特許 6029756 半導体装置及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6029756

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】半導体装置及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/52 20060101AFI20161114BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20161114BHJP

   B23K 20/00 20060101ALI20161114BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/52 A

   H01L21/60 301F

   H01L21/60 301A

   H01L21/52 D

   H01L21/52 E

   B23K20/00 310L

【請求項の数】16

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-526185(P2015-526185)

(86)(22)【出願日】2014年3月27日

(86)【国際出願番号】JP2014058852

(87)【国際公開番号】WO2015004956

(87)【国際公開日】20150115

【審査請求日】2015年10月2日

(31)【優先権主張番号】特願2013-144181(P2013-144181)

(32)【優先日】2013年7月10日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100073759

【弁理士】

【氏名又は名称】大岩 増雄

(74)【代理人】

【識別番号】100088199

【弁理士】

【氏名又は名称】竹中 岑生

(74)【代理人】

【識別番号】100094916

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 啓吾

(74)【代理人】

【識別番号】100127672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 憲治

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 浩次

(72)【発明者】

【氏名】荒木 健

【審査官】 儀同 孝信

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０３２８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３８３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５４２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１８６３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０６４８７３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／５２

Ｂ２３Ｋ ２０／００

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子が実装基板に接合された半導体装置であって、
前記実装基板に形成された第１のＡｇ層と、前記半導体素子に形成された第２のＡｇ層との間に挟持された合金層を備え、
前記合金層は、
第１のＡｇ層及び第２のＡｇ層のＡｇ成分と、Ｓｎによって形成されたＡｇ３Ｓｎの金属間化合物を有し、Ａｇを含んだ複数のワイヤが当該合金層の外周側から延伸して配置されたことを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記ワイヤは、同一の方向に延伸して配置されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記ワイヤは、前記合金層の外周側から放射状に延伸して配置されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

【請求項4】

前記ワイヤの材質は、Ａｇ以外に、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ，Ｔｉ、Ｐのうち少なくとも１種類以上添加されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料であり、シリコンカーバイド、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項6】

半導体素子が実装基板に接合された半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
前記実装基板に形成された第１のＡｇ層に、Ａｇを含んだ複数のワイヤが平行に又は放射状に配置されたワイヤ構造体を形成するワイヤ構造体形成工程と、
前記ワイヤ構造体の外形面積よりも実装面の面積が小さくて、前記実装面に第２のＡｇ層が形成された前記半導体素子を、前記ワイヤ構造体に、Ｓｎ層を介在させて搭載する半導体素子搭載工程と、
前記半導体素子搭載工程の後に、熱処理を行い、前記実装基板と前記半導体素子とが接合された接合部に、Ａｇ３Ｓｎの金属間化合物を有する合金層を形成する合金層形成工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項7】

前記ワイヤ構造体形成工程において、前記ワイヤ構造体は、外周側に当該ワイヤ構造体の最大高さとなる屈曲部を有するように形成され、
前記半導体素子搭載工程において、前記半導体素子は、前記ワイヤ構造体における最大高さの８０％よりも低い領域に搭載されることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。

【請求項8】

前記ワイヤ構造体形成工程は、前記ワイヤを互いに平行になるように前記第１のＡｇ層に接続するワイヤ接続工程を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項9】

前記ワイヤ構造体形成工程は、前記ワイヤを前記ワイヤ構造体の外側から内側に延伸させながら前記第１のＡｇ層に接続するワイヤ接続工程を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項10】

請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のＡｇ層及び前記第２のＡｇ層の厚さをｚとし、前記ワイヤのワイヤ直径をｘとし、前記ワイヤが配置されるピッチをｙとした場合に、
ｙ＝２．５ｘ、ｚ≧０．５３ｘ、ｚ≧０．２１ｙ
を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項11】

請求項１０記載の半導体装置の製造方法において、
前記Ｓｎ層の厚さをｔとした場合に、
ｔ≧０．６８ｘ、ｔ≧０．２７ｙ
を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項12】

請求項６から１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ワイヤのワイヤ直径が、１２μｍ以上で５０μｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項13】

請求項６から１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１のＡｇ層及び前記第２のＡｇ層の厚さが、６．３μｍ以上で２６．３μｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項14】

請求項８、１０、１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ワイヤが配置されるピッチが、３０μｍ以上で１２５μｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項15】

請求項１１記載の半導体装置の製造方法において、
前記Ｓｎ層の厚さが、９μｍ以上で３５μｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項16】

請求項６から１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記Ｓｎ層は、Ｓｎ以外に、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ，Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅのうち少なくとも１種類以上含まれていることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体素子を実装する実装基板と半導体素子等との金属接合や、半導体素子とリード端等の金属接合に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体装置に対する信頼性の要求はますます高まり、特に熱膨張係数差の大きい半導体素子と回路基板との接合部に対する信頼性向上が強く求められている。従来、半導体素子はシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）を基材としたものが多く使われ、その動作温度は１００℃〜１２５℃である。半導体素子を電子回路の電極に接合するはんだ材料としては、半導体素子と回路基板との熱膨張の差に起因する繰り返し熱応力に対する耐クラック性、組み立てる際の多段階はんだ接合に対応するための高融点、さらにデバイスの汚染耐性の点などから、Ｓｉデバイスでは９５Ｐｂ−５Ｓｎ（質量％）、ガリウム砒素デバイスでは８０Ａｕ−２０Ｓｎ（質量％）などが使われてきた。しかしながら、環境負荷低減の観点から有害な鉛（Ｐｂ）を大量に含有する９５Ｐｂ−５Ｓｎは問題があり、また貴金属の高騰や埋蔵量の点から８０Ａｕ−２０Ｓｎは代替材が強く望まれていた。

【0003】

一方、省エネルギーの観点から次世代デバイスとして、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）を基材としたデバイスの開発が盛んになされている。これらは、電力損失低減の観点からその動作温度が１７５℃以上とされており、将来的には３００℃になるとも言われている。

