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JP5839892B2 - Solder material and semiconductor device - Google Patents
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Description

本発明は、半田材および半導体装置に関し、特に、半導体素子を半導体装置に組み込む際に用いられるのに適した半田材およびその半田材が用いられた半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a solder material and a semiconductor device, and more particularly to a solder material suitable for use in incorporating a semiconductor element into a semiconductor device and a semiconductor device using the solder material.

従来、半導体素子がベース板に半田付けされ、かつ樹脂封止された半導体装置が用いられている。このような半導体装置は、たとえば論文「リード接合を用いた大容量樹脂封止パワーモジュール」(非特許文献1)において従来のパワーモジュールとして開示されている。このパワーモジュールでは、半導体素子がセラミック基板に搭載されており、セラミック基板がベース板に半田付けされている。そして、ベース板が樹脂ケースに接着されている。ケース内の空間に絶縁性ゲルが充填されている。   Conventionally, a semiconductor device in which a semiconductor element is soldered to a base plate and sealed with a resin is used. Such a semiconductor device is disclosed as a conventional power module in, for example, the paper “Large-capacity resin-encapsulated power module using lead bonding” (Non-Patent Document 1). In this power module, a semiconductor element is mounted on a ceramic substrate, and the ceramic substrate is soldered to a base plate. The base plate is bonded to the resin case. The space in the case is filled with insulating gel.

上記のような半導体装置は、一般に次のような工程を経て組立てられる。すなわち、半導体素子と基板との間に半田材が配置され、また基板とベース板との間に半田材が配置される。全体が半田材の融点以上の温度に加熱されて半田材が溶融された後、半田材が冷却されて半田材が凝固される。これにより、半導体素子と基板、また基板とベース板とが接合される。   The semiconductor device as described above is generally assembled through the following processes. That is, a solder material is disposed between the semiconductor element and the substrate, and a solder material is disposed between the substrate and the base plate. After the whole is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the solder material and the solder material is melted, the solder material is cooled to solidify the solder material. As a result, the semiconductor element and the substrate, or the substrate and the base plate are joined.

半田材には、たとえばSn(スズ)を主成分とするSn−37Pb(鉛)合金はんだが用いられる。半田材としてはソルダペーストが供給されてもよく、板状の半田材が供給されてもよい。いずれの半田材を用いた場合も、半田材が一旦溶融されて被接合材である半導体素子、基板およびベース板の表面を濡らして合金反応を起こさせた後、半田材が凝固することによって接合を達成することに変わりはない。   As the solder material, for example, Sn-37Pb (lead) alloy solder whose main component is Sn (tin) is used. A solder paste may be supplied as the solder material, or a plate-shaped solder material may be supplied. Regardless of which solder material is used, the solder material is once melted to wet the surfaces of the semiconductor element, substrate, and base plate, which are materials to be joined, to cause an alloy reaction, and then the solder material solidifies to join. There is no change in achieving.

一般に金属材料は溶融状態から凝固して固体に相変態する時に数%収縮する。上記のような半導体装置で使用されている半田材も同様に3%程度の凝固収縮率を持っている。そのため、半田材が一旦溶融された後に凝固されると、半田材は収縮する。接合部に供給された半田材が全体的に均一に収縮すれば健全な接合部が形成されるが、接合部の寸法が大きくなると接合部全体を同時に凝固させることは困難になる。   In general, a metal material shrinks by several percent when it solidifies from a molten state and transforms into a solid. Similarly, the solder material used in the semiconductor device as described above has a solidification shrinkage rate of about 3%. Therefore, when the solder material is once melted and then solidified, the solder material contracts. If the solder material supplied to the joint portion shrinks uniformly as a whole, a sound joint portion is formed. However, when the size of the joint portion increases, it becomes difficult to solidify the whole joint portion at the same time.

半田材では、最初に温度が低下した部分から順次凝固相が拡大し、最も温度低下が遅く起こった部分が最終凝固部となる。この場合、凝固開始初期においては凝固して体積が減少した部分に、まだ凝固していない液体の半田が移動して凝固収縮分を補うようにしながら凝固が進行する。そのため、最終凝固部周辺に凝固収縮が集中的に生じ、結果として凝固収縮割れが形成される。   In the solder material, the solidified phase sequentially expands from the portion where the temperature first decreased, and the portion where the temperature decrease occurred most slowly becomes the final solidified portion. In this case, in the initial stage of solidification, the solidification proceeds while the liquid solder that has not yet solidified moves to compensate for the solidification shrinkage in a portion where the volume has decreased due to solidification. For this reason, solidification shrinkage occurs intensively around the final solidified portion, and as a result, solidification shrinkage cracks are formed.

