特許 7549276 積層接合材料、半導体パッケージおよびパワーモジュール

(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】

(24)【登録日】2024-09-03

(45)【発行日】2024-09-11

(54)【発明の名称】積層接合材料、半導体パッケージおよびパワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/52 20060101AFI20240904BHJP

【ＦＩ】

H01L21/52 E

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2023517449

(86)(22)【出願日】2022-04-18

(86)【国際出願番号】 JP2022017980

(87)【国際公開番号】W WO2022230697

(87)【国際公開日】2022-11-03

【審査請求日】2023-11-13

(31)【優先権主張番号】P 2021076312

(32)【優先日】2021-04-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000199197

【氏名又は名称】千住金属工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149076

【弁理士】

【氏名又は名称】梅田 慎介

(74)【代理人】

【識別番号】230117802

【弁護士】

【氏名又は名称】大野 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100184181

【弁理士】

【氏名又は名称】野本 裕史

(72)【発明者】

【氏名】亀田 直人

(72)【発明者】

【氏名】出井 寛大

(72)【発明者】

【氏名】▲土▼屋 政人

【審査官】平野 崇

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１３９０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１３３３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０７９８８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第５２８５０７９（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、
基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋであり、
第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、
前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍであり、
前記鉛フリーはんだは、ヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張強さが１００ＭＰａ以下である、積層接合材料。

【請求項2】

前記鉛フリーはんだのヤング率が５５ＧＰａ以上である、請求項１に記載の積層接合材料。

【請求項3】

前記基材は、格子間隔が２．０ｍｍ以上のメッシュ形状を有する、請求項１または２に記載の積層接合材料。

【請求項4】

前記基材の線膨張係数が５．９～１４．４ｐｐｍ／Ｋである、請求項１～３のいずれかに記載の積層接合材料。

【請求項5】

前記基材の線膨張係数が７．０～１１．６ｐｐｍ／Ｋである、請求項４に記載の積層接合材料。

【請求項6】

前記基材の線膨張係数が７．７～９．９ｐｐｍ／Ｋである、請求項２に記載の積層接合材料。

【請求項7】

前記基材は、Ｃｕ－Ｗ基材料、Ｃｕ－Ｍｏ基材料、Ｃｕ－Ｗ基材料とＣｕ－Ｍｏ基材料との積層材料、Ｃｕ－Ｗ基材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料、Ｃｕ－Ｍｏ基材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料、Ｃｕ－Ｗ基材料とＣｕ－Ｍｏ基材料との積層材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料のいずれかからなる、請求項１～６のいずれかに記載の積層接合材料。

【請求項8】

前記基材のＣｕ含有量が、６０％以下である、請求項１～７のいずれかに記載の積層接合材料。

【請求項9】

前記基材のＣｕ含有量が、１５％以上である、請求項１～８のいずれかに記載の積層接合材料。

【請求項10】

前記第１はんだ部および第２はんだ部のうちの少なくとも一方と前記基材との界面が、前記基材側から順にＮｉ、Ｓｎにより下地処理されている、請求項１～９のいずれかに記載の積層接合材料。

【請求項11】

前記基材と前記第１はんだ部の厚さの比と、前記基材と前記第２はんだ部の厚さの比のうちの少なくとも一方が、２：１～１０：１である、請求項１～１０のいずれかに記載の積層接合材料。

【請求項12】

前記鉛フリーはんだの融点が、２１０℃以上である、請求項１～１１のいずれかに記載の積層接合材料。

【請求項13】

前記鉛フリーはんだの融点が、２３０℃以上である、請求項１～１２のいずれかに記載の積層接合材料。

【請求項14】

基板と、前記基板上に配置された半導体素子と、前記基板と前記半導体素子との間に配置され、前記基板と前記半導体素子とを接合する積層接合材料と、を備え、
前記積層接合材料は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋであり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍであり、前記鉛フリーはんだは、ヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張強さが１００ＭＰａ以下である、半導体パッケージ。

【請求項15】

基板と、前記基板上に配置された半導体素子と、前記基板と前記半導体素子との間に配置され、前記基板と前記半導体素子とを接合する第１積層接合材料と、前記基板の前記半導体素子とは逆側に配置された放熱部と、前記基板と前記放熱部との間に配置され、前記基板と前記放熱部とを接合する第２積層接合材料と、を備え、
前記第１積層接合材料と前記第２積層接合材料のうちの少なくとも一方は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋであり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍであり、前記鉛フリーはんだは、ヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張強さが１００ＭＰａ以下である、半導体パッケージ。

【請求項16】

基板と、前記基板上に配置されたパワー半導体素子と、前記基板と前記パワー半導体素子との間に配置され、前記基板と前記パワー半導体素子とを接合する積層接合材料と、を備え、
前記積層接合材料は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋであり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍであり、前記鉛フリーはんだは、ヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張強さが１００ＭＰａ以下である、パワーモジュール。

【請求項17】

基板と、前記基板上に配置されたパワー半導体素子と、前記基板と前記パワー半導体素子との間に配置され、前記基板と前記パワー半導体素子とを接合する第１積層接合材料と、前記基板の前記パワー半導体素子とは逆側に配置された放熱部と、前記基板と前記放熱部との間に配置され、前記基板と前記放熱部とを接合する第２積層接合材料と、を備え、
前記第１積層接合材料と前記第２積層接合材料のうちの少なくとも一方は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋであり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍであり、前記鉛フリーはんだは、ヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張強さが１００ＭＰａ以下である、パワーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、積層接合材料、半導体パッケージおよびパワーモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

昨今、半導体素子はその要求特性が高くなり、従来半導体素子材料として使用されてきたＳｉに加えて、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮなども使用されるようになっている。これらの材料を用いた半導体素子は、動作温度の上昇を図ることができ、バンドギャップが拡大するなどの優れた特性を備えており、パワートランジスタなどのパワー半導体素子に適用されている。

【0003】

パワー半導体素子は、高温動作が可能であり、接合部のはんだ継手が２００℃以上の高温に達することがある。このような高温環境下では、半導体素子と基板との間の接合部において、半導体素子と基板のＣＴＥ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ；熱膨張率）の差による歪みが生じ、その歪みからクラックが発生し、結果としてパワー半導体製品の寿命を縮めてしまうことが問題になっている。

