JP7765730B2 - シート状はんだ - Google Patents

Description

本発明はシート状はんだ、はんだ接合部、並びにこれを備える半導体装置に関する。本発明は、特には、半導体装置に適用し、大電流を流した場合であってもエレクトロマイグレーションを生じにくいシート状はんだ、はんだ接合部、並びにこれを備える信頼性の高い半導体装置に関する。

パワー半導体モジュールは、効率的な電力変換が求められる分野に広く適用されている。例えば、産業機器、電気自動車、家電製品などのパワーエレクトロニクス分野に適用領域が拡大している。これらのパワー半導体モジュールには、スイッチング素子とダイオードが内蔵されており、素子にはＳｉ（シリコン）半導体素子やＳｉＣ（シリコンカーバイド）半導体素子が用いられている。

近年、半導体素子に流れる電流密度は、増加している。中でも、電流密度が８００Ａ／ｃｍ^２程度の大電流になると、はんだ接合部でエレクトロマイグレーション（ＥＭ）が生じ、局所的に通電不良を生じる場合があった。

従来、半導体素子の接合には、融点、強度などの点から、ＳｎＳｂ系はんだやＳｎＳｂＡｇ系はんだなどが用いられてきた。これらのはんだ材はスズ（Ｓｎ）を主成分とし、Ｓｎ結晶がランダムに配向した構造であった。はんだ材を構成するＳｎには、配向性に対する電流の向きにより、ＥＭの生じ易さがあることが知られている（例えば、特許文献１を参照）。ＥＭは、Ｓｎ結晶がランダムに配向した構造でも起こるが、Ｓｎ結晶格子のｃ軸方向に電流が流れるとＥＭが起きやすく、ｃ軸に垂直方向に電流が流れるとＥＭは起きづらい。特許文献１では、半導体装置の製造において、素子を接合する際に、溶融中のはんだに電場や磁場をかけることではんだのｃ軸を、電流の流れる方向に垂直にする技術を開示している。

特開2016-51844号公報

特許文献１に開示された技術によれば、Ｓｎ結晶格子のｃ軸を所定の向きに揃えることは理論的には可能である。しかし、そのプロセスは複雑であり、高コストな装置が必要になるため、実用化に耐えるものではない。

電流密度が８００Ａ／ｃｍ^２程度の大電流を流した場合であっても、エレクトロマイグレーションが生じにくい半導体装置を実現するための、はんだが求められる。

本発明者らは鋭意検討の結果、Ｓｎ結晶がランダムに配向したはんだを所定の方向に圧縮することにより、塑性変形を生じさせ、Ｓｎ結晶格子のｃ軸を、圧縮方向に平行に配向させることができることに想到し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、一実施形態によれば、Ｓｎを主成分とし、添加元素と、不可避不純物とを含むはんだ合金を含有する、プレス加工されたシート状はんだであって、プレス加工された面が主面に垂直な面であり、Ｓｎの結晶のｃ軸が前記シートの厚さ方向に垂直な方向に配向されたシート状はんだに関する。

前記シート状はんだにおいて、前記プレス加工された表面における、Ｓｎの結晶のｃ軸配向性の指標であるｃ軸配向比率が、０．３以上であることが好ましい。

前記シート状はんだにおいて、前記ｃ軸配向比率が、０．９５以下であることが好ましい。

前記シート状はんだにおいて、前記添加元素が、Ｓｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、またはこれらの組み合わせから選択されることが好ましい。

本発明は、別の実施形態によれば、半導体素子と、導電性接続部材との間に、前述のいずれかに記載のシート状はんだが溶融されたはんだ接合層を備えるはんだ接合部に関する。

前記はんだ接合部において、前記導電性接続部材がリードフレームであることが好ましい。

本発明は、また別の実施形態によれば、前述のはんだ接合部を備える半導体装置に関する。

本発明は、さらにまた別の実施形態によれば、半導体装置の製造方法であって、Ｓｎを主成分とし、添加元素と、不可避不純物とを含むはんだ合金をプレス加工し、プレス加工された面が主面に垂直な面であり、Ｓｎの結晶のｃ軸が前記シートの厚さ方向に垂直に配向されたシート状はんだを製造する工程と、半導体素子と、前記シート状はんだと、導電性接続部材とを積層する工程と、前記シート状はんだを溶融させる工程とを備える、半導体装置の製造方法に関する。

前記半導体装置の製造方法において、前記プレス加工する工程が、Ｓｎの結晶のｃ軸配向性の指標であるｃ軸配向比率が０．３以上となるまで加圧する工程であることが好ましい。

本発明に係るシート状はんだは、Ｓｎ結晶格子のｃ軸が厚さ方向に垂直な方向に配向されている。このため、当該シート状はんだを用いて、半導体素子を接合することにより、エレクトロマイグレーションを防止し、信頼性の高い半導体装置を製造することが可能になる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るシート状はんだを示す概念的な説明図であり、（ａ）は概念的な平面図、（ｂ）は概念的な断面図である。 図２は、シート状はんだのｃ軸の配向性を特定するための、後方散乱電子回折（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）測定の概要を示す図であり、（ａ）は投影球表示を説明する図であり、（ｂ）は特定の配向を備える結晶を抽出した結晶配向マップの一例を示す図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係るシート状はんだの製造工程で使用可能なプレス加工型の一例を示す概念的な斜視図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係るはんだ接合部の断面構造を示す概念図である。 図５は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の断面構造を示す概念図である。 図６は、従来技術に係るはんだ接合部の断面構造を示す概念図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

［第１実施形態：シート状はんだ］
本発明は第１実施形態によれば、シート状はんだに関する。本実施形態によるシート状はんだは、Ｓｎを主成分とし、添加元素と、不可避不純物とを含むはんだ合金を含有し、プレス加工され、Ｓｎの結晶のｃ軸が前記シートの厚さ方向に垂直に配向されたシート状はんだである。

本明細書において、シート状はんだとは、所定の長さ、幅及び厚さを備えるシート状に加工されており、長さ及び幅に対して、厚さが小さいはんだをいう。より具体的には、厚さｔが、５００μｍ以下程度であって、５μｍ以上程度であってよく、３００μｍ以下程度であって、１０μｍ以上程度であることが好ましい。シート状はんだの厚さｔは、典型的には、後述する製造方法において、プレス加工したはんだブロックから切り出される際の、厚さに相当する。シート状はんだ長さ及び幅は特には限定されず、シート状であれば、板体であっても巻回体であってもよい。接合する製品に適合する形状に切り抜かれたものであってもよい。シート状はんだの長さおよび幅は、適用する製品によって異なり、特には限定されないが、少なくとも５００μｍより大きく、一般的には、２０００μｍ以上であってよい。シート状はんだの長さ及び幅は、典型的には、後述する製造方法において用いる型の寸法や形状により決めることもできる。