このような凝固収縮の問題を解決する手法として、たとえば特開2005−186160号公報(特許文献1)では、半田のAg(銀)濃度およびCu(銅)濃度を管理することによって半田が凝固するときに半田表面に凹凸ができずに光沢が保たれると同時に引け巣が防止され得る手法が提案されている。   As a technique for solving such a problem of solidification shrinkage, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-186160 (Patent Document 1), the solder is solidified by managing the Ag (silver) concentration and the Cu (copper) concentration of the solder. A method has been proposed in which the surface of the solder is not uneven and the gloss can be maintained and at the same time the shrinkage can be prevented.

特開2005−186160号公報JP-A-2005-186160

中島泰他5名、「リード接合を用いた大容量樹脂封止パワーモジュール」、「第11回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム論文集Vol.11 2005」、社団法人溶接学会、2005年、pp.433−436Yasushi Nakajima et al., “High-capacity resin-encapsulated power module using lead bonding”, “Procedure of 11th Micro-Joint and Packaging Technology Symposium Vol.11 2005”, Japan Welding Society, 2005, pp . 433-436

接合部の寸法がたとえば10mm×10mmよりも十分小さい場合は実質的に同時に凝固が起こるため、顕著な凝固収縮割れを生じることは少ないが、たとえば10mm×10mm以上の寸法の接合部の場合は上述のように顕著な凝固収縮割れが生じる。   When the joint size is sufficiently smaller than, for example, 10 mm × 10 mm, solidification occurs substantially simultaneously, so that remarkable solidification shrinkage cracks are rarely generated. However, in the case of a joint having a size of 10 mm × 10 mm or more, for example, As shown in FIG.

特開2005−186160号公報に記載の手法に用いられる半田材でも、微小な接合部に適用した場合には、引け巣の発生を抑制し得るが、寸法がたとえば10mm×10mm以上の大型の接合部に適用した場合には、上記と同様に最終凝固部周辺に凝固収縮が集中的に生じ、依然として凝固収縮割れを生じる問題があった。   Even when the solder material used in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-186160 is applied to a minute joint, generation of shrinkage nests can be suppressed, but a large joint having a size of, for example, 10 mm × 10 mm or more. When applied to the part, there is a problem in that solidification shrinkage is concentrated around the final solidification part as described above, and solidification shrinkage cracks still occur.

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、凝固収縮割れの発生を抑制できる半田材およびその半田材が用いられた半導体装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a solder material capable of suppressing the occurrence of solidification shrinkage cracking and a semiconductor device using the solder material.

本発明の半田材は、固相線の直上の温度における固相率が30%以上となる組成を有する。   The solder material of the present invention has a composition with a solid phase ratio of 30% or more at a temperature immediately above the solid phase line.

本発明の半田材によれば、固相線の直上の温度における固相率が30%以上となるため、半田材が固相線温度になる前に初晶の量が30%以上となる。このため、固相線温度において液相から固相になる半田材の量を少なくすることができる。したがって、凝固収縮分を補うように移動しながら凝固する液相の半田材の量を少なくすることができる。これにより、最終凝固部周辺に凝固収縮が集中して凝固収縮割れが発生することを抑制できる。   According to the solder material of the present invention, the solid phase ratio at a temperature immediately above the solidus becomes 30% or more, so the amount of primary crystals becomes 30% or more before the solder material reaches the solidus temperature. For this reason, it is possible to reduce the amount of solder material that goes from the liquid phase to the solid phase at the solidus temperature. Therefore, it is possible to reduce the amount of the liquid phase solder material that solidifies while moving so as to compensate for the solidification shrinkage. Thereby, it can suppress that the solidification shrinkage concentrates around the last solidification part and the solidification shrinkage crack occurs.

本発明の一実施の形態における半導体装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the semiconductor device in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態における半導体装置の半田付け部を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the soldering part of the semiconductor device in one embodiment of this invention. 比較例の半導体装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the semiconductor device of a comparative example. 比較例の半導体装置の半田付け部を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the soldering part of the semiconductor device of a comparative example. 実施例における比較例1の半導体装置の半田付け部のX線写真を示す図である。It is a figure which shows the X-ray photograph of the soldering part of the semiconductor device of the comparative example 1 in an Example. 実施例における比較例2の半導体装置の半田付け部のX線写真を示す図である。It is a figure which shows the X-ray photograph of the soldering part of the semiconductor device of the comparative example 2 in an Example. 実施例における本発明例1の半導体装置の半田付け部のX線写真を示す図である。It is a figure which shows the X-ray photograph of the soldering part of the semiconductor device of the example 1 of this invention in an Example. 実施例における本発明例2の半導体装置の半田付け部のX線写真を示す図である。It is a figure which shows the X-ray photograph of the soldering part of the semiconductor device of the example 2 of this invention in an Example. 実施例における本発明例3の半導体装置の半田付け部のX線写真を示す図である。It is a figure which shows the X-ray photograph of the soldering part of the semiconductor device of the example 3 of this invention in an Example. 実施例における本発明例4の半導体装置の半田付け部のX線写真を示す図である。It is a figure which shows the X-ray photograph of the soldering part of the semiconductor device of the example 4 of this invention in an Example.