【0004】

特開２００９－２６９０７５号公報では、軟らかいＰｂまたはＰｂ基合金を応力緩和層として備える積層はんだ材の製造方法が記載されている。ただし、応力緩和層がＰｂを含有することから、ＲｏＨＳ（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）等の環境規制に対応していない。

【0005】

特開２０１５－２３１８３号公報では、半導体素子と、一方の面が半導体素子に接合して形成された第１の金属層と、半導体素子に接し、第１の金属層の他方の面の外周周辺部に形成された有機絶縁膜と、有機絶縁膜に接し、第１の金属層の他方の面の中央部に接合して形成された第２の金属層と、第２の金属層を介して第１の金属層の他方の面に接合して形成された接合材と、を備えたパワーモジュールが記載されている。

【0006】

特開２００９－１４７１１１号公報では、板状の中央層の上下表面に表面層が積層された接合材であって、中央層が表面層より融点が高い接合材が記載されており、中央層の具体例として、ビスマスの単相、またはビスマスを主成分とする、銀、銅、アンチモン、インジウム、錫、ニッケル、ゲルマニウム、テルル、リンなどとの合金が記載されている。

【発明の概要】

【0007】

本件発明者らは、ＲｏＨＳ等の環境規制に対応しながら接合部に生じる歪みを緩和できる技術を見出すべく、鋭意検討を重ねた結果、接合部のはんだに鉛フリーはんだを採用しながらコア材として熱膨張率が所定の範囲内の材料を用いることで、半導体素子と基板のＣＴＥ差による接合部に生じる歪みを緩和できることを知見した。さらに、本件発明者らは、そのような接合部において、鉛フリーはんだの厚みや材質、基材の形状等を特定のものに限定することで、応力緩和効果を高めることができ、結果として従来と比較して製品の寿命を大きく延ばすことができることを知見した。

【0008】

特に高温環境下において接合部に生じる歪みを緩和できる積層接合材料、半導体パッケージおよびパワーモジュールを提供することが望まれる。

【0009】

一実施の形態に係る積層接合材料は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋであり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、一実施の形態に係る積層接合材料の概略構成を示す縦断面図である。

【図2】図２は、一実施の形態に係る半導体パッケージの概略構成を示す縦断面図である。

【図3A】図３Ａは、第１冷熱サイクル試験で用いた接合部材の構成を示すテーブルである。

【図3B】図３Ｂは、第１冷熱サイクル試験で用いた接合部材の構成を示すテーブルである。

【図4】図４は、第１冷熱サイクル試験で用いた接合部材の構成を示すテーブルである。

【図5A】図５Ａは、実施例１～３および比較例７～８のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。

【図5B】図５Ｂは、実施例７～８および比較例１５～１６のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。

【図6A】図６Ａは、比較例１～４のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。

【図6B】図６Ｂは、比較例１１～１４のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。

【図7A】図７Ａは、実施例４～６および比較例９～１０のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。

【図7B】図７Ｂは、実施例９～１０および比較例１７～１８のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。

【図8A】図８Ａは、第２冷熱サイクル試験で用いた接合部材の構成を示すテーブルである。

【図8B】図８Ｂは、第２冷熱サイクル試験で用いた接合部材の構成を示すテーブルである。

【図9】図９は、シミュレーションによる解析条件を説明するための図である。

【図10A】図１０Ａは、応力解析シミュレーションで用いたサンプル１～１３の構成を示すテーブルである。

【図10B】図１０Ｂは、応力解析シミュレーションで用いたサンプル１４～２３の構成を示すテーブルである。

【図11】図１１は、サンプル１、２、１７についての１サイクル経過後の歪み分布を示すグラフである。

【図12】図１２は、サンプル１、３～９についての１サイクル経過後の歪み量を示すグラフである。

【図13A】図１３Ａは、メッシュ形状を有する基材の一例を説明するための図である。

【図13B】図１３Ｂは、メッシュ形状を有する基材の一例を説明するための図である。

【図13C】図１３Ｃは、メッシュ形状を有する基材の一例を説明するための図である。

【図13D】図１３Ｄは、メッシュ形状を有する基材の一例を説明するための図である。

【図14】図１４は、サンプル１、４、１３～２３についての１サイクル経過後の歪み量を示す棒グラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

実施形態の第１の態様に係る積層接合材料は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋであり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍである。

【0012】

本件発明者らが冷熱サイクル試験および応力解析シミュレーションにより検証したところ、このような態様によれば、特に高温環境下において接合部に生じる歪みを緩和でき、高信頼性を達成できることが確認された。本件発明者らの考えでは、基材の線膨張係数が、半導体素子の線膨張係数と基板や放熱部の材料の線膨張係数との中間にあってバランスが取れるとともに、鉛フリーはんだが適切な厚さを有していることで、基材やはんだの具体的な合金組成に特に依存することなく、高温環境下において半導体素子と基板のＣＴＥ差による接合部に生じる歪みを緩和できると考えられる。

【0013】

実施形態の第２の態様に係る積層接合材料は、第１の態様に係る積層接合材料であって、前記鉛フリーはんだは、ヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張強さが１００ＭＰａ以下である。

【0014】

本件発明者らが冷熱サイクル試験により実際に検証したところ、鉛フリーはんだのヤング率が大きいほど、基板側の接合部に生じる歪みの緩和効果が高く、また、鉛フリーはんだの引張強さが小さいほど、半導体素子側の接合部に生じる歪みの緩和効果が高いことが見出され、このような態様によれば、特に高温環境下において基板側および半導体素子側の両方にて接合部に生じる歪みを効果的に緩和でき、高信頼性を達成できることが確認された。

【0015】

実施形態の第３の態様に係る積層接合材料は、第２の態様に係る積層接合材料であって、前記鉛フリーはんだのヤング率が５５ＧＰａ以上である。

【0016】

本件発明者らが冷熱サイクル試験により実際に検証したところ、このような態様によれば、基板側および半導体素子側の両方にて接合部に生じる歪みをさらに効果的に緩和でき、非常に高い信頼性を達成できることが確認された。

