JP4609296B2 - 高温半田及び高温半田ペースト材、及びそれを用いたパワー半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、２８０℃以上の高い融点が要求される鉛フリー半田材料と、該鉛フリー半田材料を用いたパワー半導体装置に関する。

従来、パワー半導体装置のデバイスと外部電極との接合には、鉛が９０％以上で他にＳｎ、Ａｇなどを数％含む２８０℃以上の融点を示す高融点鉛半田が使われていた。近年は、環境を有害物質の汚染から守ることが重要となってきており、電子装置の組立部材から鉛を除去することが求められている。しかし現状、鉛入り高温半田にそのまま置き換え可能な、鉛を使わない高温半田は開発されていない。可能性のある材料の侯補としてＺｎ−Ａｌ系やＳｎ−Ｓｂ系、Ｂｉ−Ａｇ系の高温半田が知られている。このような材料の例が特許文献１に記載されている。

また、自動車搭載用等のパワー半導体装置では、ヒートシンク／セラミック配線基板／パワー半導体デバイスの積層接合構造で、ヒートシンク／セラミック配線基板の接合にはＳｎ−Ｐｂ共晶半田、セラミック配線基板／パワー半導体デバイスの接合には高鉛半田が使われている。鉛不使用化に対して、共晶半田はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田等の代替材料侯補が検討されているが、高鉛半田の代替材料侯補が無い状態である。

また、一般のパワー半導体装置や高周波半導体装置では、２次実装時のリフロー処理時に高温仕様では２６０℃の温度が加わる。現状では、このリフロー温度に耐えられかつ温度サイクル信頼性に優れる高鉛半田の代替材料は見出されていない。

特開２００３−２９０９７６号公報（(０００６)段落から(００１２)段落の記載。）

パワー半導体の実装に用いられる高温半田に要求される性質として、以下の７項目が上げられる。これらが満たされないと半導体装置の組立てにそのまま適用することが難しい。その性質としては、１）濡れ性：半田材料が半導体デバイスの電極材料や外部接続用の金属部材に対して濡れ性に優れること、２）接合温度：ダイボンディングのプロセス温度が４００℃以下さらに望ましくは３６０℃以下であることから、液相温度が３７０℃以下であること、３）耐熱温度：半導体装置をさらに大きな装置に２次実装するときの２６０℃のリフロー加熱や２００℃あるいは２５０℃の高温環境での使用に耐える耐熱性を有すること、４）歪緩和機能：半導体デバイスを外部接続用の金属部材に接合したときの加熱冷却に伴う熱歪を半田接合部が緩和して、熱応カによる半導体デバイスの破損を防いでくれること、５）熱疲労寿命：半導体デバイスの発熱によって引き起こされる温度変動に対して半田接合部の熱疲労寿命が十分長いこと、６）高温信頼性：半田材と半導体デバイスの電極や金属部材との間で化合物の成長に伴うクラックやボイド形成、大幅な強度低下を引き起こさないこと、７）加工性：半田材が半導体装置の量産組立てに適用可能な形状に加工できることである。

これらの中で最も重要な性質は濡れ性、接合温度、耐熱温度である。歪緩和機能や高温信頼性や熱疲労寿命は接合構造やメタライズの工夫によってある対策できる余地があり、また加工性は半田の形態と組立プロセスを含めて工夫し、対策が可能である。

従来技術のＺｎ−Ａｌ系半田は、接合温度と耐熱温度で必要な性質を有しているものの、ＮｉやＣｕに対して濡れ性が悪い。また、従来技術のＳｎ−Ｓｂ２元系半田は、濡れ性は良いものの、接合温度と耐熱温度を両方同時に満足できない。さらに従来技術のＢｉ−Ａｇ系半田は、固相温度が２６２℃で耐熱温度が低いという問題がある。

一方、自動車搭載用等の従来のパワー半導体装置では、高温鉛半田の代替材料がなかったためパワー半導体装置の完全な鉛不使用化ができていない。最近の自動車機器等では新機種毎に使用する電流容量が増加して来ており、パワー半導体装置の小型化要求とが相まって、半導体デバイス１個当たりの通電容量を増加することが求められている。また、パワー半導体装置の設置場所が効率と居住空間の確保の点から、温度的に苛酷なエンジンルーム内に集約される方向にある。この場合、半導体デバイスの温度上昇と環境温度の上昇により接合部が受ける低温と高温の温度差が大きくなり、従来技術の高鉛半田を用いたパワー半導体装置では熱歪の増大によって温度サイクル寿命が低下する問題がある。

また、従来のパワー半導体装置や高周波半導体装置では、ダイボンディングやセラミック基板に受動素子を搭載する接合に用いる半田として、鉛不使用でかつ２６０℃の耐熱性を有しかつ温度サイクルや高温高湿信頼性を有する代替材料が見出されていないため、完全な鉛不使用化を達成できない問題がある。

本発明の目的は、高温半田に必要な性質であるＮｉやＣｕに対する濡れ性に優れ、接合温度≦４００℃、できれば接合温度≦３７０℃で、耐熱温度≧２８０℃を満足し、さらにはＣｕやＮｉに対して温度サイクル寿命と高温信頼性に優れる半田を提供することである。

本発明の目的は、上記の半田を、不活性雰囲気あるいは還元雰囲気下、かつ３５０℃〜４００℃の接合条件で、ＮｉやＣｕに対する濡れ性を損なわず、接合部に容易に供給可能で、接合後に接合部に残る残溢を極力無くすことが可能な半田ペースト材料を提供することである。

