が高く、ＬＥＤ素子３８からの発光の多くを光の取出面方向に向けるのに有利であるからである。しかし、一般に、アルミナセラミックは、熱伝導率が低く、放熱性に優れているとは言いがたい。放熱性の高いセラミックとしては、例えば窒化アルミニウムがある。しかし、窒化アルミニウムは、光の反射率が高くないことから、ＬＥＤパッケージに用いられることはほとんどない。窒化アルミニウム上にＡｌのメタライズを蒸着やスパッタで形成することも考えられるが、結晶粒の成長による凹凸により、光を乱反射させてしまうため、高い反射率が得られなくなる。
【００７８】
この参考例３のように、Ａｌを鏡面加工して製造されたクラッド材２６、３０を用いて配線を形成することで、窒化アルミニウムを用いることが可能になり、これにより発光に対する高い反射率とともに優れた放熱性を備えたＬＥＤパッケージを製造することが可能になる。
【符号の説明】
【００７９】
１、７、１０、１３ 高耐熱接合材料
２ アルミニウム（Ａｌ）
３、１４ 第一の亜鉛（第一のＺｎ）
４、１５ 第二の亜鉛（第二のＺｎ）
５、６、８、９、１１、１２、１６、１７ 耐酸化性を有する金属層（耐酸化性金属層）
１８ パワー半導体装置
１９ リードフレーム
２０ 半導体素子搭載部
２１ 半導体素子
２２ ワイヤーもしくはリボン
２３ 内部接続端子
２４ 電極端子
２５ モールド樹脂
２６、３０ Ａｌ／Ｚｎクラッド材
２７ Ａｌ
２８ Ｚｎ
２９、３１、３２ 耐酸化性を有する金属層
３３ ＬＥＤパッケージ
３４ セラミック基板
３５ Ｔｉ
３６ Ｃｕ
３７ 透明接着剤
３８ ＬＥＤ素子
３９ ボンディングワイヤ
４０ Ｚｎ−Ａｌ合金はんだ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体装置の分野において、特にパワー半導体装置の分野において、半導体素子をダイボンディングする際に用いられる、鉛を多く含み融点が３００℃近い、いわゆる高温はんだと呼ばれるはんだの代替材料となり得る、高耐熱接合材料及び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】
リードフレームを用いて製造される半導体装置の多くは、リードフレーム上に半導体素子をダイボンディングし、ワイヤーボンディングにより、リードフレームの内部接続端子と半導体素子の電極端子とを電気的に接続した後、トランスファーモールドにより、半導体素子及び接続部周辺をモールド樹脂で被覆して、製造されるのが一般的である。
【０００３】
ダイボンディングには、古くは金−シリコン接合などが採用されてきたが、金が高コストであることから、近年は鉛を９割近く含み、融点が約３００℃である高温はんだが多く用いられるようになってきている。特に、パワー半導体装置など、半導体素子の発熱が大きく、半導体素子からの良好な放熱性が求められる、半導体装置においては、高温はんだが多く用いられている。一方、半導体素子の発熱が小さい半導体装置においては、ダイボンディング材として接着性を有する有機フィルムが用いられることがある。
【０００４】
しかしながら、はんだに関しては、環境意識の高まりと共に、各国で環境影響物質の規制が進められており、はんだに含まれる鉛の使用も一部では規制の対象となっている。これによって、例えば上記により製造された半導体装置をプリント基板に実装する際に用いられるはんだ材としては、融点が１８３℃の鉛−錫共晶はんだから、錫−銀−銅はんだなどの鉛フリーはんだに置き換えられてきた。しかし、上記した半導体素子をダイボンディングする際に用いられる高温はんだについては、置き換え可能な適当な接合材料が見当たらないことから、これまでのところ規制の対象からは除外されてきた。
【０００５】
はんだの鉛フリー化は時代の趨勢であり、半導体素子をダイボンディングする際に用いられる高温はんだについても、その代替材料となり得る高耐熱接合材料の開発が望まれている。
【０００６】
このような状況に対応して、先行技術文献である特許文献１には、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｇａ系の合金組成からなる、鉛フリーの高温はんだが開示されている。特許文献１によると、この合金は、Ｇａを加えることで、従来の高鉛はんだに近い融点を実現している。また、この合金は、硬度が高く加工性に劣ることから、２００℃程度で熱間成形してはんだ合金材とするか、粉末にした後でペースト状のはんだ合金材とするのがよいとあり、薄い金属箔からなるはんだ材を得るためには、製造コストの上昇は免れず、また、ペースト状のはんだ材では、接続後に洗浄が必要なことが多く、通常、洗浄を行わずに済むようにフラックスレスで接続している、パワー半導体装置における半導体素子のダイボンディングには、少なくとも汎用的には適用できない可能性がある。
【０００７】
また、特許文献２には、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ系またはＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の合金組成からなる、鉛フリーの高温はんだが開示されている。特許文献２によると、この合金は、Ｇａまたは／およびＭｇを加えることで、従来の高鉛はんだに近い融点を実現している。しかし、はんだとしての濡れ性を確保するために必須である、はんだの表面の酸化膜の還元や破壊については、不明な点が多い。
【０００８】
また、特許文献３には、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎの三層構造からなるクラッドはんだが開示されている。特許文献３によると、このクラッドはんだは、表面に強固な酸化皮膜を形成するＡｌをＺｎで被覆することで、Ａｌ表面の酸化膜の形成を回避して、はんだとしての濡れ性の向上を図っている。Ａｌ表面の酸化膜の形成が回避されるので、はんだとしての濡れ性の向上は達成されるが、Ｚｎも酸化し易い金属であるため、実際に接続を行う場合は、接続部の周囲の雰囲気を含めて、適切な接続条件及び接続装置を選択して採用する必要がある。
【０００９】
また、特許文献４には、Ｚｎ−Ａｌ系の合金組成からなる、鉛フリーはんだの表面に、Ａｕ層またはＡｇ層を被覆形成した構造からなる複合はんだが開示されている。特許文献４によると、この複合はんだは、Ａｕ層またはＡｇ層の存在により、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだの表面の酸化を抑止するものである。しかし、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだもまた酸化し易い金属であるため、単純にＡｕ層またはＡｇ層をめっきにより形成しようとしても、既に酸化が進行しているＺｎ−Ａｌ系合金はんだの表面にめっきを施すことになり、内部に酸化膜が閉じ込められることにより、接続時に、溶融はんだ中に酸化物が巻き込まれる恐れがある。これにより接続部の信頼性は低下する可能性がある。また、長尺の金属箔からなるはんだ材の表面にめっきを施す場合は、めっき処理にコストが嵩む不利がある。これは、めっき以外のスパッタなどの方法でも同じである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１７２３５２号公報