シート状はんだは、はんだ合金を含有し、好ましくははんだ合金からなる。はんだ合金の組成は、Ｓｎを主成分とし、添加元素と、不可避不純物とを含むものであってよい。はんだ合金の組成は、好ましくは、Ｐｂを不可避不純物として以外は含まない鉛フリーはんだ合金である。Ｓｎを主成分とするとは、はんだ合金の全質量を１００％とした場合に、８０質量％以上がＳｎから構成されることをいうものとする。８０質量％以上がＳｎから構成されるはんだ合金では、実質的にＳｎのみからなるはんだと同様に、プレス加工等による塑性変形により、Ｓｎ結晶格子のｃ軸を配向させることができる。具体的には、前記Ｓｎはんだ合金をプレス加工により圧縮すると、塑性変形してプレス面に平行な方向にc軸が配向する。なお、プレス加工とは、加工物を金型に圧着させ、所定の一方向（プレス方向）から加圧し変形させる加工である。

添加元素は、Ｓｎ以外の元素であって、はんだ合金として通常使用されるものであれば特には限定されない。例えば、Ｓｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉが挙げられるが、これらには限定されない。添加元素は、１種であっても２種以上であってもよいが、添加元素の総質量が、はんだ合金の総質量の２０質量％を超えない量で含まれ得る。不可避不純物は、主として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ａｓ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｐ、Ｐｂなどをいうが、これらには限定されない。不可避不純物の含有量は、国際標準化機構または各国の工業基準等により、合金系ごとに定められた値の範囲内とすることができる。また、ＲｏＨＳ指令により、Ｈｇは含まないことが好ましく、六価Ｃｒははんだ合金の総質量の０．１質量％未満、Ｃｄは０．０１質量％未満とすることが好ましい。

より具体的なはんだ合金の組成としては、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｓｂ系、Ｓｎ－Ｓｂ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｓｂ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系、Ｓｎ－Ａｇ系などの合金系であって、いずれの組成においてもＳｎが８０質量％以上含まれる組成をもつはんだ合金を用いることができるが、これらには限定されない。さらに具体的には、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系の場合は、Ａｇを、０.５～５.０質量％で、Ｃｕを、０．１以上であって３.０質量％以下の範囲で含有することが好ましい。Ｓｎ－Ｓｂ系の場合は、Ｓｂを、２．０質量％～２０質量％の範囲で含有することが好ましい。Ｓｎ－Ｓｂ－Ａｇ系の場合は、Ｓｂを６.０～８.０質量％、Ａｇを２.０～４.０質量％の範囲で含有することが好ましい。Ｓｎ－Ｃｕ系の場合は、Ｃｕを、０．１以上であって１０.０質量％以下の範囲で含有することが好ましい。Ｓｎ－Ｓｂ－Ａｇ－Ｃｕ系の場合は、Ｓｂを５.０～１０質量％と、Ａｇを２.０～４.０質量％と、Ｃｕを、０．１以上であって１．２質量％以下の範囲で含有することが好ましい。Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系の場合は、Ｃｕを、０．１以上であって６．０質量％以下とＮｉを、０.１以上であって０．５質量％以下の範囲で含有することが好ましい。Ｓｎ－Ａｇ系の場合は、Ａｇを、１.０～６.０質量％含有することが好ましい。

シート状はんだは、ある実施態様においてはシート全体にわたって実質的に均一な組成のはんだ合金から構成されるものであってよい。別の実施態様においては、上記において特定した組成の合金中に、高融点金属粒子を含有するシート状はんだであってもよい。高融点金属粒子は、例えば、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、ステンレス鋼またはこれらの合金を含む粒子であってよく、高融点金属粒子の平均粒子径は約１～５０μｍ程度であってよい。シート状はんだ中における高融点金属粒子の含有量は、１～４０質量％程度であってよい。さらに別の実施形態においては、上記において特定した組成の合金中に、高融点金属線材を含有するシート状はんだであってもよい。高融点金属線材は、高融点金属粒子と同様の組成から選択することができ、直径が約１～５０μｍ程度であってよい。シート状はんだ中における高融点金属線材の含有量は、１～４０質量％程度であってよい。

図１は、本実施形態によるシート状はんだの一例を示す概念的な平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１中のＸ、Ｙ、Ｚは、それぞれ、シート状はんだの長さ方向、幅方向、厚さ方向を表す。シート状はんだは、一方向にプレス加工され、プレス加工された方向に平行な面で切断されたはんだであり、長さ方向と幅方向で規定される主面ｍとこれに対向する面ｆを有する。図１（ｂ）は、シート状はんだの主面ｍに垂直に切断した断面を表す概念図である。図１（ｂ）を参照すると、シート状はんだは、厚さｔのはんだ合金から構成され、Ｓｎ結晶のｃ軸が、はんだの厚さ方向Ｚに垂直に配向されている。そして、はんだ合金を構成するＳｎ結晶のｃ軸がシート状はんだの主面ｍに平行に配向されている。シート状はんだの主面ｍに垂直な側面のうち対向する１組の面は、製造時にプレス加工された面Ｐである。本明細書において、プレス加工された面Ｐは、プレス加工面とも指称する。図１（ｂ）において、実線で囲まれた領域は、Ｓｎの結晶粒を表し、領域中の矢印はＳｎの結晶のｃ軸の配向方向を表す。Ｓｎの結晶格子を表す実線は説明のための記載であって、実際の縮尺とは大きく異なっている。なお、実線で囲まれた領域を単結晶領域と解することもできる。単結晶領域とは、配向方向が同一で双晶などを含まない概念とする。

本実施形態によるシート状はんだにおいて、Ｓｎの結晶のｃ軸が所定の方向に配向されていることは、ＥＢＳＤ法により確認することができる。ＥＢＳＤ法は、真空中で試料表面に加速した電子を照射し、そこで発生する電子後方散乱によって得られるキクチパターンを解析することで結晶配向を求める表面分析法として一般に知られている。電子線を試料表面（測定面）に照射するとその場所における結晶配向が得られるので、電子線を所定の範囲内を走査させると、走査領域における結晶粒の結晶配向マップの取得が可能になる。電子線の１測定点の範囲は１０ｎｍφ程度である。シート状はんだにおいて、図１に示すプレス加工面Ｐまたは主面ｍに対し、角度約２０°で電子線を入射することで、シート状はんだにおけるＳｎのｃ軸配向性を評価することができる。

Ｓｎの結晶は、約１３℃～２００℃において、ａ＝ｂ＝５．８３２Å、ｃ＝３．１８１Åの格子定数を持つ正方晶（β－Ｓｎ構造）であり、単位格子内部に四つのＳｎ原子を持つ。ｃ軸とは、前述の３．１８１Åの長さの軸を示す。このｃ軸の配向性の評価方法について説明する。結晶の配向は、基準面に対する結晶面の法線の傾きによって表され、それぞれの結晶の配向面は、各結晶内のある１点から放射状に出る法線と基準面の傾きとして記述できる。その法線と、結晶内のある１点を中心とする仮想の球（投影球）との交点によって、その測定箇所での結晶配向面を表すことが可能である。図２（ａ）は、ＥＢＳＤ法における仮想の投影球表示を説明する図である。図２（ａ）中、Ｓが投影球を表し、Ｂが基準面を表す。