【0004】

上記要求に対して、融点が高く、しかも耐熱性に優れた高温はんだ材（高温はんだ合金）が必要である。このようなはんだ合金は、これまで、溶融温度が３００℃前後のＰｂベースのはんだ合金であった。例えば、Ｐｂ−１０Ｓｎ（質量％）、Ｐｂ−５Ｓｎ（質量％）、Ｐｂ−２Ａｇ−８Ｓｎ（質量％）、Ｐｂ−５Ａｇ（質量％）などがあり、主にＰｂが主成分となっている。Ｐｂ−１０Ｓｎの固相線温度は２６８℃であり、その液相線温度は３０２℃である。Ｐｂ−５Ｓｎの固相線温度は３０７℃であり、その液相線温度は３１３℃である。Ｐｂ−２Ａｇ−８Ｓｎの固相線温度は２７５℃であり、その液相線温度は３４６℃である。Ｐｂ−５Ａｇの固相線温度は３０４℃であり、その液相線温度は３６５℃である。

【0005】

ところで、環境保護の観点から、最近では、はんだ付け技術全般において、Ｐｂ系はんだ合金に代えて、Ｐｂフリーはんだ合金を用いることが求められている。当然、従来の半導体装置に使用されてきた前述のようなＰｂ−Ｓｎ系高温はんだについても、Ｐｂフリーはんだ合金の使用が求められている。

【0006】

しかしながら、Ｐｂフリーはんだ合金はこれまで種々提案されてきたが、Ｓｎが主成分であり、固相線温度が２６０℃以上の高温はんだ合金はなかった。例えば、固相線温度（共晶温度）が２２１℃のＳｎ−Ａｇ系はんだ合金において、Ａｇを増やしていくと液相線温度は上がるが、固相線温度は上がらない。固相線温度２２７℃のＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金では、固相線温度を高くするために、Ｓｂを極端に増やした場合、液相線温度も極端に上がってしまう。そして、これらに他の元素を添加しても、そのような特性を変えることはできない。したがって、従来から、Ｐｂフリーはんだ合金では、３００℃でも溶融しない、はんだとして使用可能なものはないと考えられている。

【0007】

そこで、高温はんだ合金を使用しない接合技術が検討されてきた。この高温はんだ合金を使用しない接合技術として検討されたのは、Ｓｎが主成分の鉛フリーはんだと比較して溶融温度の高い金属間化合物を用いて接合する方法である。その中でも特に、Ｓｎへの拡散が早く、比較的低温で金属間化合物が形成されるＡｇを用いたＡｇとＳｎの金属間化合物（Ａｇ３Ｓｎ）で接合する方法が有望である。

【0008】

例えば、特許文献１には、Ｐｂフリーで温度階層接続の高温側のはんだ接続に用いることのできる複合はんだが記載されている。特許文献１の複合はんだは、Ｃｕからなる金属網が２枚のはんだ箔によって挟まれて圧着された構成からなり、このように、金属網とはんだ箔とを重ねて圧延することにより、はんだ箔のＳｎが金属網の隙間に入り込み、加熱後はＣｕとＳｎの金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５）が形成され、高耐熱化が図れる事が示されている。また、特許文献１には、Ｃｕ以外にＡｇ網も同様に有力候補であり、高融点の金属間化合物であるＡｇ３Ｓｎ化合物では、２８０℃でも溶けない連結接続が可能となることが示されている。同様に硬く、かつ融点の低い合金系として、Ｃｕ−Ｓｎ系（例えばＣｕ６Ｓｎ５）も、同様な対応が可能であると示されている。

【0009】

他に、特許文献２には、チップ（半導体素子）とダイを接合するための接合シートが記載されている。特許文献２の接合シートは、溝加工のあるＡｇシートやＡｇワイヤを縦横に編んだメッシュ状シートであり、このＡｇシートの表面は厚さ０.３〜２.０μｍのＳｎめっきが施され、加圧、加熱する事で、加熱時にＡｇシートのコアから次々に溶解や拡散によってＡｇが供給される。このため、特許文献２の接合シートは、最終的に形成されるＡｇ−Ｓｎ層の融点を４７０℃以上に高めることができ、耐熱性の高い接合部とすることができ、また、溝空間のあるＡｇシートが柔らかくて熱歪みを吸収し、信頼性を向上させると示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００４−１７４５２２号公報（００２４段〜００５３段、００６９段、図１、図８）

【特許文献2】特開２０１２−００４５９４号公報（００５８段〜００６０段、図１３、図１４）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、特許文献１の複合はんだにおいて、Ａｇ網を使用した場合は、Ｓｎが溶融したときにＡｇ網がある箇所のみ、ＡｇがＳｎと拡散し、高融点のＡｇ３Ｓｎが形成され、空間的に四方がこのＡｇ３Ｓｎで囲まれてしまい、Ｓｎが溶融した際に、一部は空気を巻き込んで溶融するため、少なからずボイドが内部に存在することになる。また、Ａｇ３Ｓｎが形成されるときに体積収縮が起こるため、ボイドを完全に無くすのは困難である。この溶融Ｓｎ中のボイドは四方が高融点のＡｇ３Ｓｎで囲まれてしまうと、壁に囲まれたように動けなくなってしまうため、例え真空中で回路基板と半導体素子等とを接合していても、ボイドが抜けきらず、ボイドの多い接合部が形成されてしまう。特許文献２についても同様で、四方が高融点のＡｇ３Ｓｎで囲まれてしまうと、ボイドが抜けるルートが確保されないため、ボイドが多く発生しやすい。

【0012】

この他、回路基板と半導体素子等との接合部に高融点の金属間化合物を形成するために、Ａｇ網ではなく、Ａｇ粒を微細に分散させる方法なども考えられるが、一旦Ａｇ粒が均一に分布したとしても、溶融時には、Ｓｎが少なからず流動するため、Ａｇ粒が移動し、接合部が不均一になりやすい。そうすると、接合部の一部はＡｇ３Ｓｎが形成されるが、接合部の一部ではＳｎのみの箇所が出てしまい、接合部の耐熱性の確保が難しい。

【0013】

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、接合対象物間が接合された接合部において、ボイドが少ない高融点の金属間化合物を形成することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明の半導体装置は、実装基板に形成された第１のＡｇ層と、半導体素子に形成された第２のＡｇ層との間に挟持された合金層を備え、合金層は第１のＡｇ層及び第２のＡｇ層のＡｇ成分と、Ｓｎによって形成されたＡｇ３Ｓｎの金属間化合物を有し、Ａｇを含んだ複数のワイヤが当該合金層の外周側から延伸して配置されたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明の半導体装置によれば、Ａｇ３Ｓｎの金属間化合物を有する合金層にＡｇを含んだ複数のワイヤが接続された構造を備えたので、合金層１３が形成される際に少なからず発生するボイドが抜けるルートがワイヤ５間に確保されており、接合対象物間が接合された接合部において、ボイドが少ない高融点の金属間化合物を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施の形態１による半導体装置の断面図及び上面図である。

