JPH0145220B2 - - Google Patents

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JPH0145220B2
JPH0145220B2 JP56104159A JP10415981A JPH0145220B2 JP H0145220 B2 JPH0145220 B2 JP H0145220B2 JP 56104159 A JP56104159 A JP 56104159A JP 10415981 A JP10415981 A JP 10415981A JP H0145220 B2 JPH0145220 B2 JP H0145220B2
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Hirotsugu Hatsutori
Masahiro Kuwagata
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Matsushita Electronics Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体基板の基板支持体に接着される
側の面に形成される電極構造と、この電極を介し
て半導体基板を支持体に鑞付接着する半田組成の
改善された半導体装置に関するものである。
半田鑞付のため、半導体基板に設ける電極金属
には、(1)半田との濡れ特性が良好である。(2)半田
鑞付工程で電極金属が半田中に融け込まず、電極
金属と半導体基板との間に剥離が生じない。(3)電
極金属と半導体基板との接着力が大きい。(4)熱疲
労テストのような長期の苛酷なライフテストに対
して耐え得る信頼性の高い材料である。(5)半田鑞
付け時に半田と電極金属の間で望ましくない化合
物が形成されない。等の要件を具備することが要
求される。
従来、半田鑞付け用の半導体基板側の電極金属
としては電解又は無電界メツキによるニツケルメ
ツキ層、もしくは真空蒸着によるニツケル層が使
用されている。ニツケルは半田中に融け込むとい
う問題がないのでこの点ですぐれているが、半導
体基板と強固な接着力を実現するためには比較的
高温度の熱処理を必要とする。なお、メツキ方式
によりニツケル層を形成する場合は、メツキ液中
に含有されている不純物によつて表面が汚染され
るおそれがあり、前処理工程が煩雑である。ま
た、良好なオーミツク接触状態を得るためにはニ
ツケル層を形成する部分の基板不純物濃度がある
程度以上必要であり、オーミツク接触用の拡散層
の形成工程が余分にいるなどという欠点もあつ
た。
上記の各種の欠点を改良し、半田鑞付け用とし
てのすぐれたニツケルの特徴を生かすための半導
体基板用金属電極としてクロム・ニツケル合金／
ニツケルあるいはクロム／クロム・ニツケル合
金／ニツケルの多層構成電極が知られている。し
かしこのような多層電極を用いても半田接着性の
変動、バラツキにおいて必ずしも十分でなかつ
た。すなわち、これらの多層電極層は通常の半田
接着用電極として十分に実用できるものではある
が、この最上層がニツケル（Ni）であることと、
大量の工場生産においては電極形成工程と半田接
着工程の間に時間的な遅れがあることが原因とな
り、保存期間中にNiの表面が多少酸化するなど
によつて、ロツト間でNiの表面状態に差異を生
じ、半田鑞付けのバラツキのおこる原因となつて
いた。
このため半田鑞付け工程の直前に保存状態によ
るロツト間の差をなくしNi表面層の酸化層の影
響を除去するため適当な表面処理がなされてい
た。このため余分な工程が一つ増える他、表面処
理の条件管理が厄介であり、大量生産を前提とす
る工場用としてはNiを最上層とする多層電極に
は改善の余地があつた。
一方、半導体基板と基板接続体に接着する場
合、半田鑞付け用電極金属とともに、半田材料自
体が接着特性の大きな影響を及ぼすことも明らか
である。従つて半田鑞付けにおいては、単に半導
体基板側の電極金属のみならず、半田材料と組み
合わせた総合的な観点からの検討が必要である。
なかんずく大電力を取り扱うパワートランジスタ
等においては良好な熱疲労特性を実現するため
に、半田材料の脆化現象をも考慮した材料の選定
が極めて重要である。本発明は前記半導体基板の
半田鑞付けに要求される各種条件を満足させるた
め、電極金属側と半田材料側の両者を総合的に考
慮した新規な電極材料構成と半田材料組成を提供
するものである。
以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。
図は本発明の一実施例にかかる半導体装置の断
面構造を示す図であり、図中１は半導体基板、２
はクロム（Cr）層、３はCr−Ni合金層、４はNi
層、５は貴金属層、６は半田材料、７は基板接続
体に施したメツキ層、そして８基板接続体であ
る。
かかる構造の半導体装置は以下のようにして形
成される。
先ず、半導体基板の半田鑞付けされる側の面に
多層電極としてCr500Å、Cr−Ni合金500Å、
Ni3000Åの順序で、例えば多ソースの電子ビー
ム蒸着機を使用して真空を破らずに連続蒸着して
形成する。最下層のCr層２は電極金属と半導体
基板例えばシリコンとの接着力を強固にするため
の役目を、第２層目のCr−Ni合金層３は下地の
Crと最上層のNiを結びつける役目を、さらに最
上層のNiは半田中へ融け込みにくく、しかも半
田と濡れる性質が利用された半田鑞付け用の金属
としての役目を担う。なお、最下層を形成する
Cr層２はシリコン基板１に対して接着力が非常
に強固であるので、最下層の電極としては非常に
すぐれたものである。
ところで、Niを最上層にした多層電極を用い