測定対象が、Ｓｎの一つの結晶粒子（単結晶粒子）である場合について説明する。Ｓｎ結晶粒子のｃ軸が基準面に対して垂直に配向している場合は、投影球の真上に配向点が記載される。ここで、投影球の真上とは、投影球の中心を通る基準面の垂線が、基準面よりも上側、すなわち基準面に対して電子線の照射が行われる側で投影球と交わる点である。Ｓｎ結晶粒子のｃ軸が基準面に対して傾いていると、傾きに応じて、投影球上の真上から傾いた箇所において配向点が記載される。そのようにして結晶配向を表示した図は「極点図」と呼ばれる。ＥＢＳＤ法によれば、測定試料表面を基準面とし、測定試料表面の電子線を照射した位置における試料の結晶配向を測定し、投影球上に配向点の位置を決定することができる。例えば、基準面に対して垂直にｃ軸が配向したＳｎ結晶表面のある領域をＥＢＳＤ法で測定すれば、測定領域全体が（００１）配向を示す結晶配向マップが示される。その際、結晶配向は、投影球においては、（００１）面が測定面を向いたｃ軸配向を表す１点Ｋで表示される。一方、単一でない結晶配向を有する多結晶の領域をＥＢＳＤ法で測定すれば、投影球の基準面より上の略全面に多数の配向点がばらばらに表示される。この場合の配向点の例を×で示す。投影球のある特定領域に点が密集している場合は、Ｓｎのｃ軸が投影球の中心から点に向かう方向に配向しているといえる。例えば、ｃ軸配向性を持つ結晶が多い試料を測定した場合の配向点を▲で示す。

次に、ｃ軸配向性の指標であるｃ軸配向比率Ａについて説明する。例えば、Ｓｎ多結晶に対してＥＢＳＤ測定を行うと、前述のように測定領域での結晶配向マップ測定ができる。ＥＢＳＤ法では、測定領域内の結晶粒子の中から、投影球内に破線で示すように、投影球の中心を通る基準面の垂線から特定の角度θ以内の傾きのｃ軸を有する結晶粒子のみを抽出してマップ化することができる。図２（ｂ）は特定の配向を備える結晶を抽出した結晶配向マップの一例を示す図である。図２（ｂ）において、ｃ軸が特定の配向を有する結晶ａ１を、ドットで示す。ｃ軸が特定の配向を有さない結晶ａ２は白で示す。結晶配向マップに基づき、ｃ軸が特定の配向を有する部分の面積を求め、測定領域の面積（電子線の走査領域全体）に対する割合を求めることで、ある特定の配向性をもつ結晶の面積比率を抽出することができ、当該面積比率をｃ軸が特定の配向をするｃ軸配向比率Ａとすることができる。すなわち、Ａは下記式（１）にて定義される。
ｃ軸配向比率Ａ＝ＥＢＳＤ測定による結晶配向マップ上で、ｃ軸が特定の方向に配向している面積／測定領域面積 （１）

図１（ｂ）に示すシート状はんだ１の側面であるプレス加工面Ｐを測定面とする場合、プレス加工面（測定面）に垂直な方向にＳｎのｃ軸が配向している比率Ａｖは下記式（１ａ）にて定義される。
Ａｖ＝測定面をプレス加工面としたＥＢＳＤ測定による結晶配向マップ上で、ｃ軸が測定面に垂直方向に配向している面積／測定領域面積 （１ａ）
プレス加工面はプレス器具が接する面に限らず、プレスする方向に垂直な面を含む。

本発明においては、図１（ａ）（ｂ）におけるシート状はんだ１のプレス加工面Ｐを、図２（ａ）の投影球における基準面ＢとしてＥＢＳＤ測定を行う。そして、図２（ａ）中、矢印ｃで示すｃ軸から、傾きθが２６°以内にあるｃ軸を備える結晶を、ｃ軸がシート状はんだのシート厚さ方向に垂直な方向に配向されている結晶ということができ、ｃ軸配向性を持つ結晶と定義する。本発明に係るシート状はんだにおいて、はんだの主成分であるＳｎ結晶のプレス加工面におけるｃ軸の傾きθが２６°以内であれば、ｃ軸がプレス面に対してほぼ垂直方向となっていると判断でき、また、シート状はんだの主面ｍが半導体素子の上面に平行になるように半導体モジュールに組みこんだ際に（図５）、エレクトロマイグレーションを防止できるためである。

ｃ軸配向比率Ａの測定条件は、一例としては、測定面をはんだ材のプレス加工面Ｐとし、測定領域は、例えば、４００μｍ×４００μｍとすることができる。電子線の入射角度は測定面に対して約２０°とし、２．５μｍステップで電子線を走査する。なお、シート状はんだで、測定面がプレス加工面（側面）の場合で、測定領域が４００μｍ×４００μｍを取れない場合は、同じ面積、例えば長方形の測定領域とすることができる。なお、測定領域にＳｎ-Ａｇなどの合金相を含む場合や、高融点金属粒子、高融点金属線材を含む場合は、これらは除外してｃ軸配向比率Ａを算出することができる。合金相やＣｕなどは、Ｓｎと結晶構造が異なるため、電子線回折パターン（キクチパターン）も異なり、それらの存在を判別することができる。Ｓｎが８０ｗｔ％以上であれば、Ｓｎ結晶が多数を占めるため、Ｓｎの結晶粒の配向性を制御することができる。また、Ｓｎが８０ｗｔ％以上であれば、Ｓｎと同様に延性を示し、後に詳述するようにプレスによりＳｎ結晶を配向させることができる。

例えば、プレス加工面Ｐを測定面とした場合のｃ軸配向比率Ａｖが、０．０５から０．２の範囲では、Ｓｎの結晶はランダム配向と定義される。ランダム配向とは、ｃ軸が特定の配向性をもたないことをいう。Ａｖが０．２より大きい場合に、Ｓｎの結晶のｃ軸は、厚さ方向に垂直に配向されているということができる。Ａｖは０．３以上であることが好ましく、０．９５以下であることが好ましい。なお、厚さ方向とは、図１（ｂ）においては、Ｚ方向である。この範囲のｃ軸配向比率Ａをもつシート状はんだを、主面ｍが半導体装置の裏面電極、あるいは積層基板に平行になるように配置して半導体素子の接合に用いると、ＥＭを防止し、パワーサイクル耐量が大きくなるためである。

本実施形態に係るシート状はんだが好ましいｃ軸配向比率を備えることは、主面ｍを測定面としてＥＢＳＤ測定を行うことによっても確認することが可能である。具体的には、主面ｍに平行な方向にｃ軸が配向している割合を評価することによっても、Ｓｎの結晶のｃ軸がシート状はんだの厚さ方向に垂直な方向に配向されていること、好ましくはＳｎの結晶のｃ軸配向性の指標であるｃ軸配向比率Ａｖが、０．３以上であることが確認できる。この場合、主面ｍを測定面とし、測定面に平行で、側面（プレス加工面Ｐ）に垂直な方向にｃ軸が配向している比率をＡｐとすると、Ａｐは下記式（１ｂ）にて定義される。
Ａｐ＝測定面を主面としたＥＢＳＤ測定による結晶配向マップ上で、ｃ軸が測定面に平行で、側面（プレス加工面）に垂直な方向に配向している面積／測定領域面積 （１ｂ）