【0017】

実施形態の第４の態様に係る積層接合材料は、第１～３のいずれかの態様に係る積層接合材料であって、前記基材は、格子間隔が２．０ｍｍ以上のメッシュ形状を有する。

【0018】

本件発明者らが応力解析シミュレーションにより検証したところ、このような態様によれば、基材がベタ状に形成されている場合に比べて、接合部における応力緩和効果をさらに高めることができることが確認された。

【0019】

実施形態の第５の態様に係る積層接合材料は、第１～４のいずれかの態様に係る積層接合材料であって、前記基材の線膨張係数が５．９～１４．４ｐｐｍ／Ｋである。

【0020】

本件発明者らが冷熱サイクル試験により実際に検証したところ、このような態様によれば、特に高温環境下において半導体素子側の接合部に生じる歪みを緩和でき、高信頼性を達成できることが確認された。

【0021】

実施形態の第６の態様に係る積層接合材料は、第５の態様に係る積層接合材料であって、前記基材の線膨張係数が７．０～１１．６ｐｐｍ／Ｋである。

【0022】

本件発明者らが冷熱サイクル試験により実際に検証したところ、このような態様によれば、基板側の接合部に生じる歪みの緩和効果がより高く、より高い信頼性を達成できることが確認された。

【0023】

実施形態の第７の態様に係る積層接合材料は、第３の態様に係る積層接合材料であって、前記基材の線膨張係数が７．７～９．９ｐｐｍ／Ｋである。

【0024】

本件発明者らが冷熱サイクル試験により実際に検証したところ、このような態様によれば、基板側および半導体素子側の両方にて接合部におけるクラックの進展をほとんど確認することができず、したがって、極めて高い信頼性を達成できることが見出された。

【0025】

実施形態の第８の態様に係る積層接合材料は、第１～７のいずれかの態様に係る積層接合材料であって、前記基材は、Ｃｕ－Ｗ基材料、Ｃｕ－Ｍｏ基材料、Ｃｕ－Ｗ基材料とＣｕ－Ｍｏ基材料との積層材料、Ｃｕ－Ｗ基材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料、Ｃｕ－Ｍｏ基材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料、Ｃｕ－Ｗ基材料とＣｕ－Ｍｏ基材料との積層材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料のいずれかからなる。

【0026】

このような態様によれば、基材が高い熱伝導性を有するため、接合部における過度な温度上昇を抑制でき、接合部に生じる熱的な歪み自体が低減され、結果として製品の長寿命化にさらに有利に作用する。

【0027】

実施形態の第９の態様に係る積層接合材料は、第１～８のいずれかの態様に係る積層接合材料であって、前記基材のＣｕ含有量が、６０％以下である。

【0028】

このような態様によれば、基材の線膨張係数がより低くなるため、特に高温環境下においてＣＴＥ差による接合部に生じる歪みをさらに緩和できる。

【0029】

実施形態の第１０の態様に係る積層接合材料は、第１～９のいずれかの態様に係る積層接合材料であって、前記基材のＣｕ含有量が、１５％以上である。

【0030】

このような態様によれば、基材の熱伝導性がより高まるため、接合部に生じる熱的な歪み自体がさらに低減され得る。

【0031】

実施形態の第１１の態様に係る積層接合材料は、第１～１０のいずれかの態様に係る積層接合材料であって、前記第１はんだ部および第２はんだ部のうちの少なくとも一方と前記基材との界面が、前記基材側から順にＮｉ、Ｓｎにより下地処理されている。

【0032】

このような態様によれば、基材と鉛フリーはんだとの密着性を高めることができる。

【0033】

実施形態の第１２の態様に係る積層接合材料は、第１～１１のいずれかの態様に係る積層接合材料であって、前記基材と前記第１はんだ部の厚さの比と、前記基材と前記第２はんだ部の厚さの比のうちの少なくとも一方が、２：１～１０：１である。

【0034】

実施形態の第１３の態様に係る積層接合材料は、第１～１２のいずれかの態様に係る積層接合材料であって、前記鉛フリーはんだの融点が、２１０℃以上である。前記鉛フリーはんだの融点が、２３０℃以上であってもよい。

【0035】

このような態様によれば、半導体素子の動作温度の上昇により積層接合材料が２００℃以上の高温に達する場合であっても、積層接合材料に含まれる鉛フリーはんだが溶けて故障することが防止され得る。

【0036】

実施形態の第１４の態様に係る半導体パッケージは、基板と、前記基板上に配置された半導体素子と、前記基板と前記半導体素子との間に配置され、前記基板と前記半導体素子とを接合する積層接合材料と、を備え、前記積層接合材料は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋであり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍである。

【0037】

実施形態の第１５の態様に係る半導体パッケージは、基板と、前記基板上に配置された半導体素子と、前記基板と前記半導体素子との間に配置され、前記基板と前記半導体素子とを接合する第１積層接合材料と、前記基板の前記半導体素子とは逆側に配置された放熱部と、前記基板と前記放熱部との間に配置され、前記基板と前記放熱部とを接合する第２積層接合材料と、を備え、前記第１積層接合材料と前記第２積層接合材料のうちの少なくとも一方は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋであり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍである。

【0038】

実施形態の第１６の態様に係るパワーモジュールは、基板と、前記基板上に配置されたパワー半導体素子と、前記基板と前記パワー半導体素子との間に配置され、前記基板と前記パワー半導体素子とを接合する積層接合材料と、を備え、前記積層接合材料は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋ以下であり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍである。

【0039】

実施形態の第１７の態様に係るパワーモジュールは、基板と、前記基板上に配置されたパワー半導体素子と、前記基板と前記パワー半導体素子との間に配置され、前記基板と前記パワー半導体素子とを接合する第１積層接合材料と、前記基板の前記パワー半導体素子とは逆側に配置された放熱部と、前記基板と前記放熱部との間に配置され、前記基板と前記放熱部とを接合する第２積層接合材料と、を備え、前記第１積層接合材料と前記第２積層接合材料のうちの少なくとも一方は、基材と、基材の第１面に積層されている第１はんだ部と、基材の第２面に積層されている第２はんだ部とを有し、基材の線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋ以下であり、第１はんだ部および第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成されており、前記第１はんだ部の厚さと、前記第２はんだ部の厚さが、いずれも、０．０５～１．０ｍｍである。