【特許文献２】特開平１１−２８８９５５号公報
【特許文献３】特開２００８−１２６２７２号公報
【特許文献４】特開２００２−２６１１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだの実用上の大きな課題は、通常、フラックスレスで接続している、パワー半導体装置における半導体素子のダイボンディングに適用できるようにすることである。そのためには、まず、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化を抑止することが肝要である。また、製造コストの上昇をできるだけ抑える必要がある。
【００１２】
既に述べた通り、特許文献１に記載のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｇａ系の合金はんだは、硬度が高く加工性に劣ることから、製造コストの上昇は免れず、また、ペースト状のはんだ材では、フラックスレスで接続している、パワー半導体装置における半導体素子のダイボンディングには、適用できない可能性がある。
【００１３】
また、特許文献２に記載のＺｎ−Ａｌ−Ｇｅ系またはＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の合金はんだは、はんだとしての濡れ性を確保するためには、はんだの表面の酸化を抑止することが必須であるが、この点について特許文献２には何も記載がなく、はんだの表面の酸化を抑止することは困難であると考えられる。
【００１４】
また、特許文献３に記載のＺｎ／Ａｌ／Ｚｎのクラッドはんだは、ＡｌをＺｎで被覆することで、Ａｌ表面の強固な酸化膜の形成を回避することは可能であるが、Ｚｎの酸化の問題があり、必ずしも良好な接続を容易に行うことができない場合が懸念される。
【００１５】
また、特許文献４に記載のＺｎ−Ａｌ系の合金はんだは、その表面に、Ａｕ層またはＡｇ層を被覆形成したことにより、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだの表面の酸化を抑止することは可能であるが、Ｚｎ−Ａｌ系合金はんだの表面にＡｕ層またはＡｇ層をめっき、スパッタなどにより形成する場合は、製造コストが高くなる可能性がある。
【００１６】
したがって、本発明の目的は、製造コストの上昇を抑えつつ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化を抑止することができると共に良好な濡れ性を示し、フラックスレスで接続を行うことができる高耐熱接合材料、及び、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】
【００１７】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層が形成されていることを特徴とする高耐熱接合材料を提供する。
【００１８】
この高耐熱接合材料によれば、上記構成の採用により、つまり、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の採用によりＡｌをＺｎで被覆し、さらに、両側のＺｎの表面を耐酸化性を有する金属層で被覆することにより、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化を抑止することができると共に良好な濡れ性を示し、フラックスレスで接続を行うことができる高耐熱接合材料を得ることができる。
【００１９】
請求項２の発明は、アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層が形成されていることを特徴とする高耐熱接合材料を提供する。
【００２０】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、両側のＺｎ（第一の亜鉛及び第二の亜鉛）のＡｌ（アルミニウム）との接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層を形成したことにより、両側のＺｎについては、マスクを使用することなくその全面に耐酸化性を有する金属層をめっきにより形成することができるので、めっき処理による製造コストの上昇を抑えることができる。また、このようにＺｎの全面に耐酸化性を有する金属層を形成することにより、少なくともその耐酸化性の観点から、接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着が得やすくなる。したがって、通常クラッド材を製造する場合は、接合面を脱脂、酸化膜除去等の前処理により表面清浄化してから各材料を圧延して接着一体化するが、前記により接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着が得やすくなるので、クラッド材の製造が非常に容易になる。さらに、Ｚｎの全面に耐酸化性を有する金属層を形成することにより、例えばクラッド材保管中に、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制することができる。すなわち、前記したように、本発明は、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の採用によりＡｌをＺｎで被覆し、さらに、両側のＺｎの表面を耐酸化性を有する金属層で被覆することで、Ａｌが表面に出ない構造としたものであるが、Ｚｎの全面に耐酸化性を有する金属層を形成することにより、ＺｎとＡｌの接続界面にも耐酸化性を有する金属層が存在することになるので、この耐酸化性を有する金属層がＡｌの拡散バリアとなって、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制することができる。但し、この拡散バリア層は、本発明の場合、耐酸化性を有する金属層の厚さが薄くてよいので、接合時の加熱に対しては、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの溶融に悪影響を与えるものではない。
【００２１】
請求項３の発明は、耐酸化性を有する金属層が、金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、白金の何れかの金属層、または、それらを複合した金属層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料を提供する。
【００２２】