図１（ａ）（ｂ）に示す本発実施形態に係るシート状はんだ、及び後述する図４に示す第２実施形態に係るはんだ接合部において、Ｓｎのｃ軸は、主面ｍに平行であり、かつ、プレス加工面に垂直な方向に配向している。この場合、Ａｐは、測定面が側面（プレス加工面）で、プレス加工面に垂直な方向にｃ軸が配向している比率Ａｖと実質的には同じである。ＥＢＳＤは、結晶方位をただ一つに確定できる手法である。したがって、Ａｖのようにプレス加工面Ｐで測定して、プレス加工面Ｐから見た測定座標系でのＳｎ結晶の配向比率を導出することもでき、Ａｐのように主面ｍで測定を行っても、プレス加工面Ｐから見た測定座標系でのＳｎ結晶の配向比率を得ることもできる。したがって、本実施形態に係るシート状はんだのｃ軸配向性は、プレス加工面Ｐまたは主面ｍを測定面としてＥＢＳＤ法による上記式（１ａ）または（１ｂ）により得ることができる。

なお、Ｓｎの結晶のｃ軸は、厚さ方向に垂直に配向されていればよく、図１（ａ）に示すＸＹ平面内においては、ｃ軸の配向方向はランダムであってよい。

次に、本実施形態に係るシート状はんだの製造方法について説明する。シート状はんだの製造方法は、以下の工程を含む。
（１）はんだブロックを準備する工程
（２）準備したはんだブロックをプレス加工する工程
（３）プレス加工されたはんだブロックを切断する工程

（１）の工程では、材料となるはんだブロックを準備する。はんだブロックは、市販されているものを用いることができる。あるいは、はんだブロックは、通常の方法に従って、Ｓｎ及び添加元素から選択される各原料、あるいは各原料を含む母合金を電気炉中で溶解することにより調製することもできる。購入し、あるいは調製した所定の組成をもつはんだブロックは、好ましくは、液相線温度以上の温度で溶融した後、急冷する。溶融温度は、液相線温度以上であって、液相線温度プラス１００℃以下の温度範囲とすることが好ましい。また、急冷とは、１００℃まで５℃／ｍｉｎ以上で冷却することをいう。これにより、初期状態として、Ｓｎ結晶格子のｃ軸がランダム配向したはんだブロックを得ることができる。（１）の工程では、得られた初期状態のはんだブロックにおけるＳｎ結晶格子のｃ軸配向性を、ＥＢＳＤ法により測定し、確認することが好ましい。このときの、ＥＢＳＤ測定は、次工程にてプレスする面に対して行うことができる。また、（１）の工程では、はんだブロックを次工程の型に適合する形状、寸法に切り出す工程を含んでいてもよい。なお、上記急冷したブロックは、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）の電子線回折等で分析した結果、特定の配向性を持たずランダムに配向していることが確認されている。

（２）の工程では、初期状態のはんだブロックを型に入れて、プレス加工を行う。型は、プレス加工に用いられる一般的な型であれば特には限定されないが、一例として、金型を用いることができる。０．１～４０ＭＰａ程度、好ましくは０．３～２５ＭＰａの加圧を行うことができる型を使用することが好ましい。また、はんだブロックに接触する型の面を、固相線温度（Ｋ）×０．７～固相線温度（Ｋ）×０．９５程度、好ましくは固相線温度（Ｋ）×０．８～固相線温度（Ｋ）×０．９程度の温度であって、βＳｎ相を保持しうる温度に加熱可能なヒータ等を備えていることが好ましい。型の温度を前述の範囲とすると、シート状はんだ材にクラックが入らず良好に成形できる。型は、プレス後に、略角柱状のはんだブロックを得ることができる形状とすることが好ましい。したがって、金型のプレス加工面Ｐは、上面視によれば四角形が好ましい。後工程で切り出すことを考慮すると、辺の長さが、実際に使用するシート形状の寸法とすることが好ましい。

図３は、（２）の工程で使用可能なプレス加工型及びプレス加工されたはんだブロックの一例を示す概念的な斜視図である。図中、Ｌは鉛直方向、Ｍは型の短手方向、Ｎは型の長手方向を示す。本工程において、下部金型（下）３の溝内に初期状態のはんだブロックを載置し、図示しないヒータにより、所定の温度まで金型を昇温する。次いで、上部金型をはんだブロックに接触するように載置し、図中のＬの方向に加圧する。加圧時の圧力及び圧縮率は、上記の加圧範囲内であって、所望の組成のはんだ合金について事前実験を行い、所望のｃ軸配向比率Ａの値を達成可能な圧力及び圧縮率とすることができる。ある実施形態において、工程（１）において、初期状態のはんだブロックがランダム配向となっていることが確認されている場合には、加圧後のはんだブロックの板厚は、最初の板厚に対して、５％～９５％の範囲とすることができる。なお、ｃ軸配向比率Ａの測定時にＥＢＳＤ測定面とするプレス加工面Ｐは、プレス加工時の圧力の向きに垂直な面である。プレス加工時の圧力の向きに垂直な面のうち、プレス加工時に上部金型に接する面、下部金型に接する面の両方を、プレス加工面Ｐと指称することができる。図３に示す実施形態においては、ＭＮ平面に平行な、はんだブロック２の上面及び下面がプレス加工面Ｐである。プレス加工されたはんだブロック２が、角柱状となるように型を設計し、かつ、型に入れる前のはんだブロックの形状を調整することができる。

（２）の工程により、所定の方向Ｌに圧力を印加することで、Ｓｎを主成分とするはんだ合金を塑性変形させ、加圧方向Ｌと平行な方向に、ｃ軸を配向させることができる。プレス加工後の圧縮されたはんだブロック２におけるＳｎ結晶格子のｃ軸の方向を図３中、矢印ｃで表す。（２）の工程の最後には、ｃ軸配向比率Ａを、ＥＢＳＤ法により測定し、確認する工程をさらに含むことが好ましい。このときの、電子線入射面は、プレス加工面Ｐとすることができる。

（３）の工程では、プレス加工された、棒状のはんだブロック２を加圧の方向と平行な方向、すなわちｃ軸に平行な方向に切断する。図３に示す実施形態においては、典型的には、ＬＭ平面またはＬＮ平面に平行に切断することができる。切断手段は特には限定されないが、ワイヤソーや放電加工機などを用いることができる。図３に、圧縮されたはんだブロック２をＬＭ平面に平行な面で切断する場合の切断箇所５の例を、二点鎖線で示す。二点鎖線で示す位置にて、ＬＭ平面に平行な面で切断することにより、１つのはんだブロック２から、切断された結果として生じる面（切り口）を主面とし、切断幅ｔが厚さに相当するシート状はんだを、複数枚切り出すことができる。そして、切り出された直方体形状のシート状はんだにおいて、主面以外の向かい合う２組の面のうち、１組がプレス加工面となっている。本工程により、Ｓｎの結晶のｃ軸がシートの厚さ方向に垂直に配向された、図１に示すシート状はんだを得ることができる。