【図2】本発明の合金層を説明する図である。

【図3】金属間化合物Ａｇ３Ｓｎの基本特性を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する図である。

【図5】本発明の実施の形態１による半導体素子とワイヤの位置を説明する図である。

【図6】本発明の実施の形態１による半導体素子とワイヤの位置を説明する図である。

【図7】比較例による半導体素子とワイヤの位置を説明する図である。

【図8】比較例による半導体素子とワイヤの位置を説明する図である。

【図9】本発明の実施例に示す代表的な接合部の断面イメージおよび組成分析結果を示す図である。

【図10】本発明の実施例及び比較例の特性を示す図である。

【図11】本発明の実施例及び比較例の特性を示す図である。

【図12】本発明の金属間化合物Ａｇ３Ｓｎにおける温度及び時間毎の厚さを示す図である。

【図13】本発明の実施の形態２によるワイヤの配置を示す図である。

【図14】本発明の実施の形態２による半導体素子とワイヤの位置を説明する図である。

【図15】本発明の実施の形態２による半導体装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置の断面図及び上面図である。図１（ａ）は半導体装置の断面図であり、図１（ｂ）は半導体装置の上面図である。半導体装置３０は、シリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体材料を基材とした半導体素子９に形成されたＡｇ層１０と回路基板１２に形成されたＡｇ層４との間に狭持された合金層１３を備えており、合金層１３は、Ａｇ層４、Ａｇ層１０のＡｇ成分とＳｎによって形成されたＡｇ３Ｓｎの金属間化合物を有し、Ａｇを含んだ複数のワイヤ５が合金層１３の外周側から延伸して配置されている。半導体素子９を実装する実装基板である回路基板１２は、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｕｐｐｅｒ）基板であり、絶縁材２と、絶縁材２の上側に形成された上電極１と、絶縁材２の下側に形成された下電極３を備える。合金層１３は、金属間化合物であり、例えばＡｇ３Ｓｎである。合金層１３を形成するために、回路基板１２のＡｇ層４に複数のワイヤ５が配置されたワイヤ構造体２０が形成されている。複数のワイヤ５は、同一の方向に、合金層１３の外周側から延伸して配置されている。ワイヤ構造体２０は、半導体素子９のＸ方向の幅ｃ１、Ｚ方向の幅ｃ２よりも広い範囲に形成される。ワイヤ構造体２０のＸ方向の幅ｂ３、Ｚ方向の幅ｂ２である。図１（ｂ）では、複数のワイヤ５のうち、７本のワイヤ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇを明示的に記載した。複数のワイヤ５を配置するピッチは、ｂ１である。なお、ワイヤの符号は、総括的に５を用い、区別して説明する場合に５ａ乃至５ｇを用いる。

【0018】

ワイヤ構造体２０を構成する各ワイヤ５は、図１（ａ）、図１（ｂ）における左側に屈曲部１１を設けている。ワイヤ５は、半導体素子９の搭載位置から左外側に長さａ２だけ離した位置にボールボンド６が形成され、半導体素子９の搭載位置から右外側に長さａ３だけ離した位置にステッチボンド７が形成される。なお、屈曲部１１は任意の高さが可能だが、この屈曲部１１が最終的にループしたときに一番高い位置になる。長さａ１は、半導体素子９のＸ方向の幅ｃ１に長さａ２及び長さａ３を加えた長さである。ボールボンド６はワイヤ５のワイヤ径よりも大ききなり、ボールボンド６の左外側の端からステッチボンド７の右外側の端までの長さはｂ３である。

【0019】

次に、半導体素子９と回路基板１２とを接合する接合部に合金層１３を形成するにあたり、本発明の接合方法だと、合金層１３において金属間化合物Ａｇ３Ｓｎが形成され、かつＳｎが残存しないことを理論的に証明する。接合部の内部にＳｎが残存しないようにするには、形成条件の最適値があるにもかかわらず、特許文献１、２にはＡｇ３Ｓｎが形成されるとだけしか示されておらず、接合部の内部にＳｎが残存しないことが、理論的に証明されていない。すなわち、特許文献１、２で示されている数値限定の範囲では、Ｓｎが残存していないことを証明する根拠が不足している。

【0020】

図２は本発明の合金層を説明する図であり、図３は金属間化合物Ａｇ３Ｓｎの基本特性を示す図である。最初にＡｇ、Ｓｎ、Ａｇ３Ｓｎの基本的な物性について図３を用いて説明する。図３において、Ａｇ列はＡｇ３ＳｎのＡｇにおける数値であり、Ｓｎ列はＡｇ３ＳｎのＳｎにおける数値であり、合計列はＡｇ３Ｓｎにおける数値である。Ａｇ３Ｓｎは、ＡｇとＳｎとの構成比が原子％（ａｔ％）で３：１であるので、Ａｇ７５ａｔ％：Ｓｎ２５ａｔ％となる。これを、質量％（ｗｔ％）にするため、Ａｇの原子量を１０８ｇ／ｍｏｌ、Ｓｎの原子量を１１９ｇ／ｍｏｌとして計算すると、Ａｇ７３ｗｔ％：Ｓｎ２７ｗｔ％となる。さらに、これを、体積％（ｖｏｌ％）にするため、Ａｇの密度を１０．５ｇ／ｃｍ３、Ｓｎの密度を７．４ｇ／ｃｍ３として計算すると、Ａｇ６６ｖｏｌ％：Ｓｎ３４ｖｏｌ％となる。つまり、Ａｇの周りにＳｎが無限にあっても、Ａｇ３Ｓｎになるのは、Ａｇの体積の約半分（３４／６６＝０．５２≒０．５）で、それ以上のＳｎは拡散しないで残ってしまう。別の見方をすると、ＡｇがＡｇ３Ｓｎになると、Ａｇの体積の約０．５倍しか増大しない（すなわち、約１．５倍になる）という事になる。