ここで、この発明において耐酸化性を有する金属層として、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔを用いる理由を説明する。図３は、各種金属の酸化物の乖離圧の温度依存性を示す、いわゆるエリンガム図と呼ばれる特性図である。この図は、日本金属学会編、「講座・現代の金属学」、精錬編２、非鉄金属精錬の巻末の付表１の標準自由エネルギー変化に基づいて作成したものである。この図において、縦軸の乖離酸素分圧logPO2が０よりも大きい領域は、酸素１気圧下でも金属が酸化しない領域である。したがって、この図によれば、例えばＡｇの場合は１９０℃以上の大気中で酸化しないことが分かる。Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔについては、データが無かったため記載していないが、一般に貴金属と呼ばれる極めて酸化しにくい金属であるため、図中の温度領域で乖離酸素分圧logPO2が０の線よりも上にくるものと思われる。また、この図から分かるもう一つの大事な点は、各種金属の酸化物の乖離酸素分圧logPO2がＨ2−Ｈ2Ｏの線よりも上にくるか下にくるかということである。つまり、Ｈ2−Ｈ2Ｏの線よりも上にくる場合は、金属の酸化物が水素によって還元されうることを意味する。これは水素の方がより安定な酸化物（この場合Ｈ2Ｏ）を生成しようとするので、その線よりも上にある金属の酸化物が、水素によって酸素を奪い取られる、いわゆる還元反応を起こすからである。この図によると、水素によって還元されうる酸化物を形成する金属としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂが挙げられる。このうち、Ｐｂは、環境への影響が懸念されるので、対象外とされる。したがって、この発明において耐酸化性を有する金属層としては、貴金属と呼ばれる極めて酸化しにくい金属であるＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔと、１９０℃以上の加熱で自然還元されうるＡｇと、水素で還元されうるＣｕ、Ｎｉとが、夫々対象とされる。なお、水素による還元については、パワー半導体装置などの半導体素子の接合（ダイボンディング）では、既に製品によっては、水素雰囲気や水素窒素雰囲気で接合すること（水素による還元）が行われている。
【００２３】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、上記構成の採用により、すなわち、耐酸化性を有する金属層が、金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、白金の何れかの金属層、または、それらを複合した金属層からなることにより、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化をより確実に抑止することができると共に良好な濡れ性を示し、フラックスレスで接続を行うことができる高耐熱接合材料を得ることができる。
【００２４】
請求項４の発明は、耐酸化性を有する金属層の厚さが、第一の亜鉛及び第二の亜鉛の厚さの１／１０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料を提供する。
【００２５】
この発明においては、耐酸化性を有する金属層は、高耐熱接合材料の一部として、接続時に、Ｚｎ−Ａｌ系の溶融はんだ中に溶解することが求められる。その一部が溶解されずに残る状態は、接続時に、濡れ性不良を発生させる恐れが高まるので、好ましくない。したがって、耐酸化性を有する金属層の厚さは、これを適正範囲に定めることが好ましく、その厚さは、発明者らの検討によると、Ｚｎ（第一の亜鉛及び第二の亜鉛）全体の厚さの１／１０以下であれば、少なくとも接合温度を４２０℃とすることでＺｎは溶融するので、その溶融はんだ中に耐酸化性を有する金属層を溶解させることが可能である。実際には、Ｚｎと一緒にＡｌも溶融するので、耐酸化性を有する金属層は、Ｚｎ−Ａｌ溶融はんだ中に溶解することになるが、この点も踏まえて、耐酸化性を有する金属層の厚さをＺｎ全体の厚さの１／１０以下と定めればよい。また、耐酸化性を有する金属層の厚さが薄いほど、その溶解は速やかに行われる。
【００２６】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、上記構成の採用により、すなわち、耐酸化性を有する金属層の厚さが、第一の亜鉛及び第二の亜鉛の厚さの１／１０以下であることにより、接続時に、耐酸化性を有する金属層が溶融はんだ中に溶解されずに残ることがなく、濡れ性不良を発生させる恐れを低下させることができる。これにより、接続部の信頼性は向上することになる。
【００２７】
請求項５の発明は、耐酸化性を有する金属層の厚さが、０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料を提供する。
【００２８】
この発明において、耐酸化性を有する金属層は、また、ＡｌとＺｎの間にあっては、前述したように、Ａｌの拡散バリアとして、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制するものである。この効果についても、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を相当期間保管しなければならない現実を考えると、疎かにできない重要事項であるということができる。通常、金属間の拡散現象は、拡散定数を用いて計算することができる。日本金属学会編、「金属データブック」改訂４版、（ｐ２０〜ｐ２５）に基づいて、耐酸化性を有する金属層としてのＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、ＰｔとＺｎとの間の拡散の進行状況を計算すると、それらの耐酸化性を有する金属層の厚さを０．１μｍとすることで、室温２５℃で１年程度であれば、十分、その拡散の進行を遅らせることができることが分かる。
【００２９】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、上記構成の採用により、すなわち、耐酸化性を有する金属層の厚さが、０．１μｍ以上であることにより、Ｚｎの全面に耐酸化性を有する金属層を形成して、ＺｎとＡｌの接続界面に耐酸化性を有する金属層を存在させた場合は、耐酸化性を有する金属層がＡｌの拡散バリアとなって、ＡｌのＺｎ側への拡散を効果的に抑制することができる。
【００３０】
請求項６の発明は、溶融時における、耐酸化性を有する金属層の濃度が、前記金属層が銅あるいはニッケルの場合、全体の平均亜鉛濃度の２０％以下の濃度であり、前記金属層が銀の場合、全体の平均亜鉛濃度の２３％以下の濃度であり、前記金属層が金の場合は、全体の平均亜鉛濃度の３５％以下の濃度であり、前記金属層がパラジウムの場合、全体の平均亜鉛濃度の２５％以下の濃度であり、前記金属層が白金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３８％以下の濃度であることを特徴とする請求項４に記載の高耐熱接合材料を提供する。
【００３１】