このようにして得られたシート状はんだは、電子機器の接合に用いることができ、特には、半導体素子と、導電性接続部材との接合に用いることができる。このとき、図１に示すＸＹ平面に平行な面が、シート状はんだの主面ｍであり、主面ｍ及びこれに対向する面ｆがそれぞれ、半導体素子の電極面またはリードフレーム等の導電性接続部材に接するように配置することができる。これにより、接合前の段階で既にｃ軸を、シート状はんだの厚さ方向に垂直な方向に配向させることができる。本実施形態によるシート状はんだは、特に、電流密度が５００Ａ／ｃｍ^２以上、または１０００Ａ／ｃｍ^２以上といった大電流を流すためのはんだ接合部の製造に好ましく用いることができる。

［第２実施形態：はんだ接合部］
本発明は第２実施形態によれば、はんだ接合部に関する。本実施形態によるはんだ接合部は、半導体素子と、導電性接続部材との間に第１実施形態によるシート状はんだが溶融されたはんだ接合層を備える。

図４は、本実施形態によるはんだ接合部の一例を示す概念的な断面図である。図４を参照すると、半導体素子１１、溶融されたシート状はんだ１、導電性接続部材の一例であるリードフレーム１８が積層されている。なお、溶融されたシート状はんだとは、はんだ材が加熱溶融され、被接合材と接合された固体の状態を示す。

本実施形態によるはんだ接合部は、半導体素子１１のおもて面電極と、リードフレーム１８とが、溶融されたシート状はんだ１により接合されてなる。シート状はんだ１は、第１実施形態において説明したとおり、図１に示す主面ｍまたはこれに対向する面ｆが、それぞれ、半導体素子１１の電極または導電性接続部材（リードフレーム１８等）に接するように配置され、溶融されている。そして、接合時の加熱の溶融により、はんだ合金を構成するＳｎ結晶のｃ軸配向性が実質的に変化することはなく、はんだ接合部においても、Ｓｎの結晶のｃ軸がシートの厚さ方向Ｚに垂直に配向されている。図４中、ｃ軸の配向方向を、矢印ｃで示す。図示するはんだ接合部においては、半導体素子１１からリードフレーム１８に、矢印Ｉで示す向き、またはその逆方向に電流が流れる。すなわち、配向方向ｃが、電流の向きＩに垂直になっているため、エレクトロマイグレーションを生じにくいはんだ接合部となっている。なお、はんだ接合部は半導体素子１１と積層基板の第２導電性板１２３ａとをシート状はんだ１により接合されて形成された部分であってもよい。

図６は、従来のはんだ材を用いたはんだ接合部の一例を示す概念的な断面図である。はんだ接合部は、半導体素子１１１のおもて面電極と、リードフレーム１１８とが、溶融されたはんだ１０１により接合されてなる。従来のはんだ材を溶融したはんだ接合層では、Ｓｎ結晶格子のｃ軸がシートの厚さ方向Ｚに対し、一定の配向性を持たず、ランダムに配向している。すなわち、矢印Ｉで示す電流の向きと、矢印ｃで示すＳｎ結晶格子のｃ軸とは、垂直になっていない。これにより、例えば、電流密度が５００Ａ／ｃｍ^２以上の大電流を流すと、エレクトロマイグレーションにより原子が移動して欠損部を生じ、断線などにつながる場合があった。本発明によれば、従来と比較して、はんだ接合部におけるＳｎ結晶格子のｃ軸を配向させることで、断線などの欠陥が生じにくく、電流密度が５００Ａ／ｃｍ^２以上、または１０００Ａ／ｃｍ^２以上といった大電流を流す場合において特に信頼性の高いはんだ接合部を得ることができる。

なお、導電性部材は、リードフレーム１８には限定されず、アルミワイヤや、ピンなど、半導体装置に用いられる任意の導電性部材であってよい。

次に、はんだ接合部の製造方法について説明する。はんだ接合部の製造方法は、シート状はんだと、被接合部材である半導体素子、リードフレームの接触面を上記の通りにすればよく、また、シート状はんだと、被接合部材である半導体素子、積層基板の第２導電性板の接触面を上記の通りにすればよい。他の条件は、通常の接合方法と同様に実施することができる。すなわち、シート状はんだを、酸等を用いてエッチングし、酸化膜を除去する前処理工程と、還元雰囲気中で加熱して、はんだ接合を行う工程とを含む。還元雰囲気は、水素などによる雰囲気であってよい。はんだ接合の温度は、はんだ合金の組成により適宜決定することができる。

理論に拘束される意図はないが、はんだの溶融時には、Ｓｎの結晶格子の配向の局所的なランダム化が生じることが知られている。しかしながら、はんだの固化時には数１００μｍレベルの大きな結晶になるため、溶融前のはんだの平均配向方向が溶融後の配向を決めると考えられる。はんだ合金を溶融して接合した後に生成するはんだ接合層のｃ軸配向性は、はんだ接合層を切り出して、ＥＢＳＤ測定を行うことにより確認することができる。より具体的には、製造後の半導体装置から、はんだ接合層を切り出して、加工時のプレス加工面に平行な面が測定面となる試料を調製し、当該試料のＥＢＳＤ測定を行って、ｃ軸配向比率Ａを得ることができる。

［第３実施形態：半導体装置］
本発明は第３実施形態によれば、半導体装置に関する。本実施形態による半導体装置は、第２実施形態によるはんだ接合部を備える。

図５は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の一例である、パワー半導体モジュールの概念的な断面図を示す。図示するパワー半導体モジュールは、放熱板１３上に半導体素子１１および積層基板１２を接合層１７にて接合した積層構造を有し、半導体素子１１とリードフレーム１８との間に第１実施形態によるシート状はんだが溶融されたはんだ接合層１を備えている。放熱板１３には、外部端子１５を内蔵したケース１６が接着されている。半導体素子１１と積層基板１２の電極は、導電性接続部材であるリードフレーム１８で接続され、半導体素子１１と外部端子１５はアルミワイヤ１４にて接続されている。半導体素子１１と積層基板１２、リードフレーム１８、導電性接続部材であるアルミワイヤ１４等の被封止部材上に接触して封止材２０が充填されている。

半導体素子１１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）あるいはダイオードチップ等のパワーチップである。半導体素子としては、Ｓｉデバイスであってもよく、ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイス、ダイヤモンドデバイス、ＺｎＯデバイスなどのワイドギャップ半導体デバイスであってもよく、これらを組み合わせて用いてもよい。例えば、Ｓｉ－ＩＧＢＴとＳｉＣ－ＳＢＤを用いたハイブリッドモジュールなどを用いることができる。半導体素子１１の搭載数は、１つであってもよく、複数搭載することもできる。