【0021】

本発明の半導体素子９と回路基板１２とを接合する接合部における簡略的なモデルを用いて、接合部の内部にＳｎが残存しないことを説明する。Ａｇからなるワイヤ（適宜、Ａｇワイヤと称する）５ｃ、５ｄがＳｎ層８の内部に配置され、このＳｎ層８の上側にＡｇ層１０が配置され、Ｓｎ層８の下側にＡｇ層４が配置されている。このモデルは、本発明の被接合材（半導体素子９、上電極１）にＡｇめっきを施し、Ａｇワイヤが面内に一方向のみに張られていると共に、はんだ溶融時に流れないようにボンディングされており、その上からＳｎを溶融させて、Ａｇ３Ｓｎ（融点４７０℃程度）を形成する構成を、簡略的に表している。ワイヤ直径ｘのＡｇワイヤ５ｃ、５ｄが内包されたＳｎ層８の上下に厚さｚのＡｇ層１０、４があり、Ａｇワイヤ５ｃ、５ｄがあるピッチｙの間隔で並んでいる。図２における点ａは、Ａｇワイヤ５ｃの円とＡｇ層１０との接点であり、点ｃは、Ａｇワイヤ５ｃの円とＡｇ層４との接点である。図２における点ｂは、Ａｇワイヤ５ｄの円とＡｇ層１０との接点であり、点ｄは、Ａｇワイヤ５ｄの円とＡｇ層４との接点である。

【0022】

Ａｇワイヤ５のピッチは、ワイヤボンド装置によって、ある程度制限されてしまい、ワイヤ径ｘ（ワイヤ直径ｘ）に対し、ピッチｙはｙ＝２．５ｘ程度が限界である。ピッチｙの装置上の限界値を式（１）とする。ピッチｙは、式（２）の条件が必要である。これ以上ピッチを狭くすると、ワイヤボンド装置が隣接したワイヤに接触してしまう。例えば、φ１２μｍのＡｇワイヤであれば、ピッチ３０μｍ、φ２０μｍであれば、ピッチ５０μｍである。
ｙ＝２．５ｘ ・・・（１）
ｙ≧２．５ｘ ・・・（２）

【0023】

図２のように、点ａ、ｂ、ｃ、ｄで囲まれたＳｎ層８の内部における領域Ａ１に周辺のＡｇが拡散して、Ａｇ３Ｓｎが形成される必要がある。上述のとおり、ＡｇがＳｎ層８に移動してＡｇ３Ｓｎになると、Ａｇの体積の約０．５倍しか増大しないという結果を考慮すると、Ａｇ３Ｓｎにできる限界値は、以下の関係式が成り立つ。
Ａｇの供給量×０．５≧ａｂｃｄで囲まれた領域Ａ１ ・・・（３）

【0024】

この関係式（３）を、図２の断面において具体的に当てはめた計算式は、以下のように表せる。
０．５×（２ｙｚ＋π（ｘ／２）^２）≧（ｘｙ−π（ｘ／２）^２）
・・・（４）
ここで、左辺における２ｙｚは領域Ａ２と領域Ａ３の合計面積であり、左辺におけるπ（ｘ／２）^２は半円領域Ａ４と半円領域Ａ５の合計面積である。右辺は領域Ａ１の面積である。

【0025】

式（４）を変形すると、式（５）を経て式（６）になる。
ｙｚ＋１／８πｘ^２ ≧ ｘｙ−２／８πｘ^２ ・・・（５）
ｙｚ＋３／８πｘ^２ ≧ ｘｙ ・・・（６）

【0026】

ここで、上述のピッチｙの装置上の限界値を示す式（１）を式（６）に適用すると、式（７）〜（１０）を経て式（１１）になる。
２．５ｘｚ＋３／８πｘ^２ ≧ ２．５ｘ^２ ・・・（７）
２．５ｚ＋３／８πｘ ≧ ２．５ｘ ・・・（８）
２．５ｚ ≧ （２．５−３／８π）ｘ ・・・（９）
ｚ ≧ （（２．５−３／８π）／２．５）ｘ ・・・（１０）
ｚ ≧ ０．５３ｘ ・・・（１１）

【0027】

式（１１）に上述のピッチｙの装置上の限界値を示す式（１）を適用すると、式（１２）となる。
ｚ≧０．２１ｙ ・・・（１２）

【0028】

以上の結果をまとめると、Ａｇワイヤ直径ｘ、ピッチｙ、Ａｇ層の厚さｚには以下の３式が成り立つ。
ｙ＝２．５ｘ ・・・（１）
ｚ≧０．５３ｘ ・・・（１１）
ｚ≧０．２１ｙ ・・・（１２）

【0029】

更に、必要なＳｎの量も計算できる。Ｓｎの供給方法として箔状のＳｎ層８から供給することを考えると、Ｓｎ層８の必要な厚さｔは以下のように計算される。
ｔ≒（ｘｙ−π（ｘ／２）^２）／ｙ ・・・（１３）
式（１３）に式（１）を適用して、ｙまたはｘを消去すると、式（１４）、式（１５）のようになる。
ｔ≒０．６８ｘ ・・・（１４）
ｔ≒０．２７ｙ ・・・（１５）

【0030】

実際には、Ｓｎは、外へ濡れ広がるので、上記式（１４）、式（１５）よりもやや厚めに供給する必要がある。

【0031】

上記の結果をもとに、Ａｇワイヤ径ｘ、ピッチｙ、Ｓｎ層の厚さｚを変えたサンプルを作製した。具体的なサンプル作製方法を、図１、図４を用いて説明する。

【0032】

まず、回路基板１２として、市販の大きさ３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ１．１２ｍｍのＤＢＣ基板を用意する。Ｃｕからなる上電極１、Ｓｉ３Ｎ４からなる絶縁材２、Ｃｕからなる下電極３の厚さは、それぞれ０．４ｍｍ、０．３２ｍｍ、０．４ｍｍである。回路基板１２へのＡｇ層４としてＡｇめっきを６．５μｍ施した。ＤＢＣ基板は、例えば電気化学工業株式会社から購入する事ができる。Ａｇめっきは、例えば、株式会社太洋工作所で実施する事ができる。次に、Ｓｎ層８として、市販の大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ９μｍの純度９９．５ｗｔ％のＳｎ箔を用意した。Ｓｎ箔は、例えば福田金属箔粉工業株式会社から購入することができる。次に、半導体素子９として、大きさ７ｍｍ×７ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのＳｉＣ素子を用意する。ＳｉＣ素子の裏面に、６．５μｍのＡｇがメタライズされ、Ａｇ層１０が形成されている。このようなＳｉＣ素子は、例えば新日鉄住金株式会社から購入することが可能である。