この発明は、要するに、請求項４の規定との関係で、接合材料全体が溶融したときの、耐酸化性を有する金属層の濃度を見たものである。言い換えれば、耐酸化性を有する金属層が全てＺｎ−Ａｌ溶融はんだ中に溶解したときの、耐酸化性を有する金属層の濃度を見たものである。請求項４には、耐酸化性を有する金属層の厚さが第一の亜鉛及び第二の亜鉛の厚さの１／１０以下であると規定されている。この上限値に基づいて、溶融時における耐酸化性を有する金属層の濃度を求めると、耐酸化性を有する金属層の濃度は、前記金属層が銅あるいはニッケルの場合、全体の平均亜鉛濃度の２０％以下の濃度であり、前記金属層が銀の場合、全体の平均亜鉛濃度の２３％以下の濃度であり、前記金属層が金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３５％以下の濃度であり、前記金属層がパラジウムの場合、全体の平均亜鉛濃度の２５％以下の濃度であり、前記金属層が白金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３８％以下の濃度となる。なお、各数値はあくまでも夫々の濃度の最大値である。
【００３２】
この高耐熱接合材料によれば、上記効果に加えて、上記構成の採用により、すなわち、溶融時における、耐酸化性を有する金属層の濃度が上記の通りであるので、耐酸化性を有する金属層を構成するＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、ＰｔがＺｎ−Ａｌ溶融はんだ中に溶解されずに残ることがなく、濡れ性不良を発生させる恐れを低下させることができる。これにより、接続部の信頼性は向上することになる。
【００３３】
請求項７の発明は、アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層が形成されている高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことを特徴とする半導体装置を提供する。
【００３４】
この半導体装置によれば、上記構成の採用により、すなわち、既に述べた請求項１に記載の高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことにより、半導体素子をフラックスレスで効率的にダイボンディングすることができる。これにより、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができる。
【００３５】
請求項８の発明は、アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層が形成されている高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことを特徴とする半導体装置を提供する。
【００３６】
この半導体装置によれば、上記構成の採用により、すなわち、既に述べた請求項２に記載の高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことにより、半導体素子をフラックスレスで効率的にダイボンディングすることができる。これにより、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることが可能になる。また、この半導体装置によれば、請求項２に記載の高耐熱接合材料を用いることにより、耐酸化性を有する金属層をめっきにより形成する場合における処理コストの上昇を抑えることができるので、この点からも半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができる。また、クラッド材保管中のＡｌ、Ｚｎ間の拡散を抑えることで、接続部の品質の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の高耐熱接合材料、及び、それを用いた半導体装置によれば、高耐熱接合材料については、製造コストの上昇を抑えつつ、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化を抑止することができると共に良好な濡れ性を示し、フラックスレスで接続を行うことができる。半導体装置については、そのような高耐熱接合材料を用いて半導体素子をダイボンディングすることにより、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができると共に、接続部の品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第一の実施の形態に係る高耐熱接合材料の横断面図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態に係る高耐熱接合材料の横断面図である。
【図３】各種金属の酸化物の乖離圧の温度依存性を示す、いわゆるエリンガム図と呼ばれる特性図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態に係る高耐熱接合材料の横断面図である。
【図５】本発明の第四の実施の形態に係る高耐熱接合材料の横断面図である。
【図６】本発明の第五の実施の形態に関する、高耐熱接合材料を用いて製造されたパワー半導体装置の説明図である。
【図７】Ｚｎ−Ａｌ系合金の平衡状態図である。
【図８】Ａｇ−Ｚｎ系合金の平衡状態図である。
【図９】本発明の構成の一部を利用して製造されたＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材の横断面図である。
【図１０】本発明の構成の一部を利用して製造されたＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材の横断面図である。
【図１１】ＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材を用いて製造されたＬＥＤパッケージの説明図である
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図及び表に基づいて本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００４０】
（第一の実施の形態）
図１に、本発明の第一の実施の形態に係る高耐熱接合材料１の横断面図を示す。この高耐熱接合材料１は、アルミニウム（Ａｌ）２を中心に、第一の亜鉛（Ｚｎ）３、アルミニウム（Ａｌ）２、第二の亜鉛（Ｚｎ）４の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛（Ｚｎ）３及び第二の亜鉛（Ｚｎ）４のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層５、６が形成されている。
【００４１】
この高耐熱接合材料１において、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の厚さは、一般に採用されているダイボンディング用はんだ材の厚さと同じく、１００〜２００μｍ程度の厚さとなるように設計することが好ましい。ここでは、溶融時におけるＺｎ−Ａｌの平均組成が、Ｚｎ−Ａｌ共晶近傍のＺｎ−５ｗｔ％Ａｌとなるように、各部材の厚さを調整して、Ｚｎ５８μｍ、Ａｌ１６μｍ、Ｚｎ５８μｍとなるように設計した。また、耐酸化性を有する金属層５、６の厚さを、夫々１μｍとした。
