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JP4569423B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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JP4569423B2
JP4569423B2 JP2005251090A JP2005251090A JP4569423B2 JP 4569423 B2 JP4569423 B2 JP 4569423B2 JP 2005251090 A JP2005251090 A JP 2005251090A JP 2005251090 A JP2005251090 A JP 2005251090A JP 4569423 B2 JP4569423 B2 JP 4569423B2
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真人 中村
松吉  聡
康二 佐々木
真二 平光
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Hitachi Ltd
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Description

本発明は、半導体装置用はんだ材、これを用いた半導体装置、およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、交流発電機の交流出力を直流出力に変換する車載用交流発電機(オルタネーター)に使用される半導体装置に関するものである。
車両用交流発電機に用いられる半導体装置は、例えば特許文献1に示されるように、厳しい温度サイクルに耐えるよう半導体素子と電極との熱膨張率の差に基づく熱応力を低減するような構造をしている。またエンジン近傍に設置されることから半導体装置に対して200℃の耐熱温度が要求される。そのため、半導体素子の接続には例えば固相線が300℃付近の高Pbはんだ(例えば95重量%のPbと5重量%のSnを含む固相線300℃液相線314℃のPb−Sn合金)が接続に使用される。
しかしながら、環境保護の観点から、環境負荷が大きいPbを排除した接続材料を使用した半導体装置が要求されるようになってきている。Pbを含まず高Pbはんだに近い融点を有するPbフリーはんだ材料としては、Au-20Sn(共晶、280℃)、Au-12Ge(共晶、356℃)Au-3.15Si(共晶、363℃)等のAu系材料があるが、極めて高コストである。またAu含有率が比較的少ないAu-20Snの場合、硬はんだであるため、大面積の接続では十分な応力緩衝ができず、半導体素子が破損しやすい欠点がある。
他のPbフリーはんだ材料としては、融点200℃以上のSn-3Ag-0.5Cu等のSn系中温はんだがあり、部品を基板に実装するために広く用いられ、150℃以下では良好な接続信頼性を有する。しかしながら、200℃以上の使用環境で長時間保持するような場合には接続界面で界面反応が進み、ボイドの形成および金属間化合物層の成長等により、接続信頼性が低下する問題がある。
この問題に対し、Sn系はんだの界面反応を抑制する手法としては、例えば特許文献2のように、Cu:0.1〜2重量%、Ni:0.002〜1重量%、残部SnからなるSn系はんだを使用することによって、Cuの添加により被接続材のCu食われを抑止すると同時に、Ni添加により接続界面におけるCu6Sn5、Cu3Sn等の金属間化合物の成長を抑制することが可能であることが報告されている。また、特許文献3には、はんだバンプ形成において、被接続材表面に、Sn系はんだと反応して金属間化合物を形成する2種類の金属層を設けて、そこにSn系はんだボールを接続することで、接続界面にSnを含む2〜3種の元素からなる金属間化合物層を薄く形成することにより、界面反応を抑制することが可能であることが報告されている。
特開平07−221235号公報 特許第3152945号公報 特開2002−280417号公報
しかし、従来技術においては、以下のような問題があり、界面反応抑制が十分とはいえず、接続信頼性が低い。特に、高温下で使用される車載用交流発電機(オルタネータ)用半導体装置には従来技術で界面反応を抑制することは困難であることがわかった。