【0033】

次に、φ１２μｍ、長さ１００ｍ巻きの純度９９．９９ｗｔ％のＡｇのワイヤ５を用意した。Ａｇワイヤは、例えば野毛電気工業から購入する事ができる。このＡｇワイヤを市販のワイヤボンダで上記の回路基板１２上のＡｇ層４にボンディングした。ワイヤボンダは、例えば、株式会社カイジョー製ＦＢ−９１０、株式会社新川製ＵＴＣ−５０００である。

【0034】

ワイヤボンディング（ワイヤ接続工程）について、詳細を説明する。最初に、ワイヤ５の先端に水素５％の窒素ガスを吹き付けて、放電でワイヤ径の１．５〜１．８倍程度で安定的に真球のボールが形成できる放電条件（放電電流、時間、ガス吹き付け量）でボールを作製し、回路基板１２上のＡｇ層４に超音波と、圧力をかけて、半導体素子９の搭載位置からａ２＝２ｍｍ外側に離した位置にボールボンド６の形成を行う。このとき、真球が安定的に形成されず、偏芯を起こしてしまうと、ボンディングしたときに、圧力が均一に加わらないため、きちんとボンディングされないので、注意が必要である。また、偏芯している場合は、狙った位置にボンディングができず、ピッチが安定しないので、注意が必要である。

【0035】

次に、ワイヤ５を、屈曲部１１を設けて、半導体素子９の素子サイズｃ１＝７ｍｍよりも長い、長さａ１＝１０ｍｍまで張って、超音波と、圧力をかけて、半導体素子９の素子搭載位置からａ３＝１ｍｍ離した位置にステッチボンド７の形成をする。なお、屈曲部１１は任意の高さが可能だが、この屈曲部１１が最終的にループしたときに一番高い位置になるため、ループ高さｄ１を市販の装置では限界の５０μｍになるように調整する。また、素子搭載位置でのループ高さｄ２がｄ１の８０％以下になるように調整する。このようにしたのは、素子搭載位置内に最大ループ高さの部分があると、この後の接合時に圧力をかけたときに、図７、図８のように、ワイヤ１６が重なりながら、押し潰されるため、好ましくないからである。図７及び図８は、比較例による半導体素子とワイヤの位置を説明する図である。図７は半導体素子９がワイヤ１６に接触する前の状態を示し、図８は半導体素子９がワイヤ１６を押圧した状態を示している。

【0036】

ワイヤが重ならないようにするには、最大ループ高さの部分を避けて、少なくとも最大ループ高さの８０％下がった箇所であれば、図５、図６のように抑制できる事が実験的に確認された。図５及び図６は、本発明の実施の形態１による半導体素子とワイヤの位置を説明する図である。図５は半導体素子９がワイヤ５に接触する前の状態を示し、図６は半導体素子９がワイヤ５を押圧した状態を示している。

【0037】

以上のワイヤ接続工程をピッチｂ１＝３０μｍでＹ方向に素子サイズｃ２よりも長いｂ２の範囲まで繰り返し行う。すると、回路基板１２上のＡｇ層４上に半導体素子９の素子サイズ（チップ接合領域１５）よりも広い領域（ａ１、ｂ２の範囲）にＡｇワイヤが張り巡らされ、ワイヤ構造体２０が形成できる（ワイヤ構造体形成工程）。回路基板１２上のＡｇ層４上にワイヤ構造体２０が形成された構造体を、ワイヤ付回路基板２１と呼ぶことにする。チップ接合領域１５は、半導体素子９の実装面の面積と等しい領域である。

【0038】

次に、Ａｇのワイヤ５が張り巡らされたワイヤ付回路基板２１におけるワイヤ５の最大ループ高さｄ１の８０％以下の箇所に、Ｓｎ層８と、Ａｇ層１０が形成された半導体素子９とを順次載せた（半導体素子搭載工程）。その製造中間体をギ酸還元雰囲気中で、１８０℃、１０分の熱処理を行い、各部材表面の酸化膜を除去した。次に真空引きをおこない、簡易的な加圧治具を用いて、１ＭＰａで加圧を加えならが、３００℃、１０分の熱処理を行った（合金層形成工程）。

【0039】

加圧について、説明する。今回の場合、１ＭＰａの圧力を加える。半導体素子９のサイズが７ｍｍ×７ｍｍなので、接合面積が４９ｍｍ２であり、ここに、１ＭＰａつまり、４９Ｎの荷重を加えるには、４．９ｋｇｆ≒５ｋｇの荷重を加えれば良い。この程度の荷重であれば、プレス機など大掛かりな装置は必要なく、ストッパーの付いたばね付の簡易治具で容易に実行が可能である。なお、例えば、ばねの設計、購入は東海バネ工業から可能である。そのばねを用いた加圧治具は、例えば岸田エンジニアリングで作製が可能である。

【0040】

次に接合が終了した製造中間体を冷却して、この製造中間体を取り出し、接合部断面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）で観察した。その結果、接合部がＡｇおよびＡｇ３Ｓｎのみで形成されており、Ｓｎ単独相がない事を確認した。代表的な接合部の断面イメージおよび組成分析結果を図９に示す。図９において、接合部の断面イメージ４１、Ａｇ元素分布４２、Ｓｎ元素分布４３を示した。接合部の断面イメージ４１は、合金層１３を含む接合部の断面ＳＥＭイメージにおける半導体素子９、合金層１３、上電極１の境界を明確にしたものである。スケール４５は、１０μｍの長さを示している。符号Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、Ａｇ元素またはＳｎ元素における４段階の検出レベル領域を示しており、検出量の少ない領域から多い領域の順番にＬ１〜Ｌ４になっている。Ａｇ元素分布４２において、Ｌ４領域はＡｇ単独相であり、Ｌ３領域はＡｇ３Ｓｎが形成されたＡｇ３Ｓｎ相である。Ａｇ単独相は、Ｓｎ元素分布４３において、Ｓｎ元素が検出されないＬ１領域に該当する。Ａｇ３Ｓｎ相は、Ｓｎ元素分布４３において、Ｌ２領域に該当する。なお、Ａｇ元素分布４２において、上下のＬ１領域とＬ４領域の隙間に薄くＬ３領域が存在したが、図が複雑にならないように省略した。また、接合部を透過Ｘ線装置で観察し、透過Ｘ線画像を２値化して、ボイド率を算出したところ、目標のボイド率１０％以下に対し、ボイド率は４％と良好であった。このように製造されたサンプルを実施例１とする。