【００４２】
耐酸化性を有する金属層５、６には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうちから選ばれた金属が用いられる。また、これらの金属のうちのいくつかを組み合わせて用いることも可能である。なお、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔを用いる理由は、既に述べた通りである。
【００４３】
また、耐酸化性を有する金属層５、６の全体の厚さは、これも既に述べた理由から、Ｚｎ３、４の全体の厚さの１／１０以下であることが好ましい。ここでは、Ｚｎ３、４の夫々の厚さ５８μｍに対して、各金属層５、６の厚さを夫々１μｍとした。このような厚さであれば、耐酸化性を有する金属層５、６は、接続時にＺｎとＡｌが溶融したときに、その溶融はんだ中に速やかに溶解する。
【００４４】
また、この溶融時における、耐酸化性を有する金属層５、６の濃度は、上記した１／１０以下の上限値との関係から、前記金属層が銅（Ｃｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）の場合、全体の平均亜鉛濃度の２０％以下の濃度であり、前記金属層が銀（Ａｇ）の場合、全体の平均亜鉛濃度の２３％以下の濃度であり、前記金属層が金（Ａｕ）の場合は、全体の平均亜鉛濃度の３５％以下の濃度であり、前記金属層がパラジウム（Ｐｄ）の場合、全体の平均亜鉛濃度の２５％以下の濃度であり、前記金属層が白金（Ｐｔ）の場合、全体の平均亜鉛濃度の３８％以下の濃度となる。
【００４５】
図１の高耐熱接合材料１を製造するには、まず、クラッド圧延に投入する前のＺｎ３、４の素材箔の片面に耐酸化性を有する金属層５、６をめっきにより形成する。Ａｌ２とＺｎ３、４の素材箔の厚さ、及び、前記めっき厚は、クラッド圧延の加工度を考慮して、適正な厚さに設定する。例えば、加工度９０％でクラッド圧延を行う場合は、上記により、Ｚｎ３、４の仕上がり厚さがいずれも５８μｍ、Ａｌの仕上がり厚さが１６μｍであるので、Ｚｎ３、４とＡｌ２の素材箔の厚さを、夫々、５８０μｍ、１６０μｍとし、耐酸化性を有する金属層５、６の圧延前のめっき厚を、１０μｍとする。このように準備された材料を用いて、クラッド圧延を行い、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を仕上がり厚さに製造する。これに対し、最初に、クラッド圧延を行い、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材を仕上がり厚さに製造してから、クラッド材の両側のＺｎの表面に、めっきにより金属層５、６を形成する方法も考えられる。この方法は、否定されるものではないが、長尺のクラッド材の表面にめっきを施すことになり、めっき処理を行うにあたって、大きなめっき浴が必要となる。前者の方は、めっき浴が小さくて済むことから、作業性もよく、低コストでめっき処理を行うことができる。
【００４６】
また、この実施の形態において、耐酸化性を有する金属層５、６としてＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔを用いた場合は、貴金属であることから高コストとなるが、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの表面の酸化がほぼ完全に抑止されるため、良好な濡れ性を示し、接合不良は発生しにくい。Ａｇを用いた場合は、クラッド材を室温で保管中に、Ａｇの酸化が進行するが、接合時に、例えば窒素雰囲気中で加熱する中でＡｇの酸化物が徐々に還元されることになり、クラッド材がＺｎ−Ａｌ共晶温度３８２℃に達すると、ＺｎとＡｌとの界面から共晶溶解反応が起こり、この溶液（Ｚｎ−Ａｌ溶融はんだ）中にＡｇ及びＡｇの酸化物が溶解するので、良好な濡れ性を示す。耐酸化性を有する金属層５、６としてＣｕ、Ｎｉを用いた場合は、水素あるいは水素窒素雰囲気で接合することで、良好な濡れ性が得られ易くなる。なお、Ｃｕ、Ｎｉの表面に多少酸化物が存在していたとしても、これらの酸化物はＺｎ−Ａｌ溶融はんだによって破壊される可能性があり、したがって、必ずしも水素あるいは水素窒素雰囲気で接合しなければならないというものではない。
【００４７】
（第二の実施の形態）
図２に、本発明の第二の実施の形態に係る高耐熱接合材料７の横断面図を示す。この高耐熱接合材料７は、アルミニウム（Ａｌ）２を中心に、第一の亜鉛（Ｚｎ）３、アルミニウム（Ａｌ）２、第二の亜鉛（Ｚｎ）４の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛（Ｚｎ）３及び第二の亜鉛（Ｚｎ）４のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛（Ｚｎ）３及び第二の亜鉛（Ｚｎ）４のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層８、９が形成されている。
【００４８】
この実施の形態は、Ｚｎ３、４のＡｌ２との接続界面に耐酸化性を有する金属層８、９が形成されている以外は、第一の実施の形態の場合と同じである。したがって、両者に共通の説明は省略する。
【００４９】
この実施の形態で、Ｚｎ３、４のＡｌ２との接続界面に耐酸化性を有する金属層８、９を形成した理由は、まず、Ｚｎ３、４の表面に耐酸化性を有する金属層８、９をめっきにより形成する場合は、片面めっきだと反対側の表面をマスクにより緊密に覆わなければならないが、全面めっきだとその必要が無く、めっき処理に伴う製造コストの上昇を抑制できるからである。もう一つの理由は、これは積極的なメリットであり、全面めっきであればＺｎ３、４のＡｌ２との接続界面にも耐酸化性を有する金属層８、９が存在することになるので、少なくともその耐酸化性の観点から、接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着が得やすくなるからである。通常、クラッド材を製造する場合は、接合面を脱脂、酸化膜除去等の前処理により表面清浄化してから各材料を圧延して接着一体化するが、前記により接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着が得やすくなるので、クラッド材の製造が非常に容易になる。さらに、もう一つの理由は、全面めっきであればＺｎ３、４のＡｌ２との接続界面にも耐酸化性を有する金属層８、９が存在することになるので、例えばクラッド材保管中に、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制することができるからである。既に述べたように、本発明は、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の採用によりＡｌをＺｎで被覆し、さらに、両側のＺｎの表面を耐酸化性を有する金属層で被覆することで、Ａｌが表面に出ない構造としたものであるが、全面めっきであればＺｎ３、４のＡｌ２との接続界面にも耐酸化性を有する金属層８、９が存在することになるので、耐酸化性を有する金属層８、９がＡｌ２の拡散バリアとなって、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制することができる。但し、この拡散バリア層は、本発明の場合、耐酸化性を有する金属層８、９の厚さが薄くてよいので、接合時の加熱に対しては、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの溶融に悪影響を与えるものではない。