すなわち、上記特許文献2の場合、Ni添加により界面反応の抑制は多少期待できるが、Cu6Sn5、Cu3Snの化合物が常にCu及びSn系はんだと接しているため、200℃以上の高温下では界面反応がすすんでしまう。これにより、Cu-Sn化合物が成長しつづけ、その界面でボイド等が発生し、結果、接続信頼性の低下を招く。
一方、上記特許文献3の場合は、はんだ最近接に形成された金属間化合物がSn系はんだと金属層との間でバリア層となるため、界面反応抑制効果は大きいと考えられるが、被接続材に予め第1の金属層と第2の金属層との2層を設ける必要があり、めっき工程の増加する、選択的に局所めっきをすることで高コストになる、電極を設けることができない構造の場合金属層形成が困難等の問題がある。また、接続面最表面に形成された金属層を接続時にSn系はんだと反応させてバリア層とする必要があるため、最表面に形成された金属層が厚いと、接続時に未反応の最表面金属層が残存してしまいバリア層の効果が十分に得られない、完全に最表面金属層を反応させるのに接続時間を長くする等のプロセスの調整が必要となるといった問題が生じる可能性がある。一方、最表面の金属層が薄い場合、界面反応を抑制するためのバリア層が薄くなり、200℃以上の高温下では十分に界面反応を抑制できないおそれがある。更に、図2のように、Sn系はんだとの反応において接続面最表面層に形成された層(例えばCu層)15の未反応部分が残存・露出する場合には、その露出部分からの酸化、腐食が起こり問題となる。一方、図3のように、接続面最表面層の残存を回避するため、仮に局所めっき等をして接続面最表面層を局所的に設けた場合、今度はSn系はんだがその下層にある金属層(例えばNi層)11まで濡れ広がるおそれが生じる。この場合、これらの間で金属間化合物(例えばNi-Sn化合物)16が形成され、この部分で界面反応がすすみ、体積変化に伴うボイドが生じてしまうおそれがある。
本発明の目的は、環境負荷が小さく低コストで、200℃以上の高温で長時間使用しても接続信頼性を維持できる半導体素子の接続材料を提供するとともに、その接続材料を用いた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すると次の通りである。
半導体素子と、接続部材を介して前記半導体素子と接続される被接続部材と、を有する半導体装置であって、前記接続部材は、前記半導体素子と、表面にNi層を形成した前記被接続部材との間に配置したCuを3〜7wt%有するCu6Sn5相を含むSn‐Cuはんだを加熱溶融及び凝固をさせ析出させたCu6Sn5化合物により前記Ni層の少なくとも一部を覆うことにより形成されていることを特徴とする半導体装置。
本発明によれば、環境負荷が小さくまた200℃以上の耐熱性がある半導体装置を提供することができる。
まず、本発明の接続材料及び接続機構について図4により説明する。
本発明の接続材料の一例は、室温から200℃においてCu-Sn化合物(例えばCu6Sn5)の相10を含有するSn系はんだ箔17である。このはんだ箔17を用いて、Ni系めっき11を施した被接続材12を接続することにより、はんだ箔17中に相として浮いていたCu6Sn5相10がNi系めっき11上に析出あるいは移動し、Cu-Sn化合物を主体とする化合物層10が形成される。その結果、200℃以上の高温下に長時間さらされても、Cu-Sn化合物を主体とした化合物層10がNi系めっき11とSn系はんだのバリア層となり、接続界面反応による化合物層の成長及びそれに伴うボイドの形成を抑制することができる。
本発明の接続機構では、被接続材に少なくともNi、Ni-P、Ni-B等のNiめっきを1層設けておけばよいため、少ない工程数での接続が可能となる。また、本発明の接続機構では、形成されるバリア層の厚さは、はんだ箔に含まれるCu-Sn化合物相の量に依存するため、Cu-Sn化合物量の増減によりバリア厚の調節が可能となる。さらに、図1に示すように、はんだが濡れた接続界面にはんだ中のCu-Sn化合物10がNi系めっき11上に能動的に析出あるいは移動し、Cu-Sn化合物のバリア層が形成されるため、接続後の接続部では上記した図2及び図3での問題は生じない。
ここで、本発明の接続材料のように、Cu-Sn化合物が相として含まれる状態、室温から200℃においてCu6Sn5を含有するSn系はんだの状態となる条件について、Sn-Cu2元系状態図を示す図14を用いて説明する。
