[发明专利]接合材料、接合材料的制造方法及半导体装置

说明书

技术领域

本发明涉及接合材料的技术，特别是涉及在该接合材料的构造及制造方法以及在使用了该接合材料的半导体装置、高功率半导体装置、高功率模块等上使用有效的技术。

背景技术

作为本发明者研究的技术，用图1及图2对使用了接合材料的半导体装置进行说明，图1是显示现有半导体装置的构造的图。图2是说明再熔融的焊料形成的溢出(flush)的图。

如图1所示，半导体装置7是如下制造的：将半导体元件1通过焊料3接合在框架2上，通过金属线4将引线5的内引线与半导体元件1的电极进行引线接合后，由封装用树脂6或惰性气体进行封装。

该半导体装置7是通过Sn-Ag-Cu系的中温的无铅焊料由回流焊焊接在印制基板上。Sn-Ag-Cu系无铅焊料的熔点约220℃，较高，在进行回流接合时要设想接合部能加热到最高260℃。因此，为了构成温度梯度，在进行半导体装置内部的半导体元件的管芯焊接时，需要使用有290℃以上的熔点的高铅焊料。高铅焊料作为构成成分含有85wt.％以上的铅，与2006年7月开始施行的RoHS指令中禁止的Sn-Pb共晶焊料相比，对环境造成的负担大。因此，急切期待着取代高铅焊料的替代接合材料的开发。

现在，由于已经开发出的Sn-Ag-Cu系等的焊料的熔点为260℃以下，所以，使用在半导体元件的管芯焊接上时，在二次实装时(最高温度260℃)，焊料会熔融。当使用树脂将接合部周围铸型时，如果内部的焊料熔融，如图2所示，由于熔融时的体积膨胀，焊料3会从封装用树脂6与框架2的界面漏出，称为“溢出(flush)”。或者既便还没有漏出也是要漏出状动作，其结果，凝固后，成为在焊料中形成大的空隙8的不良品。作为替代材料的候补，在熔点方面报导了Au-Sn、Au-Si、Au-Ge等的Au系焊料和Zn、Zn-Al系焊料及Bi、Bi-Cu、Bi-Ag等的焊料，正在全球推进着研究。

但是，Au系的焊料作为构成成分含有80wt.％以上的Au，因成本方面问题而在通用性上有困难。Bi系焊料的热传导率约为9W/mK，比现行的高铅焊料低，能够推定难以在要求高散热性的高功率半导体装置及高功率模块等上使用。另外，Zn及Zn-Al系焊料具有约100 W/mK高的热传导率，但难以浸润(特别是Zn-Al系焊料)，焊料硬，有在接合后的冷却时半导体元件因热应力而易损坏的问题。

在专利文献1(特开2002-358539号公报)和专利文献2(特开2004-358540号公报)中，是通过做成：1～7wt.％Al、0.5～6wt.％Mg、0.1～20wt.％Ga、0.001～0.5wt.％P、余量为Zn，2～9wt.％Ge、2～9wt.％Al、0.001～0.5wt.％P、余量为Zn，或2～9wt.％Ge、2～9wt.％Al、0.01～0.5wt.％Mg、0.001～0.5wt.％P、余量为Zn，使Zn系焊料合金相对于Cu和Ni的浸润性提高且熔点降低。但是，由于成分是Al和Mg，所以通过接合时的加热，Al氧化物及Mg氧化物会在熔融部表面生成膜。由于这些膜会阻碍浸润，所以如果不通过擦刷等机械性弄破膜，就有可能得不到充分的浸润。另外，关于焊料的硬度，由于还没有得到改善，所以不能期待能够改善接合后的冷却时或温度循环时的热应力对半导体元件的破坏。

在专利文献3(特开2002-26110号公报)中，是通过在Zn-Al系合金的最表面设置In、Ag、Au层，抑制Zn-Al系合金表面的氧化，实现浸润性的提高。但是，为了设置In、Ag及Au层，需要在Zn-Al表面实施镀层及蒸镀等的处理，涉及到材料制造的工序增加。另外，与上述同样，在添加了In的场合有可能使硬度降低，不能期待抑制接合后的冷却时的热应力造成的半导体元件的破坏的效果。

发明内容

本发明者考虑了是否能由Zn-Al系合金实现高铅焊料的替代。在上述的现有技术中，没有考虑到以下问题：由于在Zn-Al系合金中含有Al，所以不能确保充分的浸润性。由于要在Zn-Al系合金上进行表面处理，会增加材料制造时的工序。不能抑制接合后的冷却时或温度循环时的热应力造成的半导体元件的破坏。

本发明考虑到了这些问题，提供的接合材料能够适用于接合具有260℃以上熔点的Zn-Al系合金，改善接合时的浸润性，减少材料制造时的工序，提高对热应力的接合可靠性。

从本说明书的记载以及附图中可以明确本发明的新颖性特征。

如下简单地说明本申请中公开的发明中的代表性的内容的概要。