【0041】

次に、上記と同じプロセスで、図１０に示すように、Ａｇのワイヤ５のワイヤ径（ワイヤ直径）ｘを１２〜５０μｍ、ピッチｙを変更したサンプルを９個製造した。それぞれのサンプルを実施例２〜１０とする。図１０は、本発明の実施例及び比較例の特性を示す図である。実施例２〜１０は、各ワイヤ径に対し、ピッチｙが、式（１）から計算された２．５ｘとし、半導体素子９のＡｇ層１０、ワイヤ付回路基板２１のＡｇ層４が式（１１）、（１２）から計算された範囲内の厚さｚとしたものである。実施例２〜１０について、ＳＥＭで合金形成状態を観察し、透過Ｘ線画像からボイド率を算出した。その結果、図１０に示すように、実施例２〜１０は、合金形成状態は良好であり、ボイド率は４％以下であり、良好だった。

【0042】

図１０には、各サンプルの製造条件と、検査結果である合金形成状態とボイド率が記載されている。ワイヤ引張方向は、１方向か２方向以上の多方向かを示している。必要めっき厚は、式（１１）及び式（１２）を満たすＡｇ層４、１０の厚さｚである。実施のめっき厚ｚは、各サンプルのＡｇ層４、１０の厚さである。理論式の適合は、理論式である式（１）、式（１１）、式（１２）を満たす（ＯＫ表示）か否か（ＮＧ表示）を示している。必要Ｓｎ箔厚は、式（１４）及び式（１５）を満たすＳｎ層８の厚さｔである。実際のＳｎ箔厚ｔは、各サンプルのＳｎ層８の厚さである。合金形成は、接合部の合金層１３が良好か否を示している。合金形成が良好な場合は、ＯＫの表示をし、接合部がＡｇおよびＡｇ３Ｓｎのみで形成されており、Ｓｎ単独相がない事を示している。合金形成が不良な場合は、ＮＧの表示をしている。

【0043】

図１０の実施例１〜１０に示したように、Ｓｎ層８の厚さが必要厚以上あり、かつ式（１）、式（１１）、式（１２）で示された条件を満たすことで、合金形成状態、ボイド率は全て良好であった。

【0044】

次に、図１０に示した比較例１〜４について説明する。上記と同じプロセスで、Ａｇのワイヤ５のワイヤ径ｘを１２〜５０μｍ、ピッチｙを式（１）から計算された３０〜１２５μｍとしたサンプルを４個製造した。比較例１〜４は、各ワイヤ径に対し、ピッチｙが、式（１）から計算された２．５ｘとし、半導体素子９のＡｇ層１０、ワイヤ付回路基板２１のＡｇ層４が式（１１）、（１２）から計算された範囲から外れた厚さｚとしたものである。比較例１〜４について、ＳＥＭで合金形成状態を観察し、透過Ｘ線画像からボイド率を算出した。その結果、図１０に示すように、比較例１〜４は、ボイド率は目標の１０％以下と良好であったが、合金形成状態は、一部にＳｎ単独相が残存していたため、不良（ＮＧ）であった。

【0045】

次に、図１１に示す実施例１１〜１４について説明する。図１１は、本発明の実施例及び比較例の特性を示す図である。上記と同じプロセスで、Ａｇのワイヤ５のワイヤ径ｘが１２〜５０μｍ、ピッチｙが式（２）を満たす４０〜１４０μｍとしたサンプルを４個製造した。実施例１１〜１４は、各ワイヤ径に対し、ピッチｙが、式（２）を満たす２．５ｘより大きな値とし、半導体素子９のＡｇ層１０、ワイヤ付回路基板２１のＡｇ層４が式（１１）、（１２）から計算された範囲内の厚さｚとしたものである。実施例１１〜１４について、ＳＥＭで合金形成状態を観察し、透過Ｘ線画像からボイド率を算出した。その結果、図１１に示すように、実施例１１〜１４は、合金形成状態は良好であり、ボイド率は４％以下であり、良好だった。

【0046】

次に、特許文献１、２に相当する比較例５、６について説明する。これまで本発明の特徴である一方向にＡｇのワイヤ５を張った状態で評価してきたが、今度は、２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）にＡｇのワイヤ５を張ったサンプルを作製した。まず、上記と同じプロセスで、実施例７と同じワイヤ径ｘを３０μｍ、ピッチｙを７５μｍ、Ａｇ層４、１０の厚さｚを１６．５μｍとし、Ｘ方向にワイヤ５を張った後、回路基板１２を９０℃回転させて、またその上に、ワイヤ同士が接触しないように任意に調整してワイヤ５をＹ方向にボンディングした。次にワイヤ５の最大ループ高さｄ１の８０％以下の箇所に、Ｓｎ層８と、Ａｇ層１０が形成された半導体素子９とを順次載せた（半導体素子搭載工程）。この製造中間体を実施例１〜１４と同じプロセスを実行して、比較例５、６を製造した。比較例５と比較例６の違いはＳｎ層８の厚さであり、比較例５の場合は５０μｍであり、比較例６の場合は４０μｍである。

【0047】

比較例５、６について、ＳＥＭで合金形成状態を観察し、透過Ｘ線画像からボイド率を算出した。その結果、Ｓｎ層８の厚さが５０μｍである比較例５では、Ｓｎ単独相が存在し、合金形成状態が不良であり、かつボイド率も１５％であり、目標の１０％以下という条件をクリアできなかった。Ｓｎ層８の厚さが４０μｍである比較例６では、合金形成状態は良好だが、Ｓｎの量が足らないこと、及びボイドが抜けきらないため、ボイド率は２０％と悪化した。