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
最初に本発明の一実施の形態の半田材およびその半田材を用いた半導体装置の構成について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a configuration of a solder material and a semiconductor device using the solder material according to an embodiment of the present invention will be described.

図1を参照して、本発明の一実施の形態の半導体装置10は、半導体素子1と、基板2と、基材3と、半田材4と、ケース5と、ゲル6とを主に有している。半導体素子1は、たとえばSi(ケイ素)からなる基板を用いた素子である。半導体素子1は、たとえば7mm×7mmの正方形の形状を有している。   Referring to FIG. 1, a semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention mainly includes a semiconductor element 1, a substrate 2, a base material 3, a solder material 4, a case 5, and a gel 6. doing. The semiconductor element 1 is an element using a substrate made of, for example, Si (silicon). The semiconductor element 1 has a square shape of, for example, 7 mm × 7 mm.

基板2は、半導体素子1を搭載するためのものである。基板2は、芯材2aと、導体部2bとを有している。芯材2aは、たとえばAlN(窒化アルミニウム)からなるセラミック基板である。導体部2bは、芯材2aの一方面(上面)と他方面(下面)とに設けられている。導体部2bの材料はたとえばCuである。導体部2bは、たとえば15mm×20mmの長方形の形状を有している。基材3は、基板2を固定するためのベース板である。基材3の材料はたとえばCu合金である。   The substrate 2 is for mounting the semiconductor element 1. The board | substrate 2 has the core material 2a and the conductor part 2b. Core material 2a is a ceramic substrate made of, for example, AlN (aluminum nitride). The conductor portion 2b is provided on one surface (upper surface) and the other surface (lower surface) of the core member 2a. The material of the conductor portion 2b is, for example, Cu. The conductor portion 2b has a rectangular shape of 15 mm × 20 mm, for example. The base material 3 is a base plate for fixing the substrate 2. The material of the base material 3 is, for example, a Cu alloy.

半田材4は、固相線の直上の温度における固相率が30%以上となる組成を有している。固相線の直上の温度は、固相線温度よりわずかに高い温度であり、固相線温度より1℃高い温度である。固相率は、固相および液相の質量に対する固相の質量の割合である。半田材4は、たとえば7質量%Sn(スズ)、7.5質量%Sb(アンチモン)、1質量%Agを含み残部がPbと不可避不純物である半田合金である(以下、合金組成は次のように表記する。Pb−7Sn−7.5Sb−1Ag)。   The solder material 4 has a composition in which the solid phase ratio at a temperature immediately above the solid phase line is 30% or more. The temperature immediately above the solidus is slightly higher than the solidus and 1 ° C. higher than the solidus. The solid phase ratio is the ratio of the mass of the solid phase to the mass of the solid phase and the liquid phase. The solder material 4 is, for example, a solder alloy containing 7 mass% Sn (tin), 7.5 mass% Sb (antimony), 1 mass% Ag and the balance being Pb and inevitable impurities (hereinafter, the alloy composition is as follows) Pb-7Sn-7.5Sb-1Ag).

半田材4は、Sn、Pb、Bi(ビスマス)、In(インジウム)、Zn(亜鉛)、Ag、CuおよびNi(ニッケル)よりなる群から選ばれる2種以上を含んでいればよい。半田材4の固相線温度は、たとえば238℃であり、液相線温度はたとえば257℃である。半田材4の固相線温度は183℃より高いことが好ましい。   The solder material 4 should just contain 2 or more types chosen from the group which consists of Sn, Pb, Bi (bismuth), In (indium), Zn (zinc), Ag, Cu, and Ni (nickel). The solidus temperature of the solder material 4 is 238 ° C., for example, and the liquidus temperature is 257 ° C., for example. The solidus temperature of the solder material 4 is preferably higher than 183 ° C.

半導体素子1と基板2とは半田材4を介して接合されている。基板2には2つの半導体素子1がそれぞれの半田接合部で半田付けされている。それぞれの半田接合部での半田材4の接合面積は100mm2以上である。また基板2と基材3とは半田材4を介して接合されている。基板2と基材3との半田接合部での半田材4の接合面積も100mm2以上である。なお、半導体素子1および基材3の少なくともいずれかと基板2とが半田材4を介して接合されていればよい。 The semiconductor element 1 and the substrate 2 are joined via a solder material 4. Two semiconductor elements 1 are soldered to the substrate 2 at respective solder joints. The joint area of the solder material 4 at each solder joint is 100 mm 2 or more. The substrate 2 and the base material 3 are joined via a solder material 4. The joint area of the solder material 4 at the solder joint between the substrate 2 and the base material 3 is also 100 mm 2 or more. Note that it is only necessary that at least one of the semiconductor element 1 and the base material 3 and the substrate 2 are bonded via the solder material 4.