積層基板１２は、絶縁基板１２２とその一方の主面に形成される所定の形状（パターン）の第１導電性板１２１と、他方の主面に形成される第２導電性板１２３ａ、ｂとから構成することができる。絶縁基板１２２としては、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができる。絶縁基板１２２の材料としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＮなどが挙げられる。特に高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導性を両立した材料が好ましく、ＡｌＮ、ＳｉＮを用いることができるが、これらには限定されない。第１導電性板１２１、第２導電性板１２３ａ、ｂとしては、加工性に優れるＣｕ、Ａｌなどの金属材料を用いることができる。また、導電性板は、防錆などの目的で、Ｎｉめっきなどの処理を行ったＣｕ、Ａｌであってもよい。絶縁基板１２２上に導電性板１２１、１２３ａ、ｂを配設する方法としては、直接接合法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ法）もしくは、ろう材接合法（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｉｎｇ法）が挙げられる。図示する実施形態においては、絶縁基板１２２上に、非連続的に２つの第２導電性板１２３ａ、ｂが設けられ、一方１２３ａが、半導体素子１１と接合される電極、他方１２３ｂがリードフレーム１８と接続される電極として機能する。

リードフレーム１８は、半導体素子１１と第２導電性板１２３ｂ等とを接続する導電性接続部材である。具体的には、半導体素子１１の電極（表電極）に、第１実施形態によるシート状はんだを溶融した接合層１で接合される。また、第２導電性板１２３ｂ等の配線部とも、一般的なはんだ材などの接合層１７で接合することができるが、第１実施形態によるシート状はんだ１を用いて接合してもよい。リードフレーム１８は、銅、または銅を含む合金などの金属であってよい。リードフレーム１８の表面にはめっき法などにより、ＮｉまたはＮｉ合金層、あるいはＣｒまたはＣｒ合金層を形成してもよい。この場合、ＮｉまたはＮｉ合金層、あるいはＣｒまたはＣｒ合金層の膜厚は２０μｍ以下程度とすることができる。なお、半導体素子１１と第２導電性板１２３ｂ等とを接続する導電性接続部材としては、リードフレームの他に、ピン形状の取出し端子や、ワイヤボンディングに用いられるアルミニウムや銅などのワイヤなどが可能である。

放熱板１３としては、熱伝導性に優れた銅やアルミニウムなどの金属が用いられる。また、腐食防止のために、放熱板１３にＮｉまたはＮｉ合金を被覆することもできる。放熱板は、水冷や空冷などの機能を有する冷却器であってもよい。

接合層１７は、一般的な鉛フリーはんだを用いて形成することができる。例えば、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｓｂ系、Ｓｎ－Ｓｂ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｓｂ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系、Ｓｎ－Ａｇ系などを用いることができるが、これらには限定されない。あるいは、ナノ銀粒子の焼結体などの微小金属粒子を含む接続材を用いて接合層を形成することもできる。一般的な鉛フリーはんだに代えて、第１実施形態によるシート状はんだを溶融した接合層を用いることもできる。

ケース１６は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の熱可塑性樹脂であってよい。

本実施形態において、半導体素子１１、積層基板１２、並びにリードフレーム１８およびアルミワイヤ１４などの導電性接続部材を含む部材を、被封止部材とも指称する。被封止部材上には、封止材２０が充填される。封止材２０は、半導体素子１１、積層基板１２、および導電性接続部材に接触して、これらの被封止部材の周囲を被覆する。

封止材２０は、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、無機充填材とを含み、任意選択的に、硬化促進剤、添加剤を含んでもよい熱硬化性樹脂組成物の硬化物を含む。

熱硬化性樹脂主剤としては、特に限定されず、例えば、耐熱性、高絶縁性を有するエポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂等を挙げることができる。中でも、１分子中に少なくとも２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂が、寸法安定性や耐水性・耐薬品性および電気絶縁性が高いことから、特に好ましい。具体的には、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂などの脂肪族エポキシ樹脂、単官能型エポキシ樹脂、２官能型エポキシ樹脂、３官能以上の多官能型エポキシ樹脂などの脂環式エポキシ樹脂、またはこれらの任意の混合比による混合物を用いることが好ましい。

無機充填材は、熱伝導率が高く、線膨張係数が小さい金属酸化物もしくは金属窒化物であってよく、例えば、溶融シリカ、シリカ（酸化ケイ素）、アルミナ、水酸化アルミニウム、チタニア、ジルコニア、窒化アルミニウム、タルク、クレー、マイカ、ガラス繊維等が挙げられるが、これらには限定されない。無機充填材は、平均粒径が、０．２～２０μｍ程度の無機充填材を用いることが好ましい。封止材２０における無機充填材の添加量は、マトリックス樹脂の質量を１００質量部としたとき、１００～６００質量部であることが好ましく、２００～４００質量部であることがさらに好ましい。無機充填材の配合量が１００質量部未満であると封止材２０の熱膨張係数が高くなって剥離やクラックが生じ易くなる場合がある。配合量が６００質量部よりも多いと組成物の粘度が増加して押出し成形性が悪くなる場合がある。

硬化剤としては、熱硬化性樹脂主剤、好ましくはエポキシ樹脂主剤と反応し、硬化しうるものであれば特に限定されないが、酸無水物系硬化剤を用いることが好ましい。硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂主剤１００質量部に対し、５０質量部以上であって１７０質量部以下程度とすることが好ましく、８０質量部以上であって１５０質量部以下程度とすることがより好ましい。硬化剤の配合量が５０質量部未満であると架橋不足からガラス転移温度が低下する場合があり、１７０質量部より多くなると耐湿性、高熱変形温度、耐熱安定性の低下を伴う場合がある。

封止材２０を構成する熱硬化性樹脂組成物には、さらに、任意選択的な成分として、硬化促進剤を添加することができる。硬化促進剤の添加量は、熱硬化性樹脂主剤１００質量部に対して、０．０１質量部以上であって５０質量部以下とすることが好ましく、０．１質量部以上であって２０質量部以下とすることがより好ましい。

封止材２０を構成する熱硬化性樹脂組成物はまた、その特性を阻害しない範囲で、任意選択的な添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、難燃剤、樹脂を着色するための顔料、耐クラック性を向上するための可塑剤やシリコンエラストマーが挙げられるが、これらには限定されない。これらの任意成分、およびその添加量は、半導体装置および／または封止材２０に要求される仕様に応じて、当業者が適宜決定することができる。