【0040】

以下に、添付の図面を参照して、実施の形態の具体例を詳細に説明する。なお、以下の説明および以下の説明で用いる図面では、同一に構成され得る部分について、同一の符号を用いるとともに、重複する説明を省略する。また、以下の説明および以下の説明で用いる図面において、はんだ組成の表記に関し、元素の前の数値は質量組成（質量％）を表し、ＳｎＢａｌ．は「残部Ｓｎ」を表す。たとえば、「３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－ＳｎＢａｌ．」と表記されたはんだ合金中の各構成元素の含有量は、はんだ合金全体を１００質量％としたときにＡｇ：３．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％、Ｓｎ：残部である。なお、本明細書において「引張強さ」とは、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１に規定された試験方法により室温で測定された値である。

【0041】

（積層接合材料）
図１は、一実施の形態に係る積層接合材料１０の概略構成を示す縦断面図である。

【0042】

図１に示すように、積層接合材料１０は、基材１１と、基材１１の第１面に積層されている第１はんだ部１２ａと、基材１１の第２面に積層されている第２はんだ部１２ｂとを有している。

【0043】

このうち基材１１は、線膨張係数が５．５～１５．５ｐｐｍ／Ｋの材料からなる。基材１１は、線膨張係数が５．９～１４．４ｐｐｍ／Ｋであることがより好ましく、線膨張係数が７．０～１１．６ｐｐｍ／Ｋであることが特に好ましい。具体的には、たとえば、基材１１として、Ｃｕ－Ｗ基材料またはＣｕ－Ｍｏ基材料が用いられる。基材１１として、Ｃｕ－Ｗ基材料とＣｕ－Ｍｏ基材料との積層材料が用いられてもよい。基材１１として、Ｃｕ－Ｗ基材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料、Ｃｕ－Ｍｏ基材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料、Ｃｕ－Ｗ基材料とＣｕ－Ｍｏ基材料との積層材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料のいずれかが用いられてもよい。基材１１が複合材料からなる場合には、中央に位置するＣｕ－Ｍｏ基材料、Ｃｕ－Ｗ基材料またはＣｕ－Ｗ基材料とＣｕ－Ｍｏ基材料との積層材料と、その一方の面に積層されているＣｕ基材料の厚さの比は、たとえば４：１～１：２であってもよい。

【0044】

なお、本明細書において、Ｃｕ－Ｗ基材料とは、当該材料を構成する元素のうち、質量比でＣｕとＷが最も多い材料をいい、好ましくは当該材料全体に対してＣｕとＷの含有量の合計が質量比で５０％以上である。Ｃｕ－Ｗ基材料は、ＣｕとＷ以外の元素を不純物として含んでいてもよい。また、Ｃｕ－Ｍｏ基材料とは、当該材料を構成する元素のうち、質量比でＣｕとＭｏが最も多い材料をいい、好ましくは当該材料全体に対してＣｕとＭｏの含有量の合計が質量比で５０％以上である。Ｃｕ－Ｍｏ基材料は、ＣｕとＭｏ以外の元素を不純物として含んでいてもよい。

【0045】

基材１１のＣｕ含有量が増加すると、熱膨張率が大きくなるため、基材１１のＣｕ含有量は、質量比で６０％以下であることが好ましい。

【0046】

また、基材１１のＣｕ含有量が増加すると、熱伝導率が向上するため、基材１１のＣｕ含有量は、質量比で１５％以上であることが好ましい。

【0047】

基材１１は、（規則的なパターンでの開口が形成されていない）ベタ状（ｓｏｌｉｄ）に形成されていてもよいし、（規則的なパターンで開口が形成されている）メッシュ形状を有していてもよい。メッシュ形状の場合には、格子間隔（隣り合う２つの開口の中心間隔）は、１．０ｍｍ以上であってもよく、２．０ｍｍ以上であってもよい。本件発明者らが応力解析シミュレーションにより検証したところ、このような態様によれば、基材１１がベタ状に形成されている場合に比べて、接合部における応力緩和効果をさらに高めることができることが確認された。この理由は、格子間隔が大きいほど、被接合材（たとえば半導体素子２２（図２参照））の角部が基材１１のメッシュの開口部分と重なる割合が高まるため、歪みが生じやすい角部において応力緩和効果を高めることができるからであると考えられる。

【0048】

図１に示すように、第１はんだ部１２ａは、基材１１の第１面（図示された例では上面）に積層されており、第２はんだ部１２ｂは、基材１１の第２面（図示された例では下面）に積層されている。第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂは、いずれも、鉛フリーはんだで構成されている。

【0049】

第１はんだ部１２ａの厚さと、第２はんだ部１２ｂの厚さは、いずれも、０．０５～１．０ｍｍであってもよく、０．１～１．０ｍｍであってもよい。

【0050】

第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂを構成する鉛フリーはんだの材料は、特に限定されるものではないが、たとえばＳｎ基合金、Ｓｎ－Ａｇ基合金、Ｓｎ－Ｃｕ基合金、Ｓｎ－Ｓｂ基合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ基合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｂ基合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｉｎ基合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ基合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ－Ｓｂ基合金、Ｓｎ－Ｂｉ基合金、Ｓｎ－Ｉｎ基合金などが用いられてもよい。なお、○○基合金（○○は１種類以上の元素記号）とは、当該合金を構成する元素のうち、質量比で○○が最も多い合金をいい、好ましくは当該合金全体に対して○○の含有量（○○が２種類以上の元素を含む場合には、各元素の含有量の合計）が質量比で５０％以上である。○○基合金は、○○以外の元素を不純物として含んでいてもよい。

【0051】

第１はんだ部１２ａを構成する鉛フリーはんだと第２はんだ部１２ｂを構成する鉛フリーはんだ１２ｂとは、同一の組成を有していてもよいし、互いに異なる組成を有していてもよい。

