[发明专利]接合材料、半导体装置及其制造方法

说明书

技术领城

本发明涉及接合材料及半导体装置。

背景技术

铅对人体的神经及造血系统的不良影响是明确的，欧洲的控制汽车的铅使用的ELV指令(End-of Life Vehicles directive，涉及废汽车的指令)以及禁止电气及电子仪器中使用铅的RoHS指令(Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment)，分别于2000年10月及2006年7月施行。电气及电子仪器的部件的电接合使用的焊料中，原来含铅。焊料按熔点分为高温、中温、低温的3种，作为中温焊料，有Sn-Ag-Cu系焊料、Sn-Cu系焊料等，作为低温焊料，有Sn-Bi系焊料、Sn-In系焊料等已得到开发及应用，均符合ELV指令、RoHS指令。但是，由于这些焊料的铅含量高达85％以上，尚未开发出无铅的高耐热接合材料来代替具有高熔点的高铅焊料，高铅焊料成为上述ELV指令、RoHS指令的对象之外。然而，高铅焊料，含有作为构成成分的85质量％以上的铅，与RoHS指令禁止的Sn-Pb共晶焊料相比，环境负荷大。因此，殷切希望开发出代替高铅焊料的替代接合材料。

专利文献1(日本特许3850135号公报)公开了含“Al为1～9质量％，含Ge为0.05～1质量％，其余为Zn及不可避免的杂质所构成的高温焊料用Zn合金”。

另外，专利文献2(日本特许3945915号公报)公开了含“Al为1～9质量％、Mg为0.05质量％以上、小于0.5质量％、Ga为0.1～8质量％、其余为Zn及不可避免的杂质所构成的焊料用Zn合金”。

另外，专利文献3(日本特开2008-126272号)公开了在“Al系合金层的最表面设置了Zn系合金层的接合材料。特别是Al系合金层的Al含量为99～100质量％、或Zn系合金层的Zn含量为90～100质量％的接合材料”。

这里用图1及图2对现有的适于高耐热接合的应用例加以说明。图1为表示现有的半导体装置结构之一例的图、图2为现有的半导体装置中采用再熔融的焊料产生溢出(flush)时的说明图。

如图1所示，半导体装置7，是把半导体元件1用焊料3接合在框架2上(小片接合：die bonding)，用金属线4，把引线5的内部引线与半导体元件1的电极加以引线接合后，用封装用树脂6或惰性气体加以封装而制成。

该半导体装置7，用Sn-Ag-Cu系的中温无铅焊料，在印刷基板上附与回流焊料。Sn-Ag-Cu系无铅焊料的熔点高达约220℃，在回流接合时，能够想到接合部被加热达到最高260℃。因此，为使回流接合时的接合部(小片接合)不发生再熔融，小片接合时使用具有290℃以上熔点的高铅焊料。

目前已开发的Sn-Ag-Cu系等的中温无铅焊料，由于熔点为约220℃，在用于半导体元件的小片接合时，半导体装置于印刷基板上回流接合时焊料发生熔融。接合部周围用树脂模制时，内部的焊料发生熔融，由于熔融时的体积膨胀，产生如图2所示的溢出，焊料3从封装用树脂6与框架2的界面漏出。或者，既使在未漏出前，与漏出相作用，结果导致凝固后焊料中形成大的空隙8而成为不合格产品。作为代替材料的候补，报告有从熔点方面考虑，Au-Sn、Au-Si、Au-Ge等Au系焊料，Zn、Zn-Al系焊料及Bi、Bi-Cu、Bi-Ag等焊料，世界各国对它们进行了探讨。

然而，Au系焊料中，作为构成成分的Au含80重量％以上，从成本方面考虑，难以广泛采用，其是硬而脆的硬焊料。Bi系焊料，热导率为约9W/m·K，比现有的高铅焊料低，可以推测在要求高放热性的动力半导体装置及动力模块等中难以使用。另外，该焊料也是硬而脆。另外，Zn及Zn-Al系焊料，虽然具有高达约100W/m·K的热导率，但由于难以浸润(特别是Zn-Al系焊料)、焊料硬、热膨张率大，接合后冷却时，存在因热应力的作用易破坏半导体元件等问题。另外，由于纯Zn的反应性高，高温时界面反应显著进行，即使得到良好的接合，也得不到高耐热性。

另外，作为解决Zn-Al系焊料课题的难浸润及硬度的接合材料，公开了采用Zn/Al/Zn金属包层材料的方法。按照公开的内容，通过表面的Zn层的作用可确保浸润性(接合性)，由于内层的Al在金属中为软，具有应力缓冲能力，可确保接合的可靠性。另外，Zn及Al的熔点分别为420℃、660℃，由于通过Zn与Al的扩散生成的Zn-Al共晶(Zn-6Al)的熔点为382℃，故接合材料为高熔点，具有高耐热性。

现有技术文献