ケース5は容器であり、基材3に取り付けられている。ケース5の材料は、たとえばエポキシ樹脂である。ゲル6は半導体素子1を封止している。ゲル6は絶縁材である。ゲル6の材料はたとえばシリコーン樹脂である。   The case 5 is a container and is attached to the base material 3. The material of the case 5 is, for example, an epoxy resin. The gel 6 seals the semiconductor element 1. The gel 6 is an insulating material. The material of the gel 6 is, for example, a silicone resin.

次に、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
半導体素子1と基板2との間に半田材4が配置され、また基板2と基材3との間に半田材4が配置される。全体が半田材4の融点(液相線)以上の温度に加熱されて半田材4が完全に溶融された後、半田材4が冷却されて半田材4が凝固されることによって半導体素子1と基板2、また基板2と基材3とが接合される。さらに、後の工程において、融点が183℃のSn−Pb共晶半田が用いられて半田付けされることによって部品が追加されてもよい。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described.
A solder material 4 is disposed between the semiconductor element 1 and the substrate 2, and a solder material 4 is disposed between the substrate 2 and the base material 3. After the whole is heated to a temperature equal to or higher than the melting point (liquidus) of the solder material 4 and the solder material 4 is completely melted, the solder material 4 is cooled and the solder material 4 is solidified. The substrate 2 and the substrate 2 and the base material 3 are joined. Further, in a later step, a component may be added by soldering using Sn—Pb eutectic solder having a melting point of 183 ° C.

半田材4としては、ソルダペーストと言われる0.01mm〜0.1mm程度の粒径の半田粉とロジンなどのフラックスとの混合物が供給されてもよく、また0.03mm〜0.5mm程度の厚さの板状の半田が供給されてもよい。板状の半田の場合は、別途、液状のフラックスを供給するか、または水素ガス等の還元材を利用して被接合部材と半田材自体の表面の酸化膜を除去する必要がある。いずれの形態で半田材4を供給した場合も、半田材4が一旦溶融されて被接合材である半導体素子1、基板2および基材3の表面を濡らして合金反応を起こさせた後、半田材4が凝固することによって接合を達成することに変わりはない。   As the solder material 4, a mixture of solder powder having a particle diameter of about 0.01 mm to 0.1 mm, which is called a solder paste, and a flux such as rosin may be supplied, or about 0.03 mm to 0.5 mm. Thick plate-shaped solder may be supplied. In the case of plate-like solder, it is necessary to supply a liquid flux separately or to remove the oxide film on the surface of the member to be joined and the solder material itself using a reducing material such as hydrogen gas. Even when the solder material 4 is supplied in any form, the solder material 4 is once melted to wet the surfaces of the semiconductor element 1, the substrate 2, and the base material 3, which are to be joined, to cause an alloy reaction, There is no change in achieving the joining by solidifying the material 4.

次に本発明の一実施の形態の作用効果について比較例と対比して説明する。
図2を参照して、本発明の一実施の形態の半導体装置10に用いられた半田材4は、初晶21と、最終凝固部22とを有している。初晶21は、最初に凝固および成長した結晶である。最終凝固部22は固相線付近の温度で最終的に凝固した部分である。また、半田材4には、微細な空隙23が生じている。
Next, the effect of one embodiment of the present invention will be described in comparison with a comparative example.
Referring to FIG. 2, solder material 4 used in semiconductor device 10 according to the embodiment of the present invention has primary crystal 21 and final solidified portion 22. The primary crystal 21 is a crystal that is first solidified and grown. The final solidified portion 22 is a portion that is finally solidified at a temperature near the solidus. In addition, fine voids 23 are formed in the solder material 4.

半導体装置10の組立に半田材4が用いられる場合、一旦、半田材4の温度を上昇させて半田材4が溶融される。その後、半田材4が冷却されて液相線温度以下になった段階から凝固が次第に進行して初晶21が成長する。半田材4が固相線温度(たとえば238℃)よりもわずかに高い温度(たとえば239℃)に達した段階で初晶21の量は、既に30%になっている。   When the solder material 4 is used for assembling the semiconductor device 10, the temperature of the solder material 4 is once increased to melt the solder material 4. Thereafter, the solidification gradually proceeds from the stage where the solder material 4 is cooled to the liquidus temperature or lower, and the primary crystal 21 grows. When the solder material 4 reaches a temperature (for example, 239 ° C.) slightly higher than the solidus temperature (for example, 238 ° C.), the amount of the primary crystal 21 has already become 30%.