【0052】

本件発明者らが冷熱サイクル試験により実際に検証したところ、図２を参照し、基板２１と半導体素子２２の間に配置された積層接合材料１０ａについて、第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂを構成する鉛フリーはんだのヤング率が大きいほど、基板１１側の接合部に生じる歪みの緩和効果が高く、また、当該鉛フリーはんだの引張強さが小さいほど、半導体素子１２側の接合部に生じる歪みの緩和効果が高いことが見出された。したがって、第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂを構成する鉛フリーはんだは、ヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張強さが１００ＭＰａ（「３．４Ａｇ－０．７Ｃｕ－３．２Ｂｉ－３．０Ｓｂ－０．０２５Ｆｅ－０．００８Ｃｏ－ＳｎＢａｌ．」の引張強さ９６．５ＭＰａと「１０．０Ａｇ－４．０Ｃｕ－２０．０Ｓｂ－ＳｎＢａｌ．」の引張強さ１０８．８ＭＰａの中間）以下であることが好ましく、ヤング率が５５ＧＰａ（「１０．０Ｓｂ－ＳｎＢａｌ．」のヤング率５３．８ＧＰａと「０．７Ｃｕ－０．０６Ｎｉ－０．００３Ｐ－ＳｎＢａｌ．」のヤング率５６．５ＧＰａの中間）以上であることがより好ましい。さらに、鉛フリーはんだのヤング率が５５ＧＰａ以上である場合には、基材１１の線膨張係数が７．７～９．９ｐｐｍ／Ｋであることがさらに好ましい。本件発明者らが冷熱サイクル試験により実際に検証したところ、このような態様によれば、基板２１側および半導体素子２２側の両方にて接合部におけるクラックの進展をほとんど確認することができず、したがって、極めて高い信頼性を達成できることが見出された。

【0053】

本件発明者らが応力解析シミュレーションにより検証したところ、第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂを構成する鉛フリーはんだの引張強さが大きいほど、接合部における応力緩和効果をさらに高めることができることが見出された。したがって、第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂを構成する鉛フリーはんだの引張強さは、５３ＭＰａ（「３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－ＳｎＢａｌ．」の引張強さ）以上であることが好ましく、５８ＭＰａ（「１０．０Ｓｂ－ＳｎＢａｌ．」の引張強さ）以上であることがより好ましい。

【0054】

第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂを構成する鉛フリーはんだの融点は、２１０℃以上であることが好ましく、２３０℃以上であってもよいし、２４０℃以上であってもよいし、２５０℃以上であってもよい。

【0055】

基材１１と第１はんだ部１２ａの厚さの比と、基材１１と第２はんだ部１２ｂの厚さの比のうちの少なくとも一方は、２：１～１０：１であることが好ましい。基材１１と第１はんだ部１２ａの厚さの比と、基材１１と第２はんだ部１２ｂの厚さの比の両方とも、２：１～１０：１であってもよい。

【0056】

第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂの積層は、電気めっき、溶融めっき、クラッドなどの既存の方法で行われる。クラッドまたは圧延でコーティングの厚さを調整してもよい。

【0057】

図１に示すように、第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂの少なくとも一方と基材１１との界面が、基材１１側から順にＮｉ、Ｓｎにより下地処理（たとえばめっき処理）されていることが好ましい。基材１１とＳｎとの間がＮｉで下地処理されていることで、基材１１側へのＳｎの拡散を抑制できる。またＮｉ上にＳｎが下地処理されていることで、鉛フリーはんだから構成される第１はんだ１２ａおよび第２はんだ部１２ｂを積層しやすくなる。したがって、基材１１と鉛フリーはんだから構成される第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂとの密着性が高まる。第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂの両方と基材１１との界面が、基材１１側から順にＮｉ、Ｓｎにより下地処理（たとえばめっき処理）されていてもよい。

【0058】

図示された例では、基材１１の第１面と鉛フリーはんだから構成される第１はんだ部１２ａとの間に下地処理による第１下地層１３ａが形成されており、基材１１の第２面と鉛フリーはんだから構成される第２はんだ部１２ｂとの間に下地処理による第２下地層１３ｂが形成されている。

【0059】

（半導体パッケージ、パワーモジュール）
次に、図２を参照し、一実施の形態に係る半導体パッケージ２０について説明する。なお、本明細書において、半導体パッケージ２０に含まれる半導体素子２２がパワー半導体素子である場合には、そのような半導体パッケージ２０（すなわちパワー半導体パッケージ）をパワーモジュールということがある。

【0060】

図２は、一実施の形態に係る半導体パッケージ２０の概略構成を示す縦断面図である。

【0061】

図２に示すように、半導体パッケージ２０は、基板２１と、基板２１上に配置された半導体素子２２と、基板２１と半導体素子２２とを接合する第１積層接合材料１０ａとを有している。

【0062】

このうち第１積層接合材料１０ａの構成は、上述した一実施の形態に係る積層接合材料１０の構成と同じであり、説明を省略する。

【0063】

基板２１の種類は、特に限定されるものではないが、たとえばＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ）基板またはＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ａｌｍｉｎｉｕｍ）基板が用いられる。

【0064】

図２に示すように、半導体素子２２は、基板２１上に第１積層接合材料１０ａを介して配置されており、基板２１と半導体素子２２とは第１積層接合材料１０ａによって接合されている。

【0065】

半導体素子２２の種類は、特に限定されるものではないが、たとえばパワートランジスタやパワーダイオードなどのパワー半導体素子が用いられる。この場合、半導体素子２２の動作温度の上昇により第１積層接合材料１０ａが２００℃以上の高温に達することがあっても、第１積層接合材料１０ａにおいて、第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂを構成する鉛フリーはんだの融点が２１０℃以上であれば、鉛フリーはんだが溶けて故障することが防止され得る。

【0066】

本実施の形態では、図２に示すように、半導体パッケージ２０は、基板２１の下に配置された放熱部２３と、基板２１と放熱部２３とを接合する第２積層接合材料１０ｂとをさらに有している。

【0067】

このうち第２積層接合材料１０ｂの構成は、上述した一実施の形態に係る積層接合材料１０の構成と同じであり、説明を省略する。

【0068】

図２に示すように、放熱部２３は、基板２１の半導体素子２２とは逆側に第２積層接合材料１０ｂを介して配置されており、基板２１と放熱部２３とは第２積層接合材料１０ｂによって接合されている。

【0069】

図２に示す例では、放熱部２３は、放熱板２３ａと、放熱板２３ａの一方の面（図示された例では下面）に密着して固定された放熱フィン２３ｂとを有しており、放熱板２３ａの他方の面（図示された例では上面）は第２積層接合材料１０ｂに密着して固定されている。放熱部２３の材料としては、熱伝導性の高い材料が用いられ、たとえば、ＣｕＭｏやＣｕＷが用いられる。