【００５０】
この実施の形態においては、高耐熱接合材料７を構成するＺｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の仕上がり厚さは、第一の実施の形態の場合と同じく、Ｚｎ５８μｍ、Ａｌ１６μｍ、Ｚｎ５８μｍとした。また、耐酸化性を有する金属層５、６、８、９の仕上がり厚さは、夫々１μｍとした。耐酸化性を有する金属層５、６、８、９を構成する金属には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちから選ばれた金属が用いられる。耐酸化性を有する金属層５、６は、第一の実施の形態の場合と同じく、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎクラッド材の表面のＺｎの酸化を抑制する役割をする。耐酸化性を有する金属層８、９は、クラッド圧延の際は、クラッド材の接続界面におけるＺｎとＡｌとの密着を得やすくし、また、クラッド材保管中は、Ａｌの拡散バリアとなって、ＡｌのＺｎ側への拡散を抑制する役割をする。但し、この拡散バリア層は、耐酸化性を有する金属層８、９の厚さが薄いので、接合時の３００℃以上の加熱に対しては、ＡｌとＺｎの拡散が非常に早く進行し、すぐにＺｎとＡｌが混ざり合い、Ｚｎ−Ａｌ共晶溶解が起こり始めるため、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの溶融の障害にはならない。
【００５１】
（第三の実施の形態）
図４に、本発明の第三の実施の形態に係る高耐熱接合材料１０の横断面図を示す。この高耐熱接合材料１０は、アルミニウム（Ａｌ）２を中心に、第一の亜鉛（Ｚｎ）３、アルミニウム（Ａｌ）２、第二の亜鉛（Ｚｎ）４の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛（Ｚｎ）３及び第二の亜鉛（Ｚｎ）４のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層１１、１２が埋め込まれた状態でパターン形成されている。
【００５２】
この構造も、クラッド圧延に投入する前のＺｎ３、４の素材箔の片面に耐酸化性を有する金属層１１、１２をめっきによりパターン形成することで、容易に得ることができる。
【００５３】
これ以外は、第一の実施の形態の場合と同じである。したがって、両者に共通の説明は省略する。
【００５４】
この実施の形態によれば、耐酸化性を有する金属層１１、１２として、高価なＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔを使用する場合は、その使用量を削減することができるメリットがある。
【００５５】
（第四の実施の形態）
図５に、本発明の第四の実施の形態に係る高耐熱接合材料１３の横断面図を示す。この高耐熱接合材料１３は、アルミニウム（Ａｌ）２を中心に、第一の亜鉛合金（Ｚｎ合金）１４、アルミニウム（Ａｌ）２、第二の亜鉛合金（Ｚｎ合金）１５の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛合金（Ｚｎ合金）１４及び第二の亜鉛合金（Ｚｎ合金）１５のアルミニウム（Ａｌ）２との接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層１６、１７が形成されている。
【００５６】
この実施の形態は、要するに、第一の亜鉛及び第二の亜鉛としてＺｎ合金を用いたものであり、Ｚｎ合金としては、例えばＺｎ−（3.5〜4.3）Ａｌ−（＜0.25）Ｃｕ−（0.02〜0.05）Ｍｇ合金や、Ｚｎ−（3.5〜4.3）Ａｌ−（0.75〜1.25）Ｃｕ−（0.03〜0.08）Ｍｇ合金など、ＪＩＳ Ｈ５３０１規格のＺＤＣ１やＺＤＣ２のＺｎダイカスト合金が用いられる。
【００５７】
この実施の形態によれば、市場流通量の多い亜鉛合金を用いることで低コスト化のメリットがある。
【００５８】
（第五の実施の形態）
図６に、本発明の第五の実施の形態に関する、上記高耐熱接合材料１、７、１０、１３を用いて製造されたパワー半導体装置１８を示す。
【００５９】
このパワー半導体装置１８は、上記高耐熱接合材料１、７、１０、１３を用いて、リードフレーム１９の半導体素子搭載部２０上に半導体素子２１をダイボンディングし、ワイヤーもしくはリボン２２を用いたワイヤーボンディングにより、リードフレーム１９の内部接続端子２３と半導体素子２１の電極端子２４とを電気的に接続した後、トランスファーモールドにより、半導体素子２１及び接続部周辺をモールド樹脂２５で被覆して、製造される。半導体素子搭載部２０は、その底面をモールド樹脂２５から露出させて、半導体素子２１からの発熱による放熱性を高めている。なお、このような半導体素子搭載部２０は、ヒートスプレッダと呼ばれることもある。
【００６０】
この実施の形態のパワー半導体装置１８によれば、高耐熱接合材料１、７、１０、１３を用いて、半導体素子２１をダイボンディングしたことにより、半導体素子２１をフラックスレスで効率的にダイボンディングすることができる。これにより、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができる。特に、高耐熱接合材料７を用いることにより、耐酸化性を有する金属層をめっきにより形成する場合における処理コストの上昇を抑えることができるので、より一層、半導体装置の製造コストの上昇を抑えることができる。また、クラッド材保管中のＡｌ、Ｚｎ間の拡散を抑えることで、接続部の品質の向上を図ることができる。したがって、高耐熱接合材料１、７、１０、１３は、半導体装置用のダイボンディング材として好適な材料であるということができる。
【実施例】
【００６１】
表１は、図２の構成に基づいて、溶融時におけるＺｎ−Ａｌ系はんだの組成がＺｎ−Ａｌ共晶近傍の組成となるように、クラッド材を構成する三層のＺｎ３、Ａｌ２、Ｚｎ４の厚さを変え、さらに、耐酸化性を有する金属層（耐酸化性金属層）５、６、８、９を構成する金属の種類とその厚さを変えて、高耐熱接合材料７を製造した結果を纏めたものである。
【００６２】
【表１】
【００６３】
ここで、耐酸化性金属層５、６、８、９としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉの何れかの金属層、または、それらを複合した金属層（例えば二層めっきにより形成）を用い、その厚さは、夫々１μｍとした。複合した金属層の場合、その厚さは、トータルで１μｍとした。なお、表１中のこれらの厚さは、いずれもクラッド圧延後の仕上がり厚さである。また、表１中の耐酸化性金属層５、６、８、９の厚さは、１μｍに限らず、０．１μｍ〜５．８μｍの範囲で、適宜選択、適用することが可能である。