Sn-0.9CuよりCu含有量の少ない組成では、はんだが溶融して凝固する際に、共晶組成より多く含まれるSnが初晶としてまず析出し、最後にSnとCu6Sn5が共晶組織として凝固する。そのとき、Cu6Sn5は接続内部の粒界等に分散して析出するため、Ni系めっき上にバリア層状に析出しない。そのため、耐熱性が得られない。一方、Sn-0.9CuよりCu含有量が多い組成では、はんだが溶融して凝固する際に、まずCu6Sn5相が析出する。その際、Cu6Sn5がNi系めっき上に優先的に析出するために、Cu-Sn化合物のバリア層が形成される。そして、最後にSnとCu6Sn5が共晶組織として凝固する。上記のような機構でCu-Sn化合物のバリア層が形成される。
すなわち、本発明の接続材料としては、共晶組成よりCu6Sn5相の含有量が多い組成を選択すればよい。Sn-Cu2元系であれば、Cuが0.9wt%以上あればよいことになるが、他元素が含まれる場合には合金系によって共晶組成が異なるため、いずれの場合でも、共晶組成よりCu6Sn5相の含有量が多い組成の接続材料を選択すればよい。なお、これにより通常使用されるSn-3Ag-0.5CuやSn-0.7Cuの場合では、共晶組成に比べてCu6Sn5相が少ないため、Ni系めっき上にはバリア層が形成されない。
以上のように、本発明の接続材料及びその接続機構について説明したが、接続材料の供給形態は箔にこだわらず、図6及び図7に示すように、ペーストやワイヤ等のいずれの形状で供給されても、接続後にNi系めっき上にCu-Sn化合物のバリア層が形成される。適宜、接続環境に応じた供給方法を選択することが可能である。
なお、室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだは、良好な濡れを得るために、好ましくは液相線温度が接続温度以下となる組成を選択すればよい。
次に、本発明の接続材料を用いた半導体装置及びその製造方法の一形態について、車載用交流発電機用の半導体装置を示す図8、図9を用いて説明する。
図8に示す半導体装置は、半導体素子1と、半導体素子1の第一の面と本発明の接続材料を用いて形成された接続部材2を介して接続される接続部にNi系めっきを施したリード電極体7と、半導体素子1の第二の面と本発明の接続材料を用いて接続された接続部材4を介して接続される接続部にNi系めっきを施した熱膨張率差緩衝材5と、熱膨張率差緩衝材5の他方の面と本発明の接続材料を用いて接続された接続部材6を介して接続される接続部にNi系めっきを施した支持電極体3とを有する。
本発明の接続材料を用いて接続することにより、高温下での使用でも界面反応を抑制し、接続信頼性のある半導体装置を提供することができる。なお、すべての接続部で本発明の接続材料を用いず、一部他の材料の使用も可能だが、接続信頼性の観点からすべての接続部で本発明の接続材料を用いることが好ましい。この際、共晶組成よりCu6Sn5相の含有量が多い組成の接続材料であればいかなるものでもよく、各接続部で異なる材料であっても構わない。
ここで、熱膨張率差緩衝材5としては、Al、Mg、Ag、Zn、Cu、Niのうちのいずれかを用いることができる。これらは降伏応力が小さい金属であり、惰性変形しやすい。そこで、接続部にこれらの金属を付与することにより、接続後の冷却時および温度サイクル時に接続部に被接続材の熱膨張率差により発生する応力を緩衝することができる。このとき、図5に示すように、降伏応力が75MPa以下であることが好ましい。降伏応力が100MPa以上の場合、応力を充分に緩衝できず、半導体素子に割れが発生する場合がある。厚さは、30〜500μmにすることが好ましい。厚さが、30μm以下の場合、応力を充分に緩衝できず、半導体素子および金属間化合物にクラックが発生する場合がある。厚さが、500μm以上の場合、Al、Mg、Ag、ZnはCu製の電極より熱膨張率が大きいため、熱膨張率の効果が大きくなり、信頼性の低下につながる場合がある。
また、熱膨張率差緩衝材5としては、Cu/インバー合金/Cu複合材、Cu/Cu2O複合材Cu-Mo合金、Ti、Mo、Wのいずれかを用いることができる。この熱膨張率差緩衝材5により、半導体素子とCu電極との間の熱膨張率差から生じる温度サイクル時及び接続後の冷却時の接続に発生する応力を緩衝することができる。このとき、厚さが薄すぎると応力を十分に緩衝できず、半導体素子および金属間化合物にクラックが発生する場合があるので、その厚さを30μm以上にすることが好ましい。