るときには、半田鑞付け時にNi表面層の影響を
避ける目的で半田鑞付け工程の直前に前処理工程
の導入される事が多い。前処理工程は生産能率上
出来るだけ避ける方が望ましい。又前処理をして
も半田鑞付け時にボイドの発生がよく認められ
る。半田鑞付け用金属としては、ニツケルよりも
更に化学的に安定でしかも半田に対して漏れ特性
のよりすぐれた金属について実験検討した結果、
金、銀あるいは白金等の貴金属がこの目的に適し
ている事が見い出された。金あるいは白金を最上
層金属として従来のNi層上に用いる場合約500Å
〜1000Åの厚みで効果があらわれ、また、銀の場
合は1000Å以上できれば3000Å程度で最も効果が
大である事が判明した。
更にこれらの貴金属層を最上層として設ける
と、半田中に含まれている錫（Sn）と、電極金
属のNiが反応して固くてもろいSn−Ni化合物が
形成されるのを妨げる効果が奏される。接着半田
層にSn−Ni化合物が存在すると熱疲労特性に悪
影響を及ぼすので、貴金属層は又特に大電力を扱
うパワートランジスター等の熱疲労特性の改善に
も大きな効果がある。
多ソース電子ビーム蒸着機を使用してCr層２、
Cr−Ni合金層３、Ni層４を形成し、さらにこの
上に貴金属５を設けて多層電極の形成された半導
体基板１は、半田６を介して基板接続体８へ鑞付
けされる。基板接続体８の素材としては銅（Cu）
もしくは鉄ニツケル合金（Fe−Ni）が使用され、
半田との漏れを良くするため適当なメツキ層７例
えばNiメツキが施されているのが普通である。
また、半導体基板を鑞付けする半田には、(1)作業
性が良い。(2)半導体基板に対して濡れが良くボイ
ド生成がない。(3)電気抵抗が小さい。(4)熱伝導率
が高い。(5)鑞付け時に雰囲気ガスにより酸化され
にくい。(6)熱疲労特性がすぐれている。(7)接着強
度が大きい。などの性質が要求される。
半導体基板鑞付け用の半田は、単に半田材料の
物理的、化学的性質のみならず、半導体基板とし
ての電気的、熱的特性を十分に満足するものでな
ければならない。半導体用の低融点半田材料とし
て鉛（Pb）を主成分とした半田とSnを主成分と
した半田の２種類について検討した。Pbを主成
分とした半田では、Pb／Sn系でSnの含有量が重
量比で２〜10％残部がPbである組成に、またSn
を主成分とした半田ではSn／Ag／Sbの３成分系
で、Agが重量比で２〜10％、Sbが重量比で0.2〜
20％、残部がSnである組成に選定したとき、前
記の諸条件を満足できることが実験的に確認でき
た。
なお、Pb／Sn系でSnの含有量が重量比で２％
未満になると、溶融した半田の流れが非常に悪く
なり、実用上使用困難になる。一方Snの含有量
が多くなるとSn−Ni化合物が発生し易くなり、
10重量％を超えると熱疲労特性の劣化が表面化す
る。Sn系ではAgの添加により流れ特性が向上し
て、ボイドの含有量が減少する。しかしながら、
Agが重量比で10％を超えると半田が脆化し、一
方２％未満では効果が認められない。ところで、
Sn系はSbを添加すると酸化防止効果が増大する。
Sbの含有量が重量比20％を超えると固くて脆く
なるので使用出来ない。又0.2％未満では効果が
認められない。Pbを主成分とした半田は使用時
に比較的高温度となる半導体素子に適しているの
に対して、Snを主成分とした半田は比較的低温
度で使用される半導体素子用に適している。実験
結果ではPb系半田とSn系半田とを比較した場合
半導体装置の電気的特性面では大差がなかつた。
本発明の多層電極構成は、Pb系半田、Sn系半
田のいずれに対しても (1) 最上層の貴金属層は半田との濡れが極めて良
いためボイドが殆んどない。
(2) ボイド減少の結果、実効的な接着面積が増大
し熱抵抗値は10〜20％減少する。
(3) ２次破壊電圧が約10％増加し、信頼性が向上
する。
(4) 破断テストにおいて接着強度が著しく向上す
る。
(5) 半田鑞付け工程における工程管理が容易にな
る。
(6) Sn−Ni化合物の形成が抑制されたため熱疲
労特性が向上する。
(7) 電極金属最上層表面の酸化汚染がなく、鑞付
前処理が不要になる。
など改善の効果が大きい。
以上のように、本発明は半導体基板の低融点半
田鑞付け用電極および半田材料として半導体装置
製造の作業性改善に大きな効果をもち、半導体装
置の電気的特性、熱的機械的特性、およびライフ
特性の向上ができ、工業的に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の実施例を説明するための半導体装
置の断面構造図である。 １……半導体基板、２……クロム層、３……ク
ロム−ニツケル合金層、４……ニツケル層、５…
…金又は銀又は白金層、６……半田、７……基板
接続体表面メツキ層、８……基板接続体。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 基板支持体へ接着される側の表面上に、クロ
    ム層、クロム−ニツケル合金層、ニツケル層およ
    び金、銀もしくは白金等の貴金属層がこの順序で
    ４層に積層された半導体基板を、半田の組成が、
    ２〜10重量パーセントの錫、残部が鉛もしくは３
    〜10重量パーセントの銀、0.2〜20重量パーセン
    トのアンチモン、残部が錫とされた半田を介して
    前記基板支持体へ接着したことを特徴とする半導
    体装置。
JP56104159A 1981-07-02 1981-07-02 半導体装置 Granted JPS586143A (ja)

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