【0070】

本件発明者らが後述する冷熱サイクル試験および応力解析シミュレーションにより検証したところ、以上のような本実施の形態によれば、特に高温環境下において接合部に生じる歪みを緩和でき、高信頼性を達成できることが確認された。本件発明者らの考えでは、第１積層接合材料１０ａおよび第２積層接合材料１０ｂに含まれる基材１１の線膨張係数が、半導体素子２２の線膨張係数と基板２１や放熱部２３の材料の線膨張係数との中間にあってバランスが取れるとともに、鉛フリーはんだから構成される第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂが適切な厚さを有していることで、基材やはんだの具体的な合金組成に特に依存することなく、高温環境下において半導体素子２２と基板２１や放熱部２３のＣＴＥ差によって、半導体素子２２と基板２１との間の接合部および基板２１と放熱部２３との間の接合部に生じる歪みを緩和できると考えられる。

【0071】

また、本実施の形態によれば、第１積層接合材料１０ａおよび第２積層接合材料１０ｂに含まれる基材１１が、Ｃｕ－Ｗ基材料、Ｃｕ－Ｍｏ基材料、Ｃｕ－Ｗ基材料とＣｕ－Ｍｏ基材料との積層材料、Ｃｕ－Ｗ基材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料、Ｃｕ－Ｍｏ基材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料、Ｃｕ－Ｗ基材料とＣｕ－Ｍｏ基材料との積層材料の第１面および第２面にそれぞれＣｕ基材料が積層された複合材料のいずれかからなり、基材１１が高い熱伝導性を有するため、接合部における過度な温度上昇を抑制でき、接合部に生じる熱的な歪み自体が低減され、結果として半導体パッケージ２０の製品としての長寿命化にさらに有利に作用する。

【0072】

また、本実施の形態によれば、第１積層接合材料１０ａおよび第２積層接合材料１０ｂに含まれる基材１１のＣｕ含有量が６０％以下であるため、当該基材１１の線膨張係数がより低くなり、特に高温環境下においてＣＴＥ差による接合部に生じる歪みをさらに緩和できる。

【0073】

また、本実施の形態によれば、第１積層接合材料１０ａおよび第２積層接合材料１０ｂに含まれる基材１１のＣｕ含有量が１５％以上であるため、当該基材１１の熱伝導性がより高まり、接合部に生じる熱的な歪み自体がさらに低減され得る。

【0074】

また、本実施の形態によれば、第１積層接合材料１０ａおよび第２積層接合材料１０ｂにおいて、第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂのうちの少なくとも一方と基材１１との界面が、基材１１側から順にＮｉ、Ｓｎにより下地処理されているため、基材１１と鉛フリーはんだから構成される第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂとの密着性を高めることができる。

【0075】

また、本実施の形態によれば、第１積層接合材料１０ａおよび第２積層接合材料１０ｂにおいて、第１はんだ部１２ａおよび第２はんだ部１２ｂを構成する鉛フリーはんだの融点が２１０℃以上であるため、半導体素子２２の動作温度の上昇により第１積層接合材料１０ａおよび第２積層接合材料１０ｂが２００℃以上の高温に達する場合であっても、第１積層接合材料１０ａおよび第２積層接合材料１０ｂに含まれる鉛フリーはんだが溶けて故障することが防止され得る。

【0076】

（実施例）
次に、本実施の形態に係る具体的な実施例について説明する。

【0077】

（１）第１冷熱サイクル試験
本件発明者らは、図３Ａ、図３Ｂおよび図４に示すように、実施例１～２３および比較例１～１８の接合材料（６．５ｍｍ□、基材はベタ状）をそれぞれ用意し、各接合材料を用いて基板（２０ｍｍ□、厚さ２ｍｍのＣｕブロック）と半導体素子（５．５ｍｍ□、厚さ０．４ｍｍのＳｉチップ）とを接合したサンプルを作成した。次に、各サンプルに対して、冷熱衝撃装置 ＴＳＡ－７１Ｌ－Ａ（エスペック（株）製）を使用して、－４０℃～＋１５０℃（各さらし時間０．５ｈ）の試験条件にて、冷熱サイクル試験を実施した。そして、冷熱サイクル試験前、２５０サイクル後、５００サイクル後、１０００サイクル後の各時点における各サンプルに対して、超音波映像装置 ＦｉｎｅＳＡＴ ＦＡＳ２００ＩＩ（日立建機ファインテック（株）製）を使用して、Ｓｉチップ側およびＣｕベース側の各々からＳＡＴ観察を行って、ＳＡＴ観察画像から接合部の空隙面積率を算出し、その変化率（クラック進展率）を評価した。ここで、クラック進展率は、下式（１）により計算した。
クラック進展率（％）＝｛（１０００サイクル後の空隙面積率－冷熱サイクル試験前の空隙面積率）／（１００－冷熱サイクル試験前の空隙面積率）｝×１００ 式（１）

【0078】

図３Ａ、図３Ｂおよび図４の「クラック進展率」の列は、試験結果を示している。図３Ａ、図３Ｂおよび図４において、クラック進展率「◎」は、Ｓｉチップ側のクラック進展率が１０％未満であり、かつ、Ｃｕベース側のクラック進展率が１０％未満のものである。クラック進展率「〇」は、Ｓｉチップ側のクラック進展率が１０％未満であり、Ｃｕベース側のクラック進展率が１０％以上５０％未満のものである。クラック進展率「×」は、Ｓｉチップ側のクラック進展率が１０％以上、またはＣｕベース側のクラック進展率が５０％以上のものである。

【0079】

図５Ａは、実施例１～３および比較例７～８のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。図５Ｂは、実施例７～８および比較例１５～１６のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。図６Ａは、比較例１～４のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。図６Ｂは、比較例１１～１４のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。図７Ａは、実施例４～６および比較例９～１０のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。図７Ｂは、実施例９～１０および比較例１７～１８のクラック進展率を比較して示す棒グラフである。