本発明は、２６０℃リフロー耐性、２００℃−１０００ｈ以上の耐熱信頼性と、温度サイクル信頼性が高く、鉛を使用しないパワー半導体装置を提供することである。

本発明のパワー半導体装置は、４２ｗｔ％＜Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％で３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％でかつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％の組成からなる半田で、半導体素子や金属電極部材を接合した。

本発明によれば、ＮｉやＣｕに対する濡れ性に優れ、接合温度≦４００℃、できれば接合温度≦３７０℃で、かつ耐熱温度≧２８０℃を満足し、ＣｕやＮｉに対して温度サイクル寿命と高温信頼性に優れる鉛を含有しない高温半田を提供できる。

また、本発明の鉛を含有しない高温半田ペーストは、不活性雰囲気あるいは還元雰囲気下での接合で、ＮｉやＣｕ、に対する濡れ性を損なわず、接合部に容易に供給可能で、接合後に接合部に残る残溢を極力無くして無洗浄化が可能である。

また、本発明のパワー半導体装置は、鉛を使うことなく２６０℃リフロー耐性、２００℃−１０００ｈ以上の耐熱信頼性と高い温度サイクル信頼性を有する。

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

本実施例の高温半田材料は、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｃｕを主要構成元素とし、４２ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％で３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％、かつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％の組成を有し、残りが他の不可避的不純物元素から構成される高温半田材料とした。さらに、前記組成の高温半田材料に０.０１ｗｔ％〜５.０ｗｔ％のＮｉ、Ｇｅ、Ｇａ、０.００５ｗｔ％〜０.５ｗｔ％のＰの何れか１種以上を添加した。

前記組成の合金を種々試作して固相と液相温度を調べた結果、固相線温度はＳｎとＳｂとの組成比で決まり、前記組成範囲では２８０℃以上であることと、さらにＡｇやＣｕを添加すると固相線温度はほとんど低下せず、液相線温度のみを低下させることが可能であり、前記の組成では液相線温度が３７０℃以下となることを見出した。その測定結果を図７、図８、図９に示す。これらの図はＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕの４元合金で特定の元素の比率が変わった時の固相と液相線温度を示し、図７はＳｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）の比率、図８はＡｇの含有量、図９はＣｕの含有量で整理した結果である。

図７に示すように、４２ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）の条件で、固相温度は２８０℃以上になっている。一方、液相温度は、図８、図９に示すようにＳｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４８ｗｔ％で、ＡｇやＣｕの添加量を増すにつれて低下している。図１６に示すＳｎ−Ｓｂ２元状態図から分かるように、Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４８ｗｔ％では、Ａｇ、Ｃｕを含有しない場合の液相温度４２２℃であるが、Ａｇを１０ｗｔ％以上、あるいはＣｕを８ｗｔ％以上添加すると図８、図９に示すように液相温度が３７０℃になった。また、Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４２ｗｔ％では、５ｗｔ％≦Ａｇかつ、３ｗｔ％≦Ｃｕかつ、５ｗｔ％≦（Ａｇ＋Ｃｕ）の条件で、液相温度≦３７０℃が満足されることも確認した。

ところで、高温半田材料は、接合後に半導体デバイスヘ与える応カを小さくできる柔らかい材料であることが望ましい。試作した半田の硬さの測定結果を図１０、図１１、図１２に示す。半田硬さの上限として、種々の材料と半導体デバイスを接合して評価した結果、ビッカース硬さで１３０Ｈｖ以下が実用上適することが分かった。

半田の成分としてＡｇ、Ｃｕの含有量を増やすことは液相温度を下げるために有効であるが、含有量が増すと半田が硬くなることが判明した。ビッカース硬さで１３０Ｈｖ以下の条件を満足する組成として、図１０に示すようにＡｇ＜２０ｗｔ％、また、図１１に示すようにＣｕ＜１０ｗｔ％が適正範囲であることを確認した。また、図１２に示すように、Ｎｉ＜２ｗｔ％であれば、ビッカース硬さで１３０Ｈｖ以下の条件を満足する。

図１３は、Ａｇ＋Ｃｕの含有量（ｗｔ％）で固相と液相温度およびビッカース硬さを整理した説明図である。硬さはＡｇ＋Ｃｕの含有量に依存する傾向が強く、ビッカース硬さを１３０Ｈｖ以下にするには、Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％の範囲にする必要があることが分かった。

また、この４元系の半田で（１）４６Ｓｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−８Ｃｕ（Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４３ｗｔ％）、（２）４２Ｓｎ−４０Ｓｂ−１０Ａｇ−８Ｃｕ（Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４９ｗｔ％）、（３）３８Ｓｎ−４５Ｓｂ−９Ａｇ−８Ｃｕ（Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝５４ｗｔ％）の４つの組成について、Ｃｕ箔、Ｎｉメッキ膜への濡れ性を３６０℃〜４００℃の加熱処理条件で調べた。結果、Ｎｉメッキ膜への濡れ性については全ての加熱温度で半田組成の有意差がなく良好な濡れ性を確認できた。しかし、Ｃｕに対する濡れ性は（１）４６Ｓｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−８Ｃｕ（Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４３ｗｔ％）の半田のみが良好な濡れ性を示し、Ｓｂの含有量が増すにつれ濡れ広がり面積が小さくなることが判明した。