【００６４】
この実施例は、あくまでも図２の構成に基づくものであり、図１の構成に基づく場合は、耐酸化性金属層８、９は無くても構わない。耐酸化性金属層８、９を設けるかどうかは、一義的には、耐酸化性金属層５、６を片面めっきにより形成する場合の、マスク使用に伴うめっき処理のコストの上昇を考慮して、判断される。
【００６５】
上記のほか、例えばＡｌ２の厚さを１００μｍ程度に厚くすることも可能である。また、一般に高温はんだ材として用いられる、高耐熱接合材料の全体の厚さを、設計により６０μｍ程度に薄くしたり、２００μｍ程度に厚くしたりすることも可能である。また、耐酸化性金属層を構成する金属の種類については、コスト低減を優先する場合は、ＡｕやＡｇを使用せず、ＣｕやＮｉを使用し、耐酸化性、濡れ性を優先する場合は、反対にＡｕやＡｇを使用する。これらの金属を含めて使用可能ないくつかの金属を組み合わせることにより、ＡｕやＡｇの使用量を少なくして、期待する耐酸化性を確保することが可能である。要するに、図１及び図２に記載の高耐熱接合材料の具体的構成については、溶融時におけるＺｎ−Ａｌ系はんだの組成を中心とした、接合条件、接合環境、コスト等を踏まえて、種々選択することが可能である。
【００６６】
さらに、表１の内容を補足すると、既に述べたように、実施例１〜７の溶融時におけるＺｎ−Ａｌ系はんだの組成は、Ｚｎ−Ａｌ共晶近傍の組成となるように調整されたものである。これについては、図７のＺｎ−Ａｌ系合金の平衡状態図を見ると分かるように、共晶組成は、加熱して融点を越えるとＺｎとＡｌが同時に溶解して、最も安定的に溶融するため、はんだ等の接合材料においては、濡れ性の点から優れた組成であるということができる。したがって、必ずしも共晶組成に限定されるわけではないが、実施例１〜７においては、共晶をベースに耐酸化性金属の厚さを調整して、その組成を変化させている。
【００６７】
例えば、実施例２の場合は、耐酸化性金属層として夫々厚さ１μｍのＡｇを設けており、この実施例２によれば、Ａｇは１９０℃以上の環境、あるいは水素還元雰囲気で接続を行う場合は容易に還元されるため、良好な濡れ性が得られる。また、ＡｇはＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔほど高価な貴金属ではないため、コスト面でもメリットは大きい。さらに、実施例２の場合、溶融時の合金に占めるＡｇの濃度は約２．４％であるが、図８のＡｇ−Ｚｎ系合金の平衡状態図を見ると分かるように（実際にはＡｌの影響も考慮して、三元状態図で見るべきであるが、Ａｇ量が比較的微量であるため、液相面の組成による移動は比較的小さいと予想されることと、分かり易さのため、Ａｇ−Ｚｎ二元状態図を使用）、２％程度のＡｇ濃度であれば、４３０℃程度の加熱では固相が出てこないことが分かる。したがって、その温度で液体となったＺｎの液相中へのＡｇの溶解は非常に早くなる。これに対し、Ａｇ濃度が高く（Ａｇ量が多く）、Ｚｎの液相と平衡状態でＡｇの固相が形成される場合は、Ｚｎの液相中へのＡｇの溶解は遅くなる。但し、既に述べたように、耐酸化性金属層としてのＡｇの全体の厚さが概ねＺｎの全体の厚さの１／１０以下であれば、その溶解性は確保されることになる。したがって、はんだ材としての濡れ性も確保されることになる。
【００６８】
（参考例１）
図９に、本発明の構成の一部を利用して製造されたＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材２６の横断面図を示す。
【００６９】
このＡｌ／Ｚｎクラッド材２６は、Ａｌ２７の片側にのみ存在するＺｎ２８の表面に耐酸化性を有する金属層２９を形成したものであり、やはり高耐熱接合材料として使用されるものである。
【００７０】
硬質ロールを用いた圧延により金属箔を製造する場合は、圧縮された金属箔の加工面は鏡面となる。これを利用して、前記クラッド材２６をクラッド圧延により製造する場合において、Ａｌ２７を十分厚くしておくと、Ｚｎ２８とＡｌ２７の接続界面は加工時に熱をもらって共晶反応により溶解するが、厚くされたＡｌ２７の表面は鏡面加工されて溶解されずにそのままの表面状態を保つことができる。したがって、このＡｌ／Ｚｎクラッド材２６を用いて、例えばＬＥＤ素子を搭載するための接着性を有する配線を形成し、ＬＥＤパッケージを構成する場合は、鏡面加工されたＡｌの配線によって、ＬＥＤ素子からの発光に対する高い反射率が得られることになる。
【００７１】
（参考例２）
図１０に、本発明の構成の一部を利用して製造されたＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材３０の横断面図を示す。
【００７２】
このＡｌ／Ｚｎクラッド材３０は、Ａｌ２７の片側にのみ存在するＺｎ２８の表面、及び、Ａｌ２７との接続界面に、夫々耐酸化性を有する金属層３１、３２を形成したものであり、やはり高耐熱接合材料として使用されるものである。
【００７３】
また、このＡｌ／Ｚｎクラッド材３０についても、クラッド圧延により製造し、Ａｌ２７を十分厚くして、Ａｌ２７の表面を鏡面加工することについては、参考例１と同じである。したがって、また、参考例１と同じように、このＡｌ／Ｚｎクラッド材３０を用いて、例えばＬＥＤ素子を搭載するための接着性を有する配線を形成し、ＬＥＤパッケージを構成する場合は、鏡面加工されたＡｌの配線によって、ＬＥＤ素子からの発光に対する高い反射率が得られることになる。
【００７４】
（参考例３）
図１１に、上記ＬＥＤパッケージ用Ａｌ／Ｚｎクラッド材２６、３０を用いて製造されたＬＥＤパッケージ３３を示す。
【００７５】
このＬＥＤパッケージ３３は、セラミック基板３４上にスパッタ、蒸着、あるいはめっきなどにより、べた状に形成されたＴｉ３５／Ｃｕ３６の電極の上に上記クラッド材２６、３０を接合し、エッチングにより余分なＡｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｕを除去して、所望の配線パターンを形成する。そして、この配線パターン上の素子搭載部に透明接着剤３７を用いてＬＥＤ素子３８を搭載し、ＬＥＤ素子３８の電極と配線パターン上の電極との間をボンディングワイヤ３９により電気的に接続して、製造される。４０はＺｎ−Ａｌ合金はんだ部である。なお、さらに透明な樹脂を用いて、ＬＥＤ素子３８及び接続部周辺を被覆する場合もある。
【００７６】
このＬＥＤパッケージ３３によれば、前記したようにＡｌを鏡面加工して製造されたクラッド材２６、３０を用いて配線を形成することにより、ＬＥＤ素子３８からの発光に対する高い反射率が得られると共に、厚いＡｌとＣｕによって構成された配線を通して、ＬＥＤ素子３８からの発熱を平面方向に拡散させることができ、放熱性に優れたＬＥＤパッケージを得ることができる。
【００７７】
