本发明专利技术提供一种接合材料及其的制造方法以及半导体装置，在Ａｌ系合金层（１０２）的最表面设置了Ｚｎ系合金层（１０１）。该接合材料的上述Ａｌ系合金层（１０２）的Ａｌ含有率为９９～１００ｗｔ．％或上述Ｚｎ系合金层１０１的Ｚｎ含有率为９０～１００ｗｔ．％。通过使用该接合材料，在连接时能够抑制接合材料的表面的Ａｌ氧化膜的形成，能够得到用Ｚｎ－Ａｌ合金不能得到的良好的浸润性。另外，在接合后存留有Ａｌ系合金层的场合，由于柔软的Ａｌ作为应力缓冲材料发挥功能，所以能够得到很高的接合可靠性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
作为本专利技术者研究的技术，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°C,较高，在进行回流接合时 要设想接合部能加热到最高260。C。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。C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。C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°C)， 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画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号公才艮)和专利文献2 (特开2004 -358540号公报)中，是通过做成l 7wt.0/oAl、 0.5-6 wt.%Mg、 0.1 20 wt.%Ga、 0細~0.5 wt.0/0P、余量为Zn， 2~9 wt.%Ge、 2~9 wt.%Al、 0.001~0.5 wt.%P、 余量为Zn，或2~9wt.%Ge、 2~9wt.%Al、 0.01~0.5 wt.%Mg、 0細 0.5 wt.%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」降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。
技术实现思路
本专利技术者考虑了是否能由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-AI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。本专利技术考虑到了这些问题，提供的接合材料能够适用于接合具有260°C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专利技术的新颖'性特征。如下简单地说明本申请中公开的专利技术中的代表性的内容的概要。 本专利技术提供一种在Al系合金层的最表面设置了 Zn系合金层的接合材料。特别提供一种上述A1系合金层的Al含有率为99 100wt。/。的接合材料或上述 Zn系合金层的Zn含有率为卯 100wt.。/。的接合材料。另外，本专利技术提供一种接合材料的制造方法，是将由在Zu系合金层上的 Al系合金层以及在其上的Zn系合金层构成的接合材料，通过包层压延或加压 成形来制造。另外，本专利技术还提供使用上述接合材料将半导体元件接合在框架上的半导 体装置(管芯焊接构造)、将金属罩接合在基板上的半导体装置(气封构造)、 通过凸起接合的半导体装置(翻装晶片构造)。 附图说明图l是显示现有的半导体装置的构造的图。图2是说明在图1的半导体装置上再熔融了的焊料而形成的溢出的图。图3是说明本专利技术的实施方式的包层压延的图。图4是说明本专利技术的实施方式的加压成形的图。图5是显示本专利技术的实施方式中的接合材料的截面的图。图6是显示在本专利技术的实施方式中使用了表1的接合材料(实施例1 12)的半导体装置的截面的图。图7是显示在图6的半导体装置中接合材料形成的接合部的截面照片的图。图8是显示本专利技术的实施方式中使用了表1的接合材料(实施例13~24)的另外的半导体装置的截面的图。图9是显示图6的半导体装置中的接合材料一体型的金属罩的图。图IO是显示本专利技术的实施方式中的使用了表I的接合材料的另一个半导体装置的截面及安装构造的图。具体实施例方式以下基于附图详细说明奔放的实施方式。另夕卜，在用于说明实施方式的全 图中，作为原则对同一的部件付与同一符号，并省略重复说明。 本专利技术的实施方式的扭i要第1专利技术提供一种在Al系合金层的最表面设置了 Zn系合金层的接合材 料。由于Zn-Al系合金有Al成分，所以在熔融的瞬间，在表面形成A1氧化物 膜，因此如果不机械性破坏氧化物膜就不能得到充分的浸润性。由于本专利技术的 接合材料的表面是仅作为杂物含有Al的Zn系合金，所以在接合时，能够在 Zn系合金与Al系合金反应形成Al氧化物膜之前确保充分的浸润性。另外， 由于在接合时熔融部为Zn-Al系合金，所以，熔点降至380。C左右。由此，由 于比Zn的熔点420。C低，所以与纯Zn相比，能够减少接合后的冷却时发生的 热应力，能够抑制半导体元件的破坏。通过在接合时使A1合金层留存，较软 的Al可作为应力緩沖材料发挥功能，因此能够提高接合可靠性。既便在接合 时温度不上升到Zn的熔点的420°C，只要是380。C以上的温度，在相接触的 Zn层与Al层之间产生扩散，形成熔点380。C的Zn-Al共晶，由此能够接合。第2专利技术是提供一种上述Al系合金层的Al含本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种接合材料，其特征在于：由Ａｌ系合金层和设置于上述Ａｌ系合金层的最表面的Ｚｎ系合金层构成。
【技术特征摘要】
JP 2006-11-21 2006-3141681.一种接合材料，其特征在于由Al系合金层和设置于上述Al系合金层的最表面的Zn系合金层构成。2. 根据权利要求1所述的接合材料，其特征在于上述Al系合金层的 Al含有率为99 100wt.%。3. 根据权利要求1所述的接合材料，其特征在于上述Zn系合金层的 Zn含有率为90~100wt.%。4. 一种接合材料的制造方法，其特征在于通过在第一Zn系合金层上层 叠A1系合金层，在上述A1系合金层上层叠第二Zn系合金层，然后进行包层 压延或加压成形来制造。5. —种半导体装置，其特征在于，包括半导体元件；连接上述半导体元件的框架； 一端成为外部端子的引线；连 接上述引线的另 一端和上述半导体元件的电极的金属线；以及将上述半导体元 件及上述金属线进行树脂封装的树脂；接...
【专利技术属性】
技术研发人员：池田靖，冈本正英，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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