図１４に、高温半田（１）４６Ｓｎ−３５Ｓｂ−１１Ａｇ−８Ｃｕ（Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４３ｗｔ％）と（２）４２Ｓｎ−４０Ｓｂ−１０Ａｇ−８Ｃｕ（Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４９ｗｔ％）についての濡れ試験結果を示す。高温半田（２）４２Ｓｎ−４０Ｓｂ−１０Ａｇ−８Ｃｕ（Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４９ｗｔ％）のＣｕに対する濡れが悪い理由は、半田に含まれるＳｂとＣｕとの反応が激しくなり、Ｃｕが半田に食われて濡れ先端で高融点化が進むためであることが判明した。この結果、Ｃｕに対する濡れの観点からは、Ｓｂの含有量が少ない方が良好であることが判明した。

以上のように、高温半田材料を検討評価した結果、半田組成が、４２ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％、３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％、かつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％であれば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐに対する濡れ性が良好で、接合温度を３５０〜４００℃の範囲で選択でき、耐熱温度を２８０℃以上と高くできる。

また、半田組成を、４２ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％、３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％、かつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％とすれば、半田硬さをビッカース硬さで１３０Ｈｖ以下にすることができ、熱膨張差の異なる部材と接合したときの半導体デバイスに発生する熱応カを小さくできることが判明した。

さらに、高温放置信頼性に関しては、例えば２５０℃−１５００ｈの試験において、Ｎｉ−Ｐメッキ膜を接合面に形成しておくと、半田との金属的反応が抑制され、Ｎｉ−Ｓｎ化合物等の成長が抑えられて信頼性が高いことも確認した。これは、Ｎｉ−Ｐが高温でも安定で半田のＳｎやＳｂとの反応が抑制されるためであることが判明した。すなわち、高温信頼性に関しても、本実施例の４元系半田が有効である。さらにこの４元系半田に０.０１ｗｔ％〜５.０ｗｔ％のＮｉ、Ｇｅ、Ｇａ、０.００５ｗｔ％〜０.５ｗｔ％のＰの何れか１種以上を添加しても、濡れ性や耐熱温度、半田硬さなどを変えることがない。

以上詳述したように、本実施例によれば、高温半田材をＳｎ、Ａｂ、Ａｇ、Ｃｕを主要構成元素とし、４２ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％、３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％、かつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％の組成を有し、残りが他の不可避的不純物元素から構成される合金としたことにより、高温半田に必要な性質であるＮｉやＣｕに対する濡れ性に優れ、接合温度≦４００℃できれば接合温度≦３７０℃でかつ、耐熱温度≧２８０℃を満足し、さらにはＣｕやＮｉに対して温度サイクル寿命と高温信頼性に優れる半田材を提供できる。

本実施例では、不活性雰囲気あるいは還元雰囲気下、かつ３５０℃〜４００℃の接合条件で、ＮｉやＣｕに対する濡れ性を損なわず、接合部に容易に供給可能で、接合後に接合部に残る残溢を極力無くすことが可能な半田ペースト材料を提供するために、実施例１の高温半田と、Ｃ、Ｏ、Ｈのみの原子で分子が構成されるエチレングリコール群、アルコール群、グリセリン群から１種以上選択された材料とで構成された、液状またはクリーム状の有機材料を混合した高温半田ペースト材とした。さらに、高温半田の粒子サイズ（粒度）を０.０５mmφ〜０.５mmφ、好ましくは０.１mmφ〜０.５mmφとし、大気圧（１気圧）での沸点が１５０℃〜４００℃の有機材料を選択した。なお、粒子サイズ（粒度）はメッシュ状の篩で分粒した粒径であって、以下の説明でも同様である。

Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田は材料的に硬い性質があり、箔やワイヤ形状への加工が難しい。このため、接合部に半田を供給する形態が難しい。通常は、半田の粉末とフラックスを混合した半田ぺーストが硬い半田の接合面への供給形態として知られているが、半田付けの接合温度が３５０℃〜４００℃の高温域で使えるペーストは開発されていない。また、裸チップ状態の半導体デバイスを接合する場合は、還元雰囲気中でフラックスを用いないクリーンな接合が一般的である。これは、腐食作用のあるフラックスによって半導体デバイスの電極などが損傷を受けることを防ぐためである。

そこで本実施例では、半田の供給が容易なペースト状態に加工して、不活性あるいは還元雰囲気中の接合を行った。ペースト化のため、室温付近では液状あるいはクリーム状を保ち、加熱過程で揮発消失し、かつ金属に対して不活性な有機材料であるトリエチレングリコールやテトラエチレングリコールを選択し、粒度０.１mmφ の半田粒子と混合してペースト化し、ＣｕやＮｉに対する濡れ試験を実施した。その結果、図１５に示すようにＣｕやＮｉに対して良好な濡れ性が得られることを確認した。

ペースト化のための有機材料としては、金属に対して不活性で環境に影響を与えず人体に対して有害でないという観点からＣ、Ｏ、Ｈだけの元素で構成される材料を選定し、室温では安定した液状で保管性がよく、加熱過程で容易に揮発・消失して濡れ性に影響を与えないという観点から大気圧（１気圧）下の沸点が１５０℃〜４００℃が望ましいことを確認した。