この段階で、初晶21の成長によって、半導体素子1と基板2との間、また基板2と基材3との間の半田接合面全体での拘束が始まっている。そのため、本発明の一実施の形態の半田材4の場合も従来と同様に3%程度の凝固収縮は発生するものの、その凝固収縮は、凝固の進行に伴って半田接合面全体で均一に生じる。このため、半田材4の一部の領域に凝固収縮が集中して凝固収縮割れを生じることが抑制される。   At this stage, the growth of the primary crystal 21 starts restraint on the entire solder joint surface between the semiconductor element 1 and the substrate 2 and between the substrate 2 and the base material 3. Therefore, in the case of the solder material 4 according to the embodiment of the present invention, the solidification shrinkage of about 3% occurs as in the conventional case, but the solidification shrinkage occurs uniformly on the entire solder joint surface as the solidification progresses. . For this reason, it is suppressed that solidification shrinkage concentrates on a partial region of the solder material 4 to cause solidification shrinkage cracking.

一方、図3を参照して本発明の一実施の形態の比較例の半導体装置10では、本発明の一実施の形態の半導体装置10と比較して半田材4の組成が異なっている。比較例では、半田材4として、Pb−8Sn−10Sb−1Agの半田合金が用いられている。この半田合金は、上述した本発明の一実施の形態のPb−7Sn−7.5Sb−1Agの半田材4に近い融点を有しており、固相線温度は238℃であり、液相線温度は240℃である。また、比較例の半田材4では、固相線直上の固相率は10%である。   On the other hand, in the semiconductor device 10 of the comparative example of the embodiment of the present invention with reference to FIG. 3, the composition of the solder material 4 is different from that of the semiconductor device 10 of the embodiment of the present invention. In the comparative example, a solder alloy of Pb-8Sn-10Sb-1Ag is used as the solder material 4. This solder alloy has a melting point close to the solder material 4 of Pb-7Sn-7.5Sb-1Ag according to the embodiment of the present invention described above, the solidus temperature is 238 ° C., and the liquidus The temperature is 240 ° C. Further, in the solder material 4 of the comparative example, the solid phase ratio immediately above the solid phase line is 10%.

図3に示すように比較例4の半導体装置10では、半田材4に顕著な凝固収縮割れ7が生じてしまう。比較例4では半田材4に凝固収縮割れ7が生じる理由について説明する。図4を参照して、比較例の半田材4では、半田材4の固相線温度の直上の温度における初晶21の量が十分でない。そのため、最終凝固部22が凝固するときの凝固収縮が一部に集中して、半田接合部内で凝固収縮割れ8が発生してしまう。   As shown in FIG. 3, in the semiconductor device 10 of the comparative example 4, remarkable solidification shrinkage cracks 7 occur in the solder material 4. In Comparative Example 4, the reason why the solidification shrinkage crack 7 occurs in the solder material 4 will be described. Referring to FIG. 4, in the solder material 4 of the comparative example, the amount of the primary crystal 21 at a temperature immediately above the solidus temperature of the solder material 4 is not sufficient. Therefore, solidification shrinkage when the final solidified portion 22 is solidified concentrates on a part, and solidification shrinkage cracks 8 occur in the solder joint portion.

本実施の一形態の半田材4によれば、固相線の直上の温度における固相率が30%以上となるため、半田材4が固相線温度になる前に初晶の量が30%以上となる。このため、固相線温度において液相から固相になる半田材4の量を少なくすることができる。したがって、凝固収縮分を補うように移動しながら凝固する液相の半田材4の量を少なくすることができる。これにより、最終凝固部周辺に凝固収縮が集中して凝固収縮割れが発生することを抑制できる。よって、正常な半田接合部を得ることができる。   According to the solder material 4 of the present embodiment, the solid phase ratio at the temperature immediately above the solidus becomes 30% or more, so the amount of primary crystals is 30 before the solder material 4 reaches the solidus temperature. % Or more. For this reason, it is possible to reduce the amount of the solder material 4 from the liquid phase to the solid phase at the solidus temperature. Therefore, it is possible to reduce the amount of the liquid phase solder material 4 that solidifies while moving so as to compensate for the solidification shrinkage. Thereby, it can suppress that the solidification shrinkage concentrates around the last solidification part and the solidification shrinkage crack occurs. Therefore, a normal solder joint can be obtained.