【0080】

図３Ａ、図３Ｂ、図５Ａ～図７Ｂに示すように、実施例１～２３ではいずれも、１０００サイクル後のＳｉチップ側のクラック進展率が１０％未満であり、特に高温環境下においてＳｉチップ側の接合部に生じる歪みを緩和でき、高信頼性であることが確認された。他方、図４、図５Ａ～図７Ｂに示すように、比較例１、４～１１、１３～１８では、１０００サイクル後のＳｉチップ側のクラック進展率が１０％以上（比較例１、４、１１、１４～１８では１００％）であり、特に高温環境下においてＳｉチップ側の接合部に生じる歪みを緩和できず、信頼性が低いことが確認された。実施例１～２３は基材の線膨張係数が５．９～１４．４ｐｐｍ／Ｋである。一方、比較例７、９、１５、１７は基材が存在せず、比較例１、８、１０～１１、１６、１８は基材の線膨張係数が１７．１ｐｐｍ／Ｋと高く、比較例５～６は基材の線膨張係数が４．６～５．２ｐｐｍ／Ｋと低い。したがって、基材の第１面および第２面に鉛フリーはんだから構成されている第１はんだ部および第２はんだ部が積層された積層接合材料において、基材の線膨張係数が５．５（５．９と４．６の中間）～１５．５（１４．４と１７．１の中間）ｐｐｍ／Ｋ、より好ましくは５．９～１４．４ｐｐｍ／Ｋであれば、１０００サイクル後のＳｉチップ側のクラック進展率が１０％未満となり、特にＳｉチップ側の接合部に生じる歪みを緩和でき、高信頼性を達成できると言える。

【0081】

また、図３Ａ、図３Ｂ、図５Ａ～図７Ｂに示すように、実施例２、７～１０、１３、１６、１９では、Ｃｕベース側のクラック進展率が１０％未満であり、Ｃｕベース側の接合部に生じる歪みの緩和効果がより高いことが確認された。実施例１～１０、１３～１４、１６～２１は基材の線膨張係数が７．０～１１．６ｐｐｍ／Ｋであるのに対し、実施例１１～１２、１５は基材の線膨張係数が５．９～６．８ｐｐｍ／Ｋであり、実施例２２～２３は基材の線膨張係数が１３．８～１４．４ｐｐｍ／Ｋである。このことから、基材の第１面に積層されている第１はんだ部および第２面に積層されている第２はんだ部が鉛フリーはんだで構成された積層接合材料において、接合部に生じる歪みの緩和効果がより高く、より高い信頼性を達成するためには、基材の線膨張係数は７．０～１１．６ｐｐｍ／Ｋであることがより好ましいと言える。

【0082】

（２）第２冷熱サイクル試験
本件発明者らは、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、実施例Ｂ１～Ｂ３６の接合材料（６．５ｍｍ□、基材はベタ状）をそれぞれ用意し、各接合材料を用いて基板（２０ｍｍ□、厚さ２ｍｍのＣｕブロック）と半導体素子（５．５ｍｍ□、厚さ０．４ｍｍのＳｉチップ）とを接合したサンプルを作成した。なお、実施例Ｂ１３～Ｂ１８、Ｂ３３～Ｂ３６のサンプルはそれぞれ、第１冷熱サイクル試験における実施例１、４、２、５、３、６、７、９、８、１０のサンプルに対応するものである。次に、第１冷熱サイクル試験と同様に、各サンプルに対して、冷熱衝撃装置 ＴＳＡ－７１Ｌ－Ａ（エスペック（株）製）を使用して、－４０℃～＋１５０℃（各さらし時間０．５ｈ）の試験条件にて、冷熱サイクル試験を実施した。そして、冷熱サイクル試験前、１０００サイクル後の各時点における各サンプルに対して、超音波映像装置 ＦｉｎｅＳＡＴ ＦＡＳ２００ＩＩ（日立建機ファインテック（株）製）を使用して、Ｓｉチップ側およびＣｕベース側の各々からＳＡＴ観察を行って、ＳＡＴ観察画像から接合部の空隙面積率を算出し、その変化率（クラック進展率）を評価した。

【0083】

図８Ａおよび図８Ｂの「クラック進展率」の列は、試験結果を示している。図８Ａおよび図８Ｂにおいて、クラック進展率「Ａ」は、Ｓｉチップ側のクラック進展率が１０％未満であり、かつ、Ｃｕベース側のクラック進展率が１０％未満のものである。クラック進展率「Ｂ」は、Ｓｉチップ側のクラック進展率が１０％未満であり、Ｃｕベース側のクラック進展率が１０％以上３４％未満のものである。クラック進展率「Ｃ」は、Ｓｉチップ側のクラック進展率が１０％未満であり、Ｃｕベース側のクラック進展率が３４％以上５１％未満のものである。クラック進展率「Ｄ」は、Ｓｉチップ側のクラック進展率が１０％以上、またはＣｕベース側のクラック進展率が５１％以上のものである。なお、第２冷熱サイクル試験と第１冷熱サイクル試験との間で試験結果に違いのあるものについては、その理由は、第２冷熱サイクル試験では第１冷熱サイクル試験に比べて、試験数を増やしてその平均値データを使用してクラック進展率を評価したためであると考えられる。

【0084】

図８Ａおよび図８Ｂに示すように、実施例Ｂ１～Ｂ２４ではいずれも、１０００サイクル後のＳｉチップ側のクラック進展率が１０％未満であり、かつ、Ｃｕベース側のクラック進展率が５１％未満であり、特に高温環境下においてＣｕベース側およびＳｉチップ側の両方にて接合部に生じる歪みを効果的に緩和でき、高信頼性を達成できることが確認された。実施例Ｂ１～Ｂ２４では、鉛フリーはんだのヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張強さが９７ＭＰａ以下であるのに対し、実施例Ｂ２５～Ｂ３６では、鉛フリーはんだのヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張強さが１０８ＭＰａ以上である。このことから、Ｃｕベース側およびＳｉチップ側の両方にて接合部に生じる歪みの緩和効果が高く、より高い信頼性を達成するためには、鉛フリーはんだのヤング率が４５ＧＰａ以上であり、かつ、引張り強さが１００（９７と１０８の中間）ＭＰａ以下であることが好ましいと言える。