図２に、本実施例の高温半田ペースト材の構成を示す。ペーストは粒子状の高温半田粒１と液状の有機溶剤２で構成されている。図３は、本実施例のペースト材料の仕様と特性測定結果を示す。評価項目は、良好な接合が可能な最低温度と、半田が溶融しない耐熱温度と、半田の粒度と半田／有機溶剤の体積比率とに依存したディスペンサーからの供給性（供給性は連続供給の可否と量の制御性で判定）と、有機溶剤にトリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ペンタエチレングリコールを用いたときのＣｕとＮｉに対する濡れ性との４項目である。なお、濡れ性は接合温度と同じ温度に還元雰囲気中で加熱して評価した。

その結果、半田組成がＳｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≧４９ｗｔ％の組成の場合（Ｎo.１、Ｎo.２）には、有機溶剤の如何によらずＣｕに対する濡れ性が悪く評価：×であった。また、半田組成がＳｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４０.７ｗｔ％の場合（Ｎo.４）には、濡れ性は良好であったが、耐熱性が２３０℃以下で評価：×であった。半田組成がＳｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）＝４３ｗｔ％（Ｎo.３、Ｎo.５）と４５ｗｔ％（Ｎo.６）の場合には、接合温度≦３８０℃、耐熱温度≧３００℃、半田粒度が０.２mmφ〜０.３mmφかつ固液比率が３／７で半田供給性が良好、トリエチレングリコール及びテトラエチレングリコールを用いた時に、ＣｕとＮｉに対する濡れ性が良好という結果が得られており、全ての項目で必要条件を満足し、判定：○であった。

半田の粒度に関しては、０.０１mmφ〜０.０５mmφ（Ｎo.１０）と細かい場合には濡れ性が悪く判定：×であり、０.０５mmφ〜０.１mmφ（Ｎo.１１）の場合には濡れ性がやや劣り判定：△であった。一方、半田粒が０.５mmφ〜０.７mmφ(Ｎo.１４) と０.７mmφ〜１.０mmφ(Ｎo.１５) の場合には、供給半田量の制御精度が悪くなり判定：△及び×であった。

また、固液比率に関しては固体比率が７／３と多い場合にはディスペンサーからの供給性が悪く判定：×で、液体比率が１／９と多い場合には半田量の制御性が悪く判定：△であった。半田粒度として供給性と濡れ性の両方を満足できるのは０.１mmφ〜０.５mmφであった。また、固液比率として３／７≦固体／液体≦６／４の範囲が適することが分かった。

本実施例によれば、半田組成を４３ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４５ｗｔ％とすれば半田接合温度を３８０℃以下にすることができ、かつ耐熱温度を３００℃以上にできる。また、有機溶剤にトリエチレングリコール、テトラエチレングリコールを用い、半田粒度を０.１mmφ〜０.５mmφにし、固体と液体の体積比率を３／７〜６／４にすれば、半田の供給性を確保しつつ還元雰囲気中での濡れ性を確保できることが分かった。なお、有機溶剤が、大気圧（１気圧）での沸点が１５０℃から４００℃で、構成する元素がＣ、Ｈ、Ｏのみからなるアルコール類やグリセリン類、エステル類であってもよい。この高温半田をパワー半導体装置の組立てに適用すれば、量産組立てが可能で、高温信頼性に優れた鉛不使用のパワー半導体装置を提供できる。また、この半田は従来技術の鉛半田に比べて降伏強度が高いため、温度サイクル信頼性も向上できる。

以上詳述したように、本実施例によれば、高温半田材と、Ｃ、Ｏ、Ｈのみから構成されるエチレングリコール群、アルコール群、グリセリン群、から１種以上選択された材料で構成された、液状またはクリーム状の有機材料を混合して高温半田ペースト材としたことにより、上記の半田材料を不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気下での接合において、ＮｉやＣｕに対する濡れ性を損なわず、絶後うぶに容易に供給可能で、接合後に接合部に残る残渣を極力無くして無線浄化が可能な高温半田ペースト材を提供できる。また、ロジンと有機酸と溶剤から構成された液状あるいはクリーム状の有機材料を、本発明の高温半田材と混合して高温半田ペースト材としても、不活性雰囲気中で良好なはんだ接合性を維持でき、残渣が不活性となるため無洗浄化が可能な高温半田ペースト材を提供できる。

図１は、本実施例によるパワー半導体モジュールの断面構造の例を示す。図１において、Ｓｉ半導体チップに形成したＩＧＢＴやダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体デバイス１１はセラミック基板１２に搭載され、さらにヒートシンク１７に搭載されている。パワー半導体デバイス１１とセラミック基板１２は金属回路パターン１３を介して実施例１によるＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田１６によって接合されている。セラミック基板１２とヒートシンク１７は、金属ベタパターン１５を介してＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの中温半田１８（融点：２１７℃〜２２２℃）で接合されている。パワー半導体デバイスの主電流電極及び制御電極は、セラミック基板１２上の別の金属回路パターン１４にＡｌワイヤ２１によって結線されている。

ヒートシンク１７には、外部取り出しリード２４を一体モールドした樹脂ケース２２が取り付けられ、その内部にゲル状シリコーン樹脂２３が充填されている。また、樹脂ケース２２と一体化したヒートシンク１７は、高熱伝導樹脂２０を介して放熱フィン１９に熱的に結合されている。セラミック基板１２の材質はＡｌＮまたはＳｉ₃Ｎ₄で構成され、金属回路パターン１３および金属ベタパターン１５はＣｕ製でその表面にＮｉ−Ｐメッキが施されている。パワー半導体デバイス１１の裏面電極は、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕのメタライズが施されて接合に供されている。