次に、図示するパワー半導体モジュールの製造方法について説明する。放熱板１３、積層基板１２、および半導体素子１１を接合し、放熱板１３にケース１６を取り付ける。その後、第１実施形態によるシート状はんだを半導体素子１１のおもて面電極に載置し、リードフレーム１８を接合する。詳細な接合条件は、第２実施形態において説明したとおりである。また、アルミワイヤ１４にてワイヤボンディングを行う。次いで、ケース１６内に、封止材２０を構成する熱硬化性樹脂組成物を注入し、加熱硬化する。加熱硬化の工程は、例えば、二段階硬化とすることができ、熱硬化性樹脂主剤としてエポキシ樹脂を用いる場合には、９０～１２０℃で１～２時間加熱して半硬化状態（仮硬化）とする。その後、さらに、１７５～１８５℃で１～２時間にわたり加熱を実施することができる（本硬化）。仮硬化から連続的に温度を上昇させて本硬化を行うことができる。しかし、特定の温度、時間には限定されず、二段階硬化とする必要がない場合もある。

図示するパワー半導体モジュールの変形形態として、さらにプライマー層を備えていてもよい。プライマー層は、積層基板、半導体素子、および前記導電性接続部材を含む被封止部材と、封止材２０との界面に形成することができる。プライマー層は、封止材２０と被封止部材との界面において、応力緩和作用を有し、密着性を確保する観点から好ましく用いられる場合がある。プライマー層は、ポリアミド、ポリイミド、またはポリアミドイミドを含む樹脂からなる層であってよい。

封止材２０が、さらに１種または２種以上の異なる組成の熱硬化性樹脂層から形成されていてもよく、熱硬化性樹脂封止層以外の樹脂封止層を備えていてもよい。例えば、封止材２０の、大気に接触する表面を覆う熱可塑性樹脂層を備えてもよい。この場合にも、プライマー層を備えていてもよく、備えていなくてもよい。

プライマー層を備えるパワー半導体モジュールの製造方法は、被封止部材を組み立てた後、封止材２０を構成する熱硬化性樹脂組成物を注入する前に、プライマー層を形成する。プライマー層は、図５に示す半導体素子１１、リードフレーム１８、積層基板１２、アルミワイヤ１４、ケース１６を含む被封止部材の全面に、例えばスプレー塗布、浸漬方式やディスペンサーによる塗布等により設けることができる。プライマー層の形成後は、窒素ガスを導入したイナートオーブン中で、段階的に７０～１００℃で、６０分～８０分程度加熱し、さらに２００～２２０℃で、６０～８０分加熱することが好ましい。この加熱操作により、リードフレーム１８を構成するＣｕを加熱し、溶媒を気化させプライマーを固体化することができる。プライマー層の形成後は、図５に示すパワー半導体モジュールの製造方法と同様に、封止材２０による絶縁封止を行うことができる。任意選択的に追加の樹脂封止層を設ける場合は、通常の方法にて追加の樹脂封止層を形成することができる。

図示したパワー半導体モジュールの構成は、一例であって、本発明は当該構成に限定されるものではない。例えば、任意の導電性接続部材を用いてもよく、インプラントピンを用いることもできる。また、導電性接続部材が、リードフレームのみ、あるいはワイヤのみの構成もありうる。導電性接続部材がインプラントピンを備えるモジュールにおいてプライマー層を設ける場合、インプラントピン表面にもプライマー層を形成することができる。導電性接続部材がワイヤのみの構成のモジュールにおいてプライマー層を設ける場合、ワイヤ表面にもプライマー層を形成することができる。

また、ケースを備えないケースレスのパワー半導体モジュールであってもよい。ケースレスのパワー半導体モジュールの構造としては、図示はしないが、例えば図５のリードフレームおよびアルミワイヤに替えて、インプラントピンと、インプラントピンに接合されたプリント基板を含み、これらを含む部材が熱硬化性樹脂封止層により封止された構造が挙げられる。プリント基板としては、ポリイミドフィルム基板やエポキシフィルム基板にＣｕ、Ａｌなどの導電層が形成されているものを用いることができる。インプラントピンとしては、銅を用いた銅ピンを用いることができる。プリント基板の導電層も、インプラントピンも、ＣｕやＡｌに、防錆などの目的でＮｉメッキなどの処理を施したものであってもよい。このプリント基板とインプラントピンは、半導体素子どうし、もしくは、半導体素子と積層基板の間を電気的に接続する。インプラントピンと積層基板もしくは半導体素子とは、はんだ接合層により接合することができる。また、積層基板上からインプラントピンを熱硬化性樹脂封止層の外部にまで引き出すことにより、インプラントピンを外部接続端子とすることができる。かかる態様のパワー半導体モジュールの製造は、積層基板、半導体素子、インプラントピン、並びにプリント基板を含む被封止部材を組み立て、任意選択的に積層基板、半導体素子、インプラントピン、並びにプリント基板表面にスプレー塗布等の方法によりプライマー層を形成した後、被封止部材を適切な金型に載置し、熱硬化性樹脂封止層を構成する熱硬化性樹脂組成物を金型に充填して硬化する。このような封止体の成形法としては、真空注型、トランスファー成形、液状トランスファー成形、ポッティングなどが挙げられるが、所定の成形法には限定されない。

本実施形態によれば、第１実施形態によるシート状はんだを用いて、半導体素子と導電性接続部材とを接続したはんだ接合部を備えることで、エレクトロマイグレーションを防止し、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。本実施形態による半導体装置は、特に、電流密度が５００Ａ／ｃｍ^２以上、または１０００Ａ／ｃｍ^２以上といった大電流を流す用途において、高い信頼性が期待できる。

以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。

１．シート状はんだの製造
実施例１～６、比較例１、２では、Ａｇを３．５質量％含み、残部がＳｎ並びに不可避不純物からなるＳｎ３．５Ａｇはんだ合金からなるはんだブロックを用いて、シート状はんだを製造した。はじめに、はんだブロックを３００℃に加熱して溶融し、１００℃まで５℃／ｍｉｎ以上で冷却して、Ｓｎ結晶のｃ軸がランダム配向されたはんだブロックを製造した。このはんだブロックにおけるＳｎ結晶のｃ軸配向性をＥＢＳＤ法により測定し、ｃ軸配向比率Ａの値を得た。Ａの値は０．１であり、ランダム配向されていることが確認できた。ｃ軸がランダム配向されたはんだブロックを、圧縮することなく、長さ５０００μｍ×幅５０００μｍ×厚さ１００μｍに切り出したはんだ材を、比較例１とした。

このはんだブロックを、図３に例示する型に入れて、プレス加工し、加工率の異なる６種のはんだブロックを得た。加工率は、以下で定義される。厚さは、はんだブロックの厚さである。
加工率＝（初期厚さ－加工後厚さ）／初期厚さ
プレス加工されたはんだブロックを、プレス加工の方向と平行な方向に切断した。より具体的には、図３に示す切断箇所５に沿ってＬＭ平面に平行に切断して、切断面が主面となる、長さ５０００μｍ×幅５０００μｍ×厚さ１００μｍのシート状はんだを得た。これらを実施例１～６とした。