【0048】

実施の形態１の半導体装置３０は、回路基板１２と半導体素子９等との接合部、すなわち接合対象物間が接合された接合部において、３００℃でも溶融しない、ＡｇとＳｎとの金属間化合物Ａｇ３Ｓｎ（融点４７０℃程度）を形成するので、高融点の合金層１３を形成することができる。実施の形態１の半導体装置３０は、回路基板１２や半導体素子９等の接合対象物にＡｇ層４、１０を形成し、一方の接合対象物である回路基板１２のＡｇ層４に、複数のＡｇのワイヤ５が面内に一方向のみに張られており、接合時にＡｇのワイヤ５が流れないようにボンディングされたワイヤ構造体２０が形成されている。実施の形態１の半導体装置３０は、回路基板１２上のＡｇ層４上にワイヤ構造体２０が形成されたワイヤ付回路基板２１に、Ｓｎを溶融させて、金属間化合物Ａｇ３Ｓｎ（融点４７０℃程度）とＡｇからなる合金層１３を備えることを特徴とする。実施の形態１の半導体装置３０は、回路基板１２と半導体素子９等との接合部、すなわち接合対象物間が接合された接合部において、ボイドが少ない高融点の金属間化合物Ａｇ３Ｓｎを形成することができる。

【0049】

実施の形態１の半導体装置３０は、Ａｇのワイヤ５を一方向に張る事で、Ｓｎが溶融して金属間化合物Ａｇ３Ｓｎが形成される際に、少なからず発生するボイドが抜けるルートが確保されるため、Ｘ方向及びＹ方向にＡｇのワイヤが張られたワイヤ網よりもボイドを低減する事が可能となる。また、Ａｇのワイヤ５を使用する事で、回路基板１２と半導体素子９等との接合部においてワイヤ５やＡｇ層から十分な量のＡｇが供給されるので、金属間化合物Ａｇ３Ｓｎが十分な厚さで形成でき、接合厚、すなわち合金層１３の厚さを均一にする事ができる。実施の形態１の半導体装置３０は、回路基板１２と半導体素子９等との接合部において極端に接合厚が薄い箇所ができないため、接合部におけるクラックの発生を抑制する効果がある。

【0050】

なお、接合時の雰囲気は、ギ酸に限定されるものではなく、酢酸、クエン酸、トルエン酸、水素でも良い。Ａｇワイヤ径（ワイヤ直径ｘ）は、今回の試験では、１２〜５０μｍとした。しかし、一般的なワイヤボンダは５０μｍ程度が限界とされているが、５０μｍよりも大きいワイヤをボンディングできるようにカスタマイズできれば、Ａｇワイヤ径は１２〜５０μｍに限定されるものではない。しかしながら、ワイヤ径を５０μｍよりも大きくすると、必然的にピッチｙが大きくなり、Ａｇ３Ｓｎで覆う体積が増えるため、Ａｇ層４、１０もより厚くする必要があり、コストが増大するため、好ましくない。また、Ａｇ３Ｓｎを形成するのに、温度を高く、時間を長くしなければならず、製造コスト増大、タクトタイムが長くなるため、好ましくない。逆に、Ａｇワイヤ径が１２μｍよりも小さい場合は、伸線を安定的に行うのが難しく、伸線時、あるいは、ワイヤボンディング時に破断する可能性があるため好ましくない。したがって、Ａｇワイヤ径は、１２〜５０μｍが好ましい。

【0051】

接合時の加圧力は、浮いたワイヤ５をきちんと押さえる事ができれば良く、０．１ＭＰａ以上で同様の効果が得られる。加圧力が０．１ＭＰａよりも小さいと、きちんと荷重を加える事ができず、接合厚が安定しない。また、Ａｇワイヤボンディング後であって、還元雰囲気中で接合する前に、既に一度１ＭＰａ程度の加圧力を加えておくと、接合時においてＡｇワイヤの形状がより安定するため、好ましい。

【0052】

接合時の温度および時間は、ＡｇとＳｎが拡散し終えるまでの任意の条件である。Ａｇ３Ｓｎの成長速度を実験でも求めた結果を図１２に示す。図１２は、本発明の金属間化合物Ａｇ３Ｓｎにおける温度及び時間毎の厚みを示す図である。１ｍｍ厚で、１０ｍｍ×１０ｍｍのＡｇ板上に、３００μｍ厚のＳｎペレットを載せて、ギ酸還元雰囲気下で温度及び時間における任意の条件で熱処理を行ったサンプルを作成した。その後にＳＥＭで断面観察してＡｇ３Ｓｎの厚さを調べると、図１２のようになり、２５０℃、１分の熱処理条件のサンプルでは平均３．８μｍもあった。

【0053】

参考までに、１ｍｍ厚で、１０ｍｍ×１０ｍｍのＣｕ板上に３００μｍ厚のＳｎペレットを載せて、ギ酸還元雰囲気下で任意の条件で熱処理を行い、その後にＳＥＭで断面観察してＣｕとＳｎの合金層の厚さを調べると、０．７μｍ程度であり、Ａｇの方が５〜６倍拡散が早い事が確認されている。

【0054】

箔状のＳｎ層８は今回、Ｓｎ１００％を用いたがこれに限定されるものではない。例えば、Ｓｎ内にＡｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ，Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅのうち少なくとも１種類以上含まれていても良い。

【0055】

ワイヤ５の材質はＡｇが好ましいが、Ａｇ以外にもＮｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｕでも同様の効果が得られる。ワイヤ５の材質がＡｇ以外の場合には、Ａｇ層４、Ａｇ層１０の材質は、該当するワイヤ５の材質を用いる。また、ワイヤ５のＡｇ内に、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ，Ｔｉ、Ｐのうち少なくとも１種類以上添加されていても良い。また、接合部は半導体素子９と回路基板１２と間の接合に限定されるものではなく、回路基板１２とその下部に配置する放熱板や、半導体素子９とリードフレームとの接合部等に用いても良い。

【0056】

半導体素子９は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においてはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用できる。半導体素子９のデバイス種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子、やダイオードのような整流素子を搭載することができる。例えば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子９に、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたシリコン（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、パワーモジュールの高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、パワーモジュールの小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、放熱フィンを備えたパワーモジュールの一層の小型化が可能になる。

【0057】

以上のように、実施の形態１の半導体装置３０によれば、実装基板（回路基板１２）に形成された第１のＡｇ層４と、半導体素子９に形成された第２のＡｇ層１０との間に挟持された合金層１３を備え、合金層１３は、第１のＡｇ層及び第２のＡｇ層のＡｇ成分と、Ｓｎによって形成されたＡｇ３Ｓｎの金属間化合物を有し、Ａｇを含んだ複数のワイヤ５が当該合金層１３の外周側から延伸して配置されたことを特徴とするので、すなわち、Ａｇ３Ｓｎの金属間化合物を有する合金層１３にＡｇを含んだ複数のワイヤ５が接続された構造を備えたので、合金層１３が形成される際に少なからず発生するボイドが抜けるルートがワイヤ５間に確保されており、接合対象物間が接合された接合部において、ボイドが少ない高融点の金属間化合物を形成することができる。