本実施例によれば、パワー半導体デバイス１１の接合に実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田１６を用い、セラミック基板１２とヒートシンク１７間をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの中温半田１８で接合しているため、半導体装置の完全鉛不使用化が図れる。また、両者の溶融温度に差があるため階層半田接合が可能で接合組立てが容易になる。

本実施例では、パワー半導体デバイスの裏面電極と、外部と接続する金属電極部材を、実施例１の高温半田材で接合した。セラミック基板を用いるパワー半導体装置では、さらに、Ｃｕで形成されたセラミック基板上の金属回路パターンの表面にＮｉ−Ｐメッキを施し、パワー半導体デバイスの裏面電極の最表面に無電解Ｎｉ−ＰメッキあるいはＮｉ−Ｐ／Ａｕメッキを施した。またさらに、パワー半導体デバイスの主電流電極の最表面にＮｉ−ＰメッキあるいはＮｉ−Ｐ／Ａｕメッキを施した電極構造とし、セラミック基板の回路パターンと主電流が流れる電極間を低熱膨張率の複合部材で結線し、それぞれの接合部を実施例１の高温半田材で接合した。

半導体デバイスの裏面電極は表層が通常はＴｉ／Ｎｉ／ＡｕあるいはＣｒ／Ｎｉ／ＡｕあるいはＶ／Ｎｉ／Ｃｕで構成されており、外部と接続する金属電極部材はＣｕ、あるいはＣｕにＮｉメッキあるいはＮｉ−Ｐメッキした部材が使われている。前記実施例１の半田は、上記部材に対して濡れ性に優れるため接合が容易に行え、また半田の固相温度が２８０℃以上と高いため、２６０℃リフロー耐性があり、完全に鉛不使用化を図ったパワー半導体装置を実現できる。

また、セラミック基板を用いるパワー半導体装置では、セラミック基板の熱膨張率が３.０ppm〜４.６ppmと低いため、半導体デバイスを搭載しても接合部に大きな熱歪を発生しない。また接合面をＮｉ−Ｐメッキ膜とすると、２５０℃−１５００ｈｒの高温保持においても実施例１の高温半田との接合界面にＮｉ−Ｓｎ化合物が数μｍ以上の厚さには成長せず、クラックやボイド等の成長も無く、高い高温信頼性が得られた。また、接合界面には大きな熱歪が発生しないため、温度差が大きい温度サイクルが加わっても半田材料が疲労破壊を生じることもなく、高い温度サイクル信頼性が得られた。本実施例では、このように高い耐熱信頼性と高い温度サイクル信頼性を有する完全鉛不使用化を図ったパワー半導体装置を提供できる。またさらには、半導体デバイスの主電流電極とセラミック基板の金属パターン間を低熱膨張部材で結線し、実施例１の高温半田で接合したことにより、いずれの接合部においても大きな熱歪が発生せず、パワー半導体装置として非常に高い信頼性を得ることができる。

以下、本実施例を詳しく説明する。図４は、本実施例のパワー半導体モジュールの断面構造を示す。図４において、Ｓｉ半導体チップに形成したＩＧＢＴやダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体デバイス３１はセラミック基板３２に搭載され、さらにヒートシンク３７に搭載されている。パワー半導体デバイス３１とセラミック基板３２は金属回路パターン３３を介して、実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田３６によって接合されている。セラミック基板３２とヒートシンク３７は、金属ベタパターン３５を介してＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの中温半田３８（融点：２１７℃〜２２２℃）で接合されている。パワー半導体デバイス３１の主電流電極及び制御電極はセラミック基板３２上の別の金属回路パターン３４に低熱膨張率のＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ／Ｃｕ複合リード４１で結線し、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田４３、４４で接合している。また、外部取り出し用リード４２は、セラミック基板３２上の金属回路パターン３４にＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田４５で接合されている。ヒートシンク３７上のセラミック基板３２とパワー半導体デバイス３１と接続用のＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ／Ｃｕ複合リード４１は、モールド樹脂４６で覆われている。ヒートシンク３７と放熱フィン３９は高熱伝導樹脂４０で接着されている。セラミック基板３２の材質はＡｌＮまたはＳｉ₃Ｎ₄で構成され、金属回路パターン３４および金属ベタパターン３５はＣｕ製でその表面にＮｉ−Ｐメッキが施されている。パワー半導体デバイス３１の裏面電極はＴｉ／Ｎｉ／Ａｕのメタライズが施されて接合に供されている。また、パワー半導体デバイス３１の主電流電極及び制御電極は、Ａｌ電極の上にＮｉ−Ｐメッキが施されている。

本実施例によれば、セラミック基板３２とパワー半導体デバイス３１の裏面電極の接合と、低熱膨張リードを介したパワー半導体デバイス３１の主電流電極および制御用電極とセラミック基板３２の回路パターン間の接合と、外部取り出しリードとセラミック基板３２との接合にＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田を用い、セラミック基板３２とヒートシンク３７の接合にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの中温半田を用いているため、半導体装置の完全鉛不使用化が図れる。

また、本実施例によれば、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田とＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの中温半田両者の溶融温度に差があるため、階層半田接合が可能で接合組立てが容易となる。さらに、半導体デバイスの主電流電極及び制御用電極部の接合がＡｌワイヤのボンディングではなく、低熱膨張部材の接合となっているため、パワー半導体デバイス３１との熱膨張差を小さくできて、この電極接合部の温度サイクル信頼性を向上できる。その結果、パワー半導体装置全体の信頼性を大幅に改善できる。また、パワー半導体デバイス３１の上下の電極接合部の耐熱性を大幅に向上できるため、パワー半導体デバイス３１の許容温度を高めることができ、その結果、通電可能な許容電流を向上でき、装置の寸法を変えないで大容量化が図れる。