固相線の直上の温度における固相率を30%以上からさらに高めて35%以上とした場合は、さらに安定して凝固収縮割れの発生を抑制できる。たとえば、半田材4がPb−6.7Sn−7.1Sb−0.95Agの場合、固相線温度は上述の本発明の一実施の形態の半田材4と同様に238℃であるが、固相線の直上の温度における固相率が35%である。そのため、さらに大型の基板2と基材3とを接合する場合、たとえば半田接合部の寸法が50mm×60mmの場合でも、凝固収縮割れの発生を抑制できる。   When the solid phase ratio at a temperature immediately above the solidus is further increased from 30% or more to 35% or more, the occurrence of solidification shrinkage cracks can be suppressed more stably. For example, when the solder material 4 is Pb-6.7Sn-7.1Sb-0.95Ag, the solidus temperature is 238 ° C., similar to the solder material 4 of the above-described embodiment of the present invention. The solid phase ratio at a temperature just above the phase line is 35%. Therefore, when the larger substrate 2 and the base material 3 are joined, for example, even when the size of the solder joint is 50 mm × 60 mm, the occurrence of solidification shrinkage cracking can be suppressed.

上記では、半田材4として、Pb−7Sn−7.5Sb−1AgおよびPb−6.7Sn−7.1Sb−0.95Agを用いた場合について述べたが、これに限るものではなく、固相線の直上の温度における固相率が30%以上の半田合金であれば、上記と同様の効果が得られることは言うまでもない。たとえば、固相線の直上の温度における固相率が44%であるPb−6.7Sn−7.1Sb−0.95A、固相線の直上の温度における固相率が66%であるPb−27Sn−3Sbなどでも上記と同様の効果が得られる。   In the above description, the case where Pb-7Sn-7.5Sb-1Ag and Pb-6.7Sn-7.1Sb-0.95Ag are used as the solder material 4 has been described. It goes without saying that the same effect as described above can be obtained if the solid phase ratio at a temperature immediately above is 30% or more. For example, Pb-6.7Sn-7.1Sb-0.95A having a solid phase ratio of 44% at a temperature immediately above the solidus line, and Pb- having a solid phase ratio of 66% at a temperature immediately above the solid line. Even with 27Sn-3Sb, the same effect as described above can be obtained.

本発明の一実施の形態の半田材4は、Sn、Pb、Bi、In、Zn、Ag、CuおよびNiよりなる群から選ばれる2種以上を含む。これにより、融点、被接合物との濡れ性(合金形成性)、半田接合後の継手の機械特性などが適切な半田材4を得ることができる。Bi、In、Znが0.5質量%程度添加された場合、特に適切な半田材4となり得る。一般的にCu、Niは被接合材に含まれているため、Cu、Niが含まれていない半田材4でも半田付けされた後には、Cu、Niが含まれた適切な半田材4となり得る。   The solder material 4 according to one embodiment of the present invention includes two or more selected from the group consisting of Sn, Pb, Bi, In, Zn, Ag, Cu and Ni. Thereby, it is possible to obtain a solder material 4 having an appropriate melting point, wettability with an object to be joined (alloy forming property), mechanical characteristics of the joint after soldering, and the like. When Bi, In, and Zn are added in an amount of about 0.5% by mass, a particularly suitable solder material 4 can be obtained. In general, since Cu and Ni are contained in the material to be bonded, the solder material 4 which does not contain Cu and Ni can be an appropriate solder material 4 containing Cu and Ni after being soldered. .

本発明の一実施の形態の半田材4は、固相線温度が183℃より高いことが好ましい。これにより、後の工程において、融点が183℃のSn−Pb共晶半田が用いられて半田付けされることによって部品が追加される場合の半田付けにおける加熱に対する耐熱性を持たせることができる。半田材4の固相線温度は190℃より高いことがさらに好ましい。これによりさらに耐熱性を持たせることができる。   The solder material 4 of one embodiment of the present invention preferably has a solidus temperature higher than 183 ° C. Thereby, in a later process, the heat resistance to the heating in the soldering in the case where a component is added can be given by using a Sn—Pb eutectic solder having a melting point of 183 ° C. for soldering. The solidus temperature of the solder material 4 is more preferably higher than 190 ° C. Thereby, heat resistance can be further provided.

本発明の一実施の形態における半導体装置10では、半導体素子1および基材3の少なくともいずれかと基板2とが上記の半田材4を介して接合されている。これにより、半田材4の凝固収縮割れの発生を抑制できるため、正常な半田接合部を有する半導体装置10を得ることができる。よって、半導体装置10の信頼性を向上できる。   In the semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention, at least one of the semiconductor element 1 and the base material 3 and the substrate 2 are joined via the solder material 4. Thereby, since generation | occurrence | production of the solidification shrinkage crack of the solder material 4 can be suppressed, the semiconductor device 10 which has a normal solder junction part can be obtained. Therefore, the reliability of the semiconductor device 10 can be improved.