【0058】

また、実施の形態１の半導体装置３０の製造方法によれば、実装基板（回路基板１２）に形成された第１のＡｇ層４に、Ａｇを含んだ複数のワイヤ５が平行に又は放射状に配置されたワイヤ構造体２０を形成するワイヤ構造体形成工程と、ワイヤ構造体２０の外形面積よりも実装面の面積が小さくて、実装面に第２のＡｇ層１０が形成された半導体素子９を、ワイヤ構造体２０に、Ｓｎ層８を介在させて搭載する半導体素子搭載工程と、半導体素子搭載工程の後に、熱処理を行い、実装基板（回路基板１２）と半導体素子９とが接合された接合部に、Ａｇ３Ｓｎの金属間化合物を有する合金層１３を形成する合金層形成工程と、を含むことを特徴とするので、合金層形成工程の際に少なからず発生するボイドが抜けるルートが確保できるため、接合対象物間が接合された接合部において、ボイドが少ない高融点の金属間化合物を形成することができる。

【0059】

実施の形態２．
Ａｇのワイヤ５の配置形状は、実施の形態１で示した配置形状に限らず、例えば図１３のように放射状に配置させた配置形状でも良い。図１３は、本発明の実施の形態２によるワイヤの配置を示す図である。図１３に示したワイヤ構造体２０は、４つのワイヤ５ａ１、５ａ２、５ａ３、５ａ４で区切られた領域が同じ形状である例である。便宜上、ワイヤ５ａ１〜ワイヤ５ａ２を第１領域と呼び、ワイヤ５ａ２〜ワイヤ５ａ３を第２領域と呼び、ワイヤ５ａ３〜ワイヤ５ａ４を第３領域と呼び、ワイヤ５ａ４〜ワイヤ５ａ１を第４領域と呼ぶことにする。

【0060】

ワイヤ５ａ１、ワイヤ５ａ３は同一直線状に配置され、ワイヤ５ａ２、ワイヤ５ａ４は同一直線状に配置される。ワイヤ５ａ２は、ワイヤ５ａ１及びワイヤ５ａ３に垂直に配置され、ワイヤ５ａ４も、ワイヤ５ａ１及びワイヤ５ａ３に垂直に配置される。第１領域にワイヤ５ｂ１がワイヤ５ａ１及びワイヤ５ａ２との角度が等しくなるように配置される。同様に、第２領域にワイヤ５ｂ２がワイヤ５ａ２及びワイヤ５ａ３との角度が等しくなるように配置され、第３領域にワイヤ５ｂ３がワイヤ５ａ３及びワイヤ５ａ４との角度が等しくなるように配置され、第４領域にワイヤ５ｂ４がワイヤ５ａ４及びワイヤ５ａ１との角度が等しくなるように配置される。

【0061】

その他のワイヤの配置を、第１領域を例に説明する。ワイヤ５ｃ１がワイヤ５ａ１及びワイヤ５ｂ１との角度が等しくなるように配置される。同様に、ワイヤ５ｃ２がワイヤ５ｂ１及びワイヤ５ａ２との角度が等しくなるように配置される。ワイヤ５ｄ１がワイヤ５ａ１及びワイヤ５ｃ１との間に配置され、ワイヤ５ｄ２がワイヤ５ｃ２及びワイヤ５ａ２との間に配置される。ワイヤ５ｅ１がワイヤ５ｃ１及びワイヤ５ｂ１との間に配置され、ワイヤ５ｅ２がワイヤ５ｂ１及びワイヤ５ｃ２との間に配置される。図１３に示したワイヤ構造体２０は、３２本のワイヤ５による外周形状が丸みを帯びた四角形の形状になっている。

【0062】

図１４は本発明の実施の形態２による半導体素子とワイヤの位置を説明する図であり、図１５は本発明の実施の形態２による半導体装置の断面図である。図１４及び図１５は、ワイヤ５ａ１及びワイヤ５ａ３を切断した場合の断面を示している。図１４は半導体素子９がワイヤ付回路基板２１のワイヤ５に接触する前の状態を示している。なお、図１４、及び図１５において、ワイヤ５ａ１及びワイヤ５ａ３以外の他のワイヤ５は省略した。実施の形態２の半導体装置３０は、ワイヤ構造体形成工程のワイヤ接続工程でワイヤ５が外側から中心側に向かってワイヤボンディングすることが異なるが、他の工程は同じである。半導体素子搭載工程では、半導体素子９は、実施の形態１と同様に、素子搭載位置でのワイヤ５のループ高さｄ２がｄ１の８０％以下になるような位置に搭載される。半導体装置３０において、複数のワイヤ５が、合金層１３の外周側から放射状に延伸して配置されている。

【0063】

実施の形態２のワイヤ構造体２０では、Ｓｎが溶融して金属間化合物Ａｇ３Ｓｎが形成される際に、少なからず発生するボイドが、中心から外周側に抜けるようになっている。図１３に示すようにしても、Ｓｎが溶融して金属間化合物Ａｇ３Ｓｎが形成される際に、少なからず発生するボイドの抜けるルートが確保されているため、実施の形態１と同様に、ボイドが少なく、良好な接合が得られる。なお、図１３〜図１５では、ステッチボンド７がワイヤ構造体２０のほぼ中央にある例を示したが、これに限定されることはなく、ステッチボンド７がワイヤ構造体２０の内側にあればよい。

【0064】

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

【符号の説明】

【0065】

４…Ａｇ層、５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ…ワイヤ、
５ａ１、５ａ２、５ａ３、５ａ４、５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、５ｂ４、
５ｃ１、５ｃ２、５ｄ１、５ｄ２、５ｅ１、５ｅ２…ワイヤ、８…Ｓｎ層、
９…半導体素子、１０…Ａｇ層、１１…屈曲部、１２…回路基板、
１３…合金層、２０…ワイヤ構造体、３０…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12】

【図13】

【図14】

【図15】