以上詳述したように、本実施例によれば、パワー半導体デバイスの裏面電極と、外部と接続する金属電極部材を、４２ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％、３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％、かつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％の組成を有するＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系の高温半田材で接合した構造としたことにより、２６０℃リフロー耐性、２００℃−１０００ｈ以上の耐熱信頼性と高い温度サイクル信頼性を有する完全鉛不使用化を図ったパワー半導体装置を提供できる。

図５は、本実施例の高周波モジュールの断面説明図であり、実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ高温半田を適用した例を示す。図５において、セラミック基板５３の上には受動素子５１、５２と高周波半導体デバイス６０が搭載されている。受動素子５１、５２は、セラミック基板５３の回路端子５４、５６に実施例１の高温半田５８、５９で接合されている。受動素子５１、５２の電極端子表面にはＮｉ／Ａｕメッキが施され、セラミック基板５３の回路端子にもＮｉ／Ａｕメッキが施されている。高周波半導体デバイス６０にはＣｕバンプ６１が形成されており、その表面にＳｎメッキが施されて接合に供されている。接合は、Ｃｕバンプ６１表面のＳｎを溶融させてＡｕ−Ｓｎ共晶反応を利用して接合している。接合温度は３００℃以上に加熱している。このため、Ａｕ−Ｓｎ共晶接合部６２には、Ｃｕが拡散混入して接合されている。セラミック基板５３のデバイス搭載側は樹脂６３で覆われて保護された構造になっている。

組立手順は、まずセラミック基板５３に実施例１の高温半田ペーストを印刷供給し、次に受動素子５１、５２を搭載してから、Ｎ₂ 雰囲気中で３６０℃に加熱して半田接合する。次に、大気中に取り出した後、高周波半導体デバイス６０をフリップチップ搭載する。フリップチップ接合法は、パルスヒートの熱圧着法である。最後にトランスファーモールドによってセラミック基板の片面に樹脂６３を被せている。

以上詳述したように、本実施例によれば、受動素子部品やダイオード部品など高周波半導体デバイスの接合に、４２ｗｔ％≦Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％、３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％、かつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％の組成を有するＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系の高温半田材で接合した構造としたことにより、２６０℃リフロー耐性を有する完全鉛不使用化を図った電子部品を提供できる。

本実施例によれば、接合材料に鉛不使用の高温半田材料を使用しているため、環境負荷の少ない高周波モジュールを提供できる。また、高周波モジュール内の接合部が全て２８０℃以上の高融点材料で構成されているので、本モジュールを電子装置に実装する時に２６０℃に再加熱されることがあっても、モジュール内の短絡や断線といった問題を生じず、２６０℃リフロー耐性の高い高周波モジュールを提供できる。さらには、各接合部は接合強度が高く耐食性がある材料で接合されており、しかも硬質の樹脂６３で覆われているので、温度サイクル信頼性、高温高湿信頼性に優れた高周波モジュールを提供できる。

図６は、本実施例のパワー半導体パッケージの断面説明図であって、実施例１の高温半田を適用した例を示す。図６において、半導体デバイス７１が熱膨張率８ppm〜１２ppmのＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ積層板からなる応力緩衝板７３を介してＣｕ製あるいはＣｕを主成分とする合金製のダイパッド７２に実施例１の高温半田７４、７５によってダイボンディングされている。すなわち、半導体デバイス７１の裏面電極を接続する金属電極パターン部材であるダイパッド７２接合面に、実施例２の半田ペーストを供給し、その上に応力緩衝板７３を配置し、さらにその上に実施例２の半田ペーストを供給し、半導体デバイス７１を位置決めして搭載し、その後に１００℃〜３００℃の高温環境下で液状あるいはクリーム状の有機材料を予め揮発・分解させて乾燥・除去し、次に還元雰囲気中で３５０℃〜４００℃に昇温して高温半田材を溶融させてダイボンディングする。

半導体デバイス７１の裏面電極の表面にはＴｉ、or Ｖ、or Ｔａ／Ｎｉ／Ａｕ、or Ａｇが３層に積層して形成されている。応力緩衝板７３とダイパッド７２の表面は、メッキ無しのＣｕあるいは、Ｎｉメッキを施してある。半導体デバイス７１上面の電極と外部取り出し用のリード端子７６間はＡｌワイヤ７８で結線されている。半導体デバイス７１とＡｌワイヤ７８とダイボンデイング部の全体及びダイパッド７２とリード端子７６の一部を覆うように樹脂７９がモールドされている。

本実施例によれば、接合材料に鉛不使用の半田を使用しているため、環境負荷の少ないパワー半導体パッケージを提供できる。また、接合材料が高い強度で硬い材質であるため、従来技術では接合材の部分で負担していた熱歪を、半導体デバイス７１やダイパッド７２に分散でき、同時に、半導体デバイス７１とダイパッド７２間にＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ／Ｃｕ低熱膨張材の応力緩衝板７３を挟んだため、半導体デバイス７１に加わる熱応力を低減でき、チップ割れを防止できると同時に接合材料の熱疲労寿命を大幅に伸ばすことが可能となり、生産性を落とすことなく高い信頼性のパワー半導体パッケージを提供できる。