本発明の一実施の形態における半導体装置10では、半田材4の1箇所での接合面積が100mm2以上であってもよい。半田材4の1箇所での接合面積が100mm2以上であっても凝固収縮割れの発生を抑制できる。そのため、大型の半田接合部を有する半導体装置10において正常な半田接合部を得ることができる。 In the semiconductor device 10 according to one embodiment of the present invention, the bonding area at one location of the solder material 4 may be 100 mm 2 or more. Even if the bonding area at one location of the solder material 4 is 100 mm 2 or more, the occurrence of solidification shrinkage cracking can be suppressed. Therefore, a normal solder joint can be obtained in the semiconductor device 10 having a large solder joint.

なお、上記では半導体素子1として、Siによる素子を用いた場合について述べたが、これに限らず、SiC(炭化ケイ素)、GaAs(ヒ化ガリウム)などの化合物半導体による素子を用いた場合も上記と同様の効果が得られる。   Although the case where an element made of Si is used as the semiconductor element 1 is described above, the present invention is not limited to this, and the case where an element made of a compound semiconductor such as SiC (silicon carbide) or GaAs (gallium arsenide) is also used. The same effect can be obtained.

また、上記では基板2としてAlN基板を用いた場合について述べたが、Al23(酸化アルミニウム)、Si34(窒化ケイ素)等のセラミックを用いた場合も上記と同様の効果が得られる。 Although the case where an AlN substrate is used as the substrate 2 has been described above, the same effect as described above can be obtained when a ceramic such as Al 2 O 3 (aluminum oxide) or Si 3 N 4 (silicon nitride) is used. It is done.

以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例では、固相線直上の温度における固相率の異なる6種の半田材を用いて上記の半導体装置を組立てた後、X線観察装置を用いてそれぞれの半導体装置の上面から見た半田付け部の透過像を撮影した。図5〜図10は、6種の異なる半田材を用いた半導体装置10のそれぞれのX線写真を示す図である。
Examples of the present invention will be described below.
In this example, after assembling the above semiconductor device using six kinds of solder materials having different solid phase ratios at a temperature immediately above the solid phase line, the semiconductor device was viewed from the upper surface of each semiconductor device using an X-ray observation apparatus. A transmission image of the soldering part was taken. 5 to 10 are diagrams showing X-ray photographs of the semiconductor device 10 using six different solder materials.

図5では、固相線の直上の温度における固相率が10%であるPb−8Sn−10Sb−1Agの組成を有する半田材を用いた比較例1の半導体装置10の半田付け部が示されている。図6では、固相線の直上の温度における固相率が20%であるPb−7Sn−8.5Sb−1Agの組成を有する半田材を用いた比較例2の半導体装置10の半田付け部が示されている。   FIG. 5 shows a soldered portion of the semiconductor device 10 of Comparative Example 1 using a solder material having a composition of Pb-8Sn-10Sb-1Ag having a solid phase ratio of 10% at a temperature immediately above the solid phase line. ing. In FIG. 6, the soldering part of the semiconductor device 10 of Comparative Example 2 using a solder material having a composition of Pb-7Sn-8.5Sb-1Ag having a solid phase ratio of 20% at a temperature immediately above the solid phase line is shown. It is shown.

図7では、固相線の直上の温度におけるは固相率が30%であるPb−7Sn−7.5Sb−1Agの組成を有する半田材を用いた本発明例1の半導体装置10の半田付け部が示されている。図8では、固相線の直上の温度におけるは固相率が35%であるPb−6.7Sn−7.1Sb−0.95Agの組成を有する半田材を用いた本発明例2の半導体装置10の半田付け部が示されている。図9では、固相線の直上の温度におけるは固相率が44%であるPb−6Sn−6.4Sb−0.85Agの組成を有する半田材を用いた本発明例3の半導体装置10の半田付け部が示されている。図10では、固相線の直上の温度における固相率が66%であるPb−27Sn−3Sbの組成を有する半田材を用いた本発明例4の半導体装置10の半田付け部が示されている。本発明例1〜4は7.5質量%以下のSbを有している。   In FIG. 7, the soldering of the semiconductor device 10 of the present invention example 1 using a solder material having a composition of Pb-7Sn-7.5Sb-1Ag having a solid fraction of 30% at a temperature immediately above the solid phase line. The parts are shown. In FIG. 8, the semiconductor device of Example 2 of the present invention using a solder material having a composition of Pb-6.7Sn-7.1Sb-0.95Ag having a solid phase ratio of 35% at a temperature immediately above the solid phase line. Ten soldered portions are shown. In FIG. 9, the semiconductor device 10 of Example 3 of the present invention using a solder material having a composition of Pb-6Sn-6.4Sb-0.85 Ag with a solid fraction of 44% at a temperature immediately above the solidus line. The soldering part is shown. FIG. 10 shows a soldering portion of the semiconductor device 10 of Example 4 of the present invention using a solder material having a composition of Pb-27Sn-3Sb having a solid phase ratio of 66% at a temperature immediately above the solid phase line. Yes. Inventive Examples 1 to 4 have Sb of 7.5% by mass or less.