加工率７５％でプレス加工したはんだブロックを、プレス加工の方向と平行な方向が厚さとなるように加工した。より具体的には、図３に示すＭＮ平面が主面となり、Ｌ方向が厚さ方向となるように切り抜き、長さ５０００μｍ×幅５０００μｍ×厚さ１００μｍのサイズのシート状はんだを得た。これを比較例２とした。

はんだ合金の組成を変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例７～１４のシート状はんだを得た。なお、実施例８は、実施例１と同じサンプルである。表中の組成表記、ＳｎＸ［元素Ａ］Ｙ［元素Ｂ］は、元素ＡをＸ質量％、元素ＢをＹ質量％含み、残部がＳｎ並びに不可避不純物からなる組成を表す。

２．半導体装置の製造
製造したシート状はんだを、第３実施形態によるパワー半導体モジュール内の半導体素子とリードフレームを接合するはんだ接合部に適用して、その信頼性を評価した。半導体素子はＳｉ製のＩＧＢＴを用い、銅からなるリードフレームを用いた。接合条件は、１０体積％の水素を含む水素還元雰囲気（Ｎ_２とＨ_２の体積比が、９：１）で、３１０±５℃にて、５分間加熱接合した。

３．連続通電試験
製造した半導体装置に、電流密度８００Ａ／ｃｍ^２で５００時間の連続通電試験を行った。その後、電流電圧特性を評価し、正常であれば〇、異常値であれば×とした。正常とは、初期（試験前）の電流電圧特性（定格のＯＮ電流を流した時の電圧、および素子に定格の耐圧電圧を印加した時の漏れ電流）からの増減幅が２０％以内のものを、異常値とは、増減幅がそれより大きいものをいうものとする。

４．信頼性評価
信頼性は、Ｔ_ｊパワーサイクル耐量（Ｔ_ｊＰ／Ｃ耐量）により評価した。パワーサイクル試験は、４０～１７５℃（ΔＴ_ｊ１３５℃）で、通電運転１秒、休止４秒の条件を１サイクルとして、電気特性が異常値になるまでのサイクル数を調べた。電流密度は３００Ａ／ｃｍ^２とした。

実施例１～６及び比較例１、２のはんだ合金の加工率、シート状はんだのｃ軸配向比率Ａｐ（Ａｖ）、連続通電試験の結果並びに、Ｔ_ｊＰ／Ｃ耐量を表１に示す。なお、比較例２の加工方向は、実施例１～６、比較例１の加工方向と９０°異なる方向とし、加工率７５％にプレス加工した面を、素子およびリードフレームの接合面に平行に配置した。表１から、ｃ軸配向比率Ａｐは、０．２５～０．９８、より好ましくは０．３２～０．９４で、ＥＭを抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができた。はんだブロックの加工率は、５～９９％で効果があり、より好ましくは２５～９０％であることが示された。なお、比較例１のｃ軸配向比率Ａｐの値０．１は、ｃ軸がランダム配向していることを示し、比較例２のｃ軸配向比率Ａｐの値０．０１は、ｃ軸がシート状はんだの厚さ方向に平行に配向していることを示す。比較例１、２については、１ｋサイクル経過後の連続通電試験後の電流電圧特性評価で異常値を示していた。すなわちＰ/Ｃ耐量は１ｋサイクル未満であった。

これらの結果より、Ｓｎ結晶のｃ軸を接合面に平行に配向させ、ｃ軸配向比率Ａを１に近い値とするとＥＭは抑制された。しかし、ｃ軸が接合面に平行に配向しすぎると、パワーサイクル寿命が若干低下する結果となった（実施例６）。理論に拘束される意図はないが、ｃ軸が接合面に平行に配向しすぎるとせん断応力に弱くなると推測される。

実施例７～１４のはんだ合金の組成、各組成におけるＳｎの含有質量％、加工率、シート状はんだのｃ軸配向比率Ａｐ、半導体装置の連続通電試験の結果並びに、Ｔ_ｊＰ／Ｃ耐量を表２に示す。表２から、Ｓｎを主成分とする各種はんだ材についても、Ｓｎが８０％以上であればほぼ同様に塑性変形し、ｃ軸を所定の方向に配向させることができることが示された。Ｓｎが８２％の実施例１４は若干Ｐ／Ｃ耐量が他より悪かった。言い換えると、ｃ軸配向比率Ａｐが０．２以上が好ましく、０．２３以上がより好ましいことがわかる。表１の結果と合わせると、ｃ軸配向比率Ａｐは、０．２～０．９８が好ましく、０．３２～０．９４がより好ましい。粒界に金属間化合物を形成する実施例１２のＳｎ６Ｓｂ４Ａｇ．２Ｎｉ０．００１Ｇｅ等についても、塑性変形し、ＥＭは生じなかった。

本実施例によれば、エレクトロマイグレーションを防止するシート状はんだを提供し、信頼性の高いはんだ接合部ならびに半導体装置を提供することができた。

１ シート状はんだ、ｍ 主面、ｆ 主面に対向する面、ｐ プレス加工面
２ はんだブロック、３ 下部金型（下）、４ 上部金型
１１ 半導体素子、１２ 積層基板、１２１ 導電性板、１２２ 絶縁基板
１２３ａ、ｂ 導電性板、１３ 放熱板、１４ アルミワイヤ、１５ 外部端子
１６ ケース、１７ 接合層、１８ リードフレーム、 ２０ 封止材

Claims (9)

1. Ｓｎを主成分とし、添加元素と、不可避不純物とを含むはんだ合金を含有する、プレス加工されたシート状はんだであって、
   プレス加工された面が主面に垂直な面であり、Ｓｎの結晶のｃ軸が前記シートの厚さ方向に垂直な方向に配向されたシート状はんだ。
2. 前記プレス加工された表面における、Ｓｎの結晶のｃ軸配向性の指標であるｃ軸配向比率が、０．３以上である、請求項１に記載のシート状はんだ。
3. 前記ｃ軸配向比率が、０．９５以下である、請求項２に記載のシート状はんだ。
4. 前記添加元素が、Ｓｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、またはこれらの組み合わせから選択される、請求項１～３のいずれか１項に記載のシート状はんだ。
5. 半導体素子と、導電性接続部材との間に、請求項１～４のいずれか１項に記載のシート状はんだが溶融されたはんだ接合層を備えるはんだ接合部。
6. 前記導電性接続部材がリードフレームである、請求項５に記載のはんだ接合部。
7. 請求項５または６に記載のはんだ接合部を備える半導体装置。
8. Ｓｎを主成分とし、添加元素と、不可避不純物とを含むはんだ合金をプレス加工し、プレス加工された面が主面に垂直な面であり、Ｓｎの結晶のｃ軸が前記シートの厚さ方向に垂直に配向されたシート状はんだを製造する工程と、
   半導体素子と、前記シート状はんだと、導電性接続部材とを積層する工程と、
   前記シート状はんだを溶融させる工程と
   を備える、半導体装置の製造方法。
9. 前記プレス加工する工程が、Ｓｎの結晶のｃ軸配向性の指標であるｃ軸配向比率が０．３以上となるまで加圧する工程である、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。