図１７に、セラミックコンデンサーを本発明による高温半田で実装した電子部品の断面構造図を示す。図１７において、高誘電率材料を金属電極で挟んだ構造を内部に有するセラミックコンデンサー８１の両端には、表面にＮｉめっき膜が形成された接続用の電極端子８２、８３が形成されている。その電極端子に、外部に接続するための金属リード部材８４、８５が本発明による高温半田８６、８７で接続されている。

金属リード部材の素材はＣｕ合金で、表面に約５μｍ厚さのＮｉめっきが施されている。高温半田の組成は、Ｓｎ-３５Ｓｂ−１０.８Ａｇ−８.７Ｃｕである。金属リードの一部と接合部およびコンデンサー本体は、熱硬化型の絶縁樹脂８８でモールドされている。

組立は、ロジン系のフラックスと粒径０.０２mm〜０.０５mmに調整した本発明の高温半田の粉を混合して作製したペーストを電極端子にディスペンサーから塗布し、金属リード部材を位置合わせして、縦方向にセットし、窒素雰囲気のコンベア炉で余熱温度１８０℃、ピーク温度３８０℃に急速加熱して接合し、組立てている。その後、洗浄工程でフラックス残渣を洗浄除去して、射出成型機でモールドしている。なお、図１８に作製したＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金の機械的特性を示す。図１８に示すように、Ｎo.３の３５Ｓｂ合金が高温２００℃における強度と伸びが高く、機械的に最も優れた組成であることが分かる。このＮo.３の３５Ｓｂ合金は、２００℃の高温で伸びが大きいため、接合後の冷却過程で熱応力が緩和される効果が大きく、Ｓｂ量の少ない合金の方が、接合品の残留応力を小さくできる。

本実施例に拠れば、接合材料としての高融点のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金を用いて電極端子とリード部材を接合しているので、２６０℃リフロー耐性を有する鉛フリーの電子部品を提供できる。また、接合材料の破断強度が高く常温では降伏しないため、温度サイクル信頼性が高い電子部品を提供できる。

図１９は、半導体ダイオードを本発明による高温半田で実装した電子部品の断面構造を示す。図１９では省略しているが、ダイオードデバイス９１の上下の電極は３μｍ圧のＡｌ蒸着膜の上に２μｍ厚の無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した構成としている。図１９において、Ｃｕ合金で構成した上下の金属リード９２、９３は、Ｓｎ−３５Ｓｂ−１０.８Ａｇ −８.７Ｃｕ 合金の高温半田９４、９５でダイオードデバイス９１の上下の電極にそれぞれ接合されている。金属リードの一部とダイオードデバイス９１との接合部はエポキシ封止樹脂９６でモールドされて保護されている。図１９では省略しているが、封止樹脂から出ている金属リード部にはＣｕ合金の表面にＳｎＣｕめっきが施されている。

本実施例に拠れば、接合材料として高融点のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金を用いて電極と金属リードとを接合しているので、２６０℃リフロー耐性を有する鉛フリーの電子部品を提供できる。また、ダイオードデバイス９１の電極の下地にＡｌ蒸着膜を形成しているため、金属リードおよび高温半田材とＳｉのダイオードデバイスとの熱膨張差で生じる熱歪が、これらの部材と比べて柔らかいＡｌ蒸着膜の変形で吸収されるため、デバイスや接合部に加わる熱応力を低減でき、デバイスの損傷や接合部の熱疲労を防いで高い信頼性の電子部品を提供できる。

実施例３のパワー半導体モジュールの断面構造の説明図。 実施例２の高温半田ペースト材の構成の説明図。 実施例２の高温半田ペースト材の仕様と特性測定結果。 実施例４のパワー半導体モジュールの断面構造の説明図。 実施例５の高周波モジュールの断面構造の説明図。 実施例６のパワー半導体パッケージの断面構造の説明図。 実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の固相・液相線温度のＳｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）比率依存性の説明図。 実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の固相・液相線温度のＡｇ濃度依存性の説明図。 実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の固相・液相線温度のＣｕ濃度依存性の説明図。 実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系半田硬さのＡｇ濃度依存性の説明図。 実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系半田硬さのＣｕ濃度依存性の説明図。 実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系半田硬さのＮｉ濃度依存性の説明図。 実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田の固相・液相線温度と硬さの（Ａｇ＋Ｃｕ）濃度依存性の説明図。 実施例１のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田のＣｕ及びＮｉに対する濡れ試験結果の説明図。 実施例２のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田ペーストのＣｕ及びＮｉに対する濡れ試験結果の説明図。 Ｓｎ−Ｓｂ合金の２元状態図。 実施例７の電子部品の断面構造の説明図。 実施例７で作製したＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金の機械的特性の説明図。 実施例７の電子部品の断面構造の説明図。