図5〜図10を参照して、半田付け部において図中で白く見える部分は、X線が半田層中を透過する際の減衰が小さかったために明るく写っている部分である。すなわち、半田付け部において図中で白く見える部分は、半田材中に空隙が存在することを示す。固相線の直上の温度における固相率が低い比較例1および比較例2では、半田付け部において白く見える部分が多く観察された。すなわち、比較例1および比較例2では凝固収縮割れ7が生じていることがわかった。   Referring to FIGS. 5 to 10, the portion that appears white in the soldering portion is a portion that appears bright because the attenuation when X-rays pass through the solder layer is small. That is, a portion that appears white in the drawing in the soldering portion indicates that a void exists in the solder material. In Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in which the solid phase ratio at a temperature immediately above the solid phase line was low, many portions that appeared white in the soldered portion were observed. That is, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it was found that solidification shrinkage cracks 7 occurred.

一方、固相線の直上の固相率が30%である本発明例1では半田付け部において白く見える部分が無いため凝固収縮割れ7が生じてないことがわかった。また、本発明例1よりも固相線の直上の温度における固相率が高い本発明例2〜4でも半田付け部において白く見える部分が無いため凝固収縮割れ7が生じていないことがわかった。   On the other hand, in Example 1 of the present invention in which the solid fraction directly above the solid phase line was 30%, it was found that no solidification shrinkage cracks 7 occurred because there was no white portion at the soldered portion. Moreover, it turned out that the solidification shrinkage crack 7 does not occur in the present invention examples 2 to 4 having a higher solid phase ratio at a temperature just above the solidus than in the present invention example 1 because there is no white portion in the soldered portion. .

以上より、固相線の直上の固相率が30%以上66%以下となる組成を有する本発明例1〜4の半田材では、凝固収縮割れが生じていないことがわかった。すなわち、固相線の直上の固相率が30%以上の組成を有する半田材では、凝固収縮割れが生じていないことがわかった。   From the above, it was found that solidification shrinkage cracking did not occur in the solder materials of Invention Examples 1 to 4 having a composition in which the solid phase ratio immediately above the solid phase line was 30% to 66%. In other words, it was found that solidification shrinkage cracking did not occur in the solder material having a composition with a solid fraction of 30% or more immediately above the solid phase line.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1 半導体素子、2 基板、2a 芯材、2b 導体部、3 基材、4 半田材、5 ケース、6 ゲル、7 凝固収縮割れ、10 半導体装置、21 初晶、22 最終凝固部、23 空隙。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor element, 2 board | substrate, 2a core material, 2b conductor part, 3 base material, 4 solder material, 5 case, 6 gel, 7 solidification shrinkage crack, 10 semiconductor device, 21 primary crystal, 22 final solidification part, 23 space | gap.

Claims (5)

固相線温度より1℃高い温度における固相率が30%以上66%以下となる組成を有し、Pb−Sn−Sb系の組成を有し、6質量%以上27質量%以下のSnを含み、かつ、3質量%以上7.5質量%以下のSbを含む、半田材。 Has a composition solid fraction at 1 ℃ temperature higher than the solidus temperature is 66% to 30% or more or less, have a composition of Pb-Sn-Sb system, a 6 wt% or more 27 wt% or less of Sn A solder material containing 3% by mass to 7.5% by mass of Sb . i、In、Zn、Ag、CuおよびNiよりなる群から選ばれる種以上を含む、請求項1に記載の半田材。 B i, comprising In, Zn, Ag, at least one member selected from the group consisting of Cu and Ni, the solder material according to claim 1. 固相線温度が183℃より高い、請求項1または2に記載の半田材。   The solder material according to claim 1 or 2, wherein the solidus temperature is higher than 183 ° C. 請求項1〜3のいずれかに記載の半田材と、
半導体素子と、
前記半導体素子を搭載するための基板と、
前記基板を固定するための基材とを備え、
前記半導体素子および前記基材の少なくともいずれかと前記基板とが前記半田材を介して接合されている、半導体装置。
The solder material according to any one of claims 1 to 3,
A semiconductor element;
A substrate for mounting the semiconductor element;
A base material for fixing the substrate;
A semiconductor device, wherein at least one of the semiconductor element and the base material is bonded to the substrate via the solder material.
前記半田材の1箇所での接合面積が100mm2以上である、請求項4に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4, wherein a bonding area at one place of the solder material is 100 mm 2 or more.
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