【0085】

また、図８Ａに示すように、実施例Ｂ１９～Ｂ２４ではいずれも、１０００サイクル後のＳｉチップ側のクラック進展率が１０％未満であり、かつ、Ｃｕベース側のクラック進展率が３４％未満であり、特に高温環境下においてＣｕベース側およびＳｉチップ側の両方にて接合部に生じる歪みをさらに効果的に緩和でき、非常に高い信頼性を達成できることが確認された。実施例Ｂ１９～Ｂ２４では、鉛フリーはんだのヤング率が５６ＧＰａ以上であるのに対し、実施例Ｂ１～Ｂ１８では、鉛フリーはんだのヤング率が５４ＧＰａ以下である。このことから、Ｃｕベース側およびＳｉチップ側の両方にて接合部に生じる歪みの緩和効果をさらに高めて、より高い信頼性を達成するためには、鉛フリーはんだのヤング率が５５（５４と５６の中間）ＧＰａ以上であることがより好ましいと言える。

【0086】

さらに、図８Ａに示すように、実施例Ｂ２１～Ｂ２４ではいずれも、１０００サイクル後のＳｉチップ側のクラック進展率が１０％未満であり、かつ、Ｃｕベース側のクラック進展率が１０％未満であり、Ｃｕベース側およびＳｉチップ側の両方にて接合部におけるクラックの進展をほとんど確認することができず、したがって、極めて高い信頼性を達成できることが見出された。実施例Ｂ２１～Ｂ２４では、基材の線膨張係数が７．７～９．９ｐｐｍ／Ｋであるのに対し、実施例Ｂ１９～Ｂ２０では、基材の線膨張係数が７．０ｐｐｍ／Ｋである。このことから、鉛フリーはんだのヤング率が５４ＧＰａ以下であり、かつ、引張り強さが１００ＭＰａ以下である場合には、基材の線膨張係数は７．７～９．９ｐｐｍ／Ｋであることがより好ましいと言える。

【0087】

（３）応力解析シミュレーション
本件発明者らは、積層接合材料の応力緩和効果が、鉛フリーはんだの厚みや材質、基材の形状等に対して依存するか否かを、上述した冷熱サイクル試験を模したコンピュータシミュレーションにより確認した。

【0088】

すなわち、本件発明者らは、まず、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、サンプル１～２３の接合材料（６．５ｍｍ□）を定義した。このうちサンプル１４～１６では、図１３Ａに示すように、基材は、□０．３５ｍｍの開口が格子状のパターン（隣り合う２つの開口の中心間隔（ピッチ）が０．５ｍｍ）にて形成されたメッシュ形状を有しており、被接合材であるＳｉチップの４隅の角部が、基材の開口部分と重なることができるようになっている。また、サンプル１７～１９では、図１３Ｂに示すように、基材は、□１．０ｍｍの開口が格子状のパターン（隣り合う２つの開口の中心間隔（ピッチ）が２．０ｍｍ）にて形成されたメッシュ形状を有しており、被接合材であるＳｉチップの４隅の角部が、基材の開口部分と重なることができるようになっている。また、サンプル２０～２１では、図１３Ｃに示すように、基材は、□２．０ｍｍの開口が格子状のパターン（隣り合う２つの開口の中心間隔（ピッチ）が３．０ｍｍ）にて形成されたメッシュ形状を有しており、被接合材であるＳｉチップの４隅の角部が、基材の開口部分と重なることができるようになっている。また、サンプル２２～２３では、図１３Ｄに示すように、基材は、□４．５ｍｍの開口が格子状のパターン（隣り合う２つの開口の中心間隔（ピッチ）が５．０ｍｍ）にて形成されたメッシュ形状を有しており、被接合材であるＳｉチップの４隅の角部が、基材の開口部分と重なることができるようになっている。

【0089】

次に、本件発明者らは、物理シミュレーションソフト（ＣＯＭＯＳＯＬ ＡＢ社製ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（登録商標）Ｖｅｒ．５．５）を使用し、図９に示すように、各接合材料を用いて基板（２０ｍｍ□、厚さ２ｍｍのＣｕブロック）と半導体素子（５．５ｍｍ□、厚さ０．４ｍｍのＳｉチップ）とを接合した評価サンプルを作成し、各評価サンプルに対して、－４０℃～＋１５０℃（各さらし時間０．５ｈ）の試験条件にて、冷熱サイクル試験のシミュレーション（計算方法（アルゴリズム）は、はんだ部を粘塑性体、その他を完全弾性体とした有限要素法解析）を行い、１サイクル経過後に基板側および半導体素子側の界面において発生する歪み分布を測定した。図１１は、サンプル１、２、１７についての１サイクル経過後の半導体素子と接合部材との界面における歪み分布を示すグラフである。

【0090】

図１２は、サンプル１、３～９についての１サイクル経過後の半導体素子と接合部材との界面における歪み量（歪み分布の平均値）を、鉛フリーはんだの厚さを横軸として示すグラフである。図１２に示すように、はんだの厚さが０．０２～０．１ｍｍの範囲では、はんだの厚さが増えるにつれて歪み量が急減しており、０．１～１．０ｍｍの範囲では、はんだの厚さによらずに歪み量は概ね一定となることが確認された。このことから、積層接合材料における鉛フリーはんだの厚さは、０．０５～１．０ｍｍであることが好ましいと言える。

【0091】

図１４は、サンプル１、４、１３～２３についての１サイクル経過後の半導体素子と接合部材との界面における歪み量（歪み分布の最大値）を、サンプル１の歪み量を基準に規格化して示す棒グラフである。図１４に示すように、基材がメッシュ形状（格子間隔が２．０ｍｍ）を有する場合（サンプル１７～１９）は、基材がベタ状に形成されている場合（サンプル１、４、１３）に比べて歪み量が概ね減少しており、基材がメッシュ形状（格子間隔が３．０ｍｍまたは５．０ｍｍ）を有する場合（サンプル２０～２３）は、基材がベタ状に形成されている場合（サンプル１、４）に比べて歪み量が明らかに減少していることが確認された。このことから、基材がメッシュ形状を有する場合には、格子間隔が１．０ｍｍ（サンプル１４～１６とサンプル１７～１９の中間）以上、または２．０ｍｍ（サンプル１７～１９）以上であれば、基材がベタ状に形成されている場合に比べて、接合部における応力緩和効果をさらに高めることができると言える。

【0092】

以上、実施の形態および変形例を例示により説明したが、本技術の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。また、各実施の形態および変形例は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図13D】

【図14】