符号の説明

１…高温半田粒、２…有機溶剤、１１、３１…パワー半導体デバイス、１２、３２、５３…セラミック基板、１３、１４、３３、３４…金属回路パターン、１５、３５…金属ベタパターン、１６、３６、４３、４４、４５…Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温半田、１７、３７…ヒートシンク、１８、３８…中温半田、１９、３９…放熱フィン、２０、４０…高熱伝導樹脂、２１、７８…Ａｌワイヤ、２２…樹脂ケース、２３…ゲル状シリコーン樹脂、２４…外部取り出しリード、４１…Ｃｕ／Ｆｅ−Ｎｉ／Ｃｕ複合リード、４２…外部取り出し用リード、４６…モールド樹脂、５１、５２…受動素子、５４、５６…回路端子、５８、５９、７４、７５、８６、８７、９４、９５…高温半田、６０…高周波半導体デバイス、６１…Ｃｕバンプ、６２…Ａｕ−Ｓｎ共晶接合部、６３、７９…樹脂、７１…半導体デバイス、７２…ダイパッド、７３…応力緩衝板、７６…リード端子、８１…セラミックコンデンサー、８２、８３…電極端子、８４、８５…金属リード部材、８８…絶縁樹脂、９１…ダイオードデバイス、９２、９３…金属リード、９６…エポキシ封止樹脂。
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Claims (14)

1. Ｓｎと、Ｓｂと、Ａｇと、Ｃｕとを主要構成元素とした半田材において、
   該半田材の組成が、４２ｗｔ％＜Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％であって、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％であり、３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％であって、かつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％であり、残りが他の不可避的不純物元素から構成されることを特徴とする半田材。
2. 請求項１に記載の半田材において、前記半田材が０.０１ｗｔ％〜２.０ｗｔ％のＮｉを含有することを特徴とする半田材。
3. 半田材と有機材料とを含む半田ペーストにおいて、
   該半田ペーストが含有する半田材が、Ｓｎと、Ｓｂと、Ａｇと、Ｃｕとを主要構成元素とし、
   該半田材の組成が、４２ｗｔ％＜Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％であって、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％であり、３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％であって、かつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％であり、残りが他の不可避的不純物元素から構成され、
   前記有機材料が、Ｃと、Ｏと、Ｈのみの元素で構成されることを特徴とする半田ペースト。
4. 請求項３記載の半田ペーストにおいて、
   前記半田材が、メッシュ状の篩いで分粒した粒径が１００〜５００μｍであり、前記有機材料の沸点が１５０〜４００℃であることを特徴とする半田ペースト。
5. 請求項３または請求項４の何れかに記載の半田ペーストにおいて、
   前記有機材料が、エチレングリコール群、アルコール群、グリセリン群から１種以上選択された材料で構成されていることを特徴とする高温半田ペースト。
6. パワー半導体デバイスを半田材を介して金属導体に接続したパワー半導体装置において、
   前記パワー半導体デバイスと前記金属導体とが、Ｓｎと、Ｓｂと、Ａｇと、Ｃｕとを主要構成元素として、４２ｗｔ％＜Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％で３≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％でかつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％であり、残りが他の不可避的不純物元素から構成される半田材を介して接合されていることを特徴とするパワー半導体装置。
7. 請求項６に記載のパワー半導体装置において、
   前記パワー半導体デバイスが裏面電極を備え、
   前記金属導体がセラミック配線基板上に配置した金属回路パターンであって、
   該セラミック配線基板上の金属回路パターンと該パワー半導体デバイスの裏面電極とが、前記半田材を介して接合され、
   前記パワー半導体デバイスの前記金属回路パターン側の主電流電極と、制御用電極と、セラミック配線基板の金属回路パターンとの間を、ワイヤあるいはリード状の電気接続導体で結線したことを特徴とするパワー半導体装置。
8. 請求項７に記載のパワー半導体装置において、
   前記セラミック基板の金属回路パターンがＣｕで形成され、該金属回路パターンの表面がＮｉ−Ｐメッキされていて、
   前記パワー半導体デバイスの裏面電極の最表面が、Ｎｉ−ＰメッキあるいはＮｉ−Ｐ／Ａｕメッキされていることを特徴とするパワー半導体装置。
9. 請求項６に記載のパワー半導体装置において、
   前記パワー半導体デバイスと前記金属導体とが、ＣｕとＦｅ−Ｎｉ合金とＣｕとを積層した複合材料板を介して、前記半田材で接合されていることを特徴とするパワー半導体装置。
10. 請求項９に記載のパワー半導体装置において、前記金属導体が、ダイパッドであることを特徴とするパワー半導体装置。
11. 請求項１に記載の半田材の微粒子と、ロジンと有機酸と有機溶剤とを含む液状またはクリーム状の有機材料とを、混合したことを特徴とする半田ペースト。
12. 受動素子あるいは半導体素子の第１の電極と外部導出用の第１の金属リード部材、および第２の電極と第２の金属リード部材とが、４２ｗｔ％＜Ｓｂ／（Ｓｎ＋Ｓｂ）≦４８ｗｔ％で、５ｗｔ％≦Ａｇ＜２０ｗｔ％であり、３ｗｔ％≦Ｃｕ＜１０ｗｔ％であって、かつ５ｗｔ％≦Ａｇ＋Ｃｕ≦２５ｗｔ％であり、残りが他の不可避的不純物元素から構成される半田材、あるいは前記組成に０.００１ｗｔ％〜２.０ｗｔ％のＮｉを添加した組成の半田材で接合された構造になっていることを特徴とする電子部品。
13. 請求項１２に記載の電子部品において、前記電極が最表層あるいは表層２層目にＮｉ層あるいはＮｉＰ層が形成されていることを特徴とする電子部品。
14. 請求項１２記載の電子部品において、前記金属リード部材が、Ｃｕ含有量９９.９ｗｔ％以上、ビッカース硬さ（Ｈｖ）６０以下のＣｕ材料で構成されていることを特徴とする電子部品。

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