セラミック基板３４を用いたＬＥＤパッケージでは、一般に、セラミック基板３４としてアルミナセラミック基板が用いられる。これは、アルミナセラミックが光の反射率が高く、ＬＥＤ素子３８からの発光の多くを光の取出面方向に向けるのに有利であるからである。しかし、一般に、アルミナセラミックは、熱伝導率が低く、放熱性に優れているとは言いがたい。放熱性の高いセラミックとしては、例えば窒化アルミニウムがある。しかし、窒化アルミニウムは、光の反射率が高くないことから、ＬＥＤパッケージに用いられることはほとんどない。窒化アルミニウム上にＡｌのメタライズを蒸着やスパッタで形成することも考えられるが、結晶粒の成長による凹凸により、光を乱反射させてしまうため、高い反射率が得られなくなる。
【００７８】
この参考例３のように、Ａｌを鏡面加工して製造されたクラッド材２６、３０を用いて配線を形成することで、窒化アルミニウムを用いることが可能になり、これにより発光に対する高い反射率とともに優れた放熱性を備えたＬＥＤパッケージを製造することが可能になる。
【符号の説明】
【００７９】
１、７、１０、１３ 高耐熱接合材料
２ アルミニウム（Ａｌ）
３、１４ 第一の亜鉛（第一のＺｎ）
４、１５ 第二の亜鉛（第二のＺｎ）
５、６、８、９、１１、１２、１６、１７ 耐酸化性を有する金属層（耐酸化性金属層）
１８ パワー半導体装置
１９ リードフレーム
２０ 半導体素子搭載部
２１ 半導体素子
２２ ワイヤーもしくはリボン
２３ 内部接続端子
２４ 電極端子
２５ モールド樹脂
２６、３０ Ａｌ／Ｚｎクラッド材
２７ Ａｌ
２８ Ｚｎ
２９、３１、３２ 耐酸化性を有する金属層
３３ ＬＥＤパッケージ
３４ セラミック基板
３５ Ｔｉ
３６ Ｃｕ
３７ 透明接着剤
３８ ＬＥＤ素子
３９ ボンディングワイヤ
４０ Ｚｎ−Ａｌ合金はんだ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層が形成されていることを特徴とする高耐熱接合材料。
【請求項２】
アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層が形成されていることを特徴とする高耐熱接合材料。
【請求項３】
耐酸化性を有する金属層が、金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、白金の何れかの金属層、または、それらを複合した金属層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料。
【請求項４】
耐酸化性を有する金属層の厚さが、第一の亜鉛及び第二の亜鉛の厚さの１／１０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料。
【請求項５】
耐酸化性を有する金属層の厚さが、０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料。
【請求項６】
溶融時における、耐酸化性を有する金属層の濃度が、前記金属層が銅あるいはニッケルの場合、全体の平均亜鉛濃度の２０％以下の濃度であり、前記金属層が銀の場合、全体の平均亜鉛濃度の２３％以下の濃度であり、前記金属層が金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３５％以下の濃度であり、前記金属層がパラジウムの場合、全体の平均亜鉛濃度の２５％以下の濃度であり、前記金属層が白金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３８％以下の濃度であることを特徴とする請求項４に記載の高耐熱接合材料。
【請求項７】
アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層が形成されている高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層が形成されている高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層が形成されていることを特徴とする高耐熱接合材料。
【請求項２】
アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層が形成されていることを特徴とする高耐熱接合材料。
【請求項３】
耐酸化性を有する金属層が、金、銀、銅、ニッケル、パラジウム、白金の何れかの金属層、または、それらを複合した金属層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料。
【請求項４】
耐酸化性を有する金属層の厚さが、第一の亜鉛及び第二の亜鉛の厚さの１／１０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料。
【請求項５】
耐酸化性を有する金属層の厚さが、０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高耐熱接合材料。
【請求項６】
溶融時における、耐酸化性を有する金属層の濃度が、前記金属層が銅あるいはニッケルの場合、全体の平均亜鉛濃度の２０％以下の濃度であり、前記金属層が銀の場合、全体の平均亜鉛濃度の２３％以下の濃度であり、前記金属層が金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３５％以下の濃度であり、前記金属層がパラジウムの場合、全体の平均亜鉛濃度の２５％以下の濃度であり、前記金属層が白金の場合、全体の平均亜鉛濃度の３８％以下の濃度であることを特徴とする請求項４に記載の高耐熱接合材料。
【請求項７】
アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面に、耐酸化性を有する金属層が形成されている高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
アルミニウムを中心に、第一の亜鉛、アルミニウム、第二の亜鉛の三層がクラッドされた金属箔からなり、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面ではない表面、及び、第一の亜鉛及び第二の亜鉛のアルミニウムとの接続界面に、夫々、耐酸化性を有する金属層が形成されている高耐熱接合材料を用いて、少なくとも半導体素子をダイボンディングしたことを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２２４５９８（Ｐ２０１１−２２４５９８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９５３００（Ｐ２０１０−９５３００）
【出願日】平成２２年４月１６日（２０１０．４．１６）
【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２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１６日（２０１０．４．１６）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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