なお、Sn系はんだは高鉛はんだに比べて熱伝導率が高いため、半導体装置の低抵抗化および高放熱化の可能であり、図9のように熱膨張率緩衝材5を省略することも可能だが、高鉛はんだよりも硬いSn系はんだを使用しても十分な接続信頼性を得るべく、挿入する方が好ましい。
各被接続材に設けるNi系めっきとしては、上記の通り、Ni、Ni-P、Ni-B等を用いればよいが、そのめっき上に更にAuめっき、Agめっきを施しても構わない。これにより、濡れ性を向上させることができる。その場合、Au、Agといっためっき層は接続時にはんだ内部に全て拡散させることにより、下地のNi系めっき上にCu-Sn化合物のバリア層を形成することができる。
次に、半導体装置の製造方法について説明する。図8に示すような部材および接続部材の順序で、すなわち支持電極体3の上に、室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだ箔6、熱膨張係数が11×10−6/℃の直径6.8mm、厚さ0.6mmのNiめっきCIC(Cu/Inver/Cu)クラッド材の熱膨張率差緩衝材5、室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだ箔4、直径6mm厚さ0.2mmのNiめっき半導体素子1、室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだ箔2、直径4.5mm厚さ0.2mmのCu板付Cuリード電極体7を積み重ね、位置合わせ治具内に置き、熱処理炉にて、窒素に水素50%を混合した還元性雰囲気で、380℃、1分の温度条件で接続し、続いて接続部周辺にシリコーンゴム8を注入後硬化させて、半導体装置を製造する。なお、接続工程は220〜450℃、還元性雰囲気で行えば、フラックスを使用しないで良好な接続を行うことができる。
この半導体装置の温度サイクル試験および高温放置試験後の半導体素子および各部材間の接続強度を実際測定した結果を表1に示す。
Figure 0004569423
初期接続強度の80%以上の強度を有している場合を○、80%未満の強度の場合を×で表記した。実施例1〜6の全てにおいて、-40℃(30min.)/200℃(30min.)500サイクルの温度サイクル試験後、初期接続強度の80%以上の強度を維持することを確認した。また、210℃1000hの高温放置試験後も、実施例1−6の全てにおいて初期接続強度の80%以上の強度を維持することを確認した。更に、これらについては、試験前と試験後で熱抵抗変動が10%以内であることも確認した。図12に、一例としてSn-5Cuはんだを用いて接続したサンプルを210℃1000h高温放置したときの接続界面の断面を示す。Cu-Sn化合物のバリア層により、高温放置後もNi層が消失せず残存しており、体積変化に伴うボイド形成も観察されない。
なお、上記では全体構造を同時に室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだで接続するプロセスについて述べたが、熱膨張率差緩衝材5の上に、半導体素子1およびCu板付リード電極体3を室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだで接続したものを作製し、続いてこれを支持電極3の上に室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだで接続するなど、いくつかの部品に分けて接続しても良い。
図9に示すような部材および接続部材の順序で、すなわち支持電極体3の上に、室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだ箔の接続部材4、直径6mm厚さ0.2mmのNiめっき半導体素子1、室温から200℃においてCu6Sn5相を含有するSn系はんだ箔の接続部材2、直径4.5mm厚さ0.2mmのCu板付Cuリード電極体7を積み重ね、位置合わせ治具内に置き、熱処理炉にて、窒素に水素50%を混合した還元性雰囲気で、450℃、5分の温度条件で接続し、続いて接続部周辺にシリコーンゴム8を注入後硬化させて半導体装置を作製する。
この半導体装置の温度サイクル試験および高温放置試験後の半導体素子および各部材間の接続強度を実際測定した結果を表1に示す。初期接続強度の80%以上の強度を有している場合を○、80%未満の強度の場合を×で表記した。実施例7〜12の全てにおいて、-40℃(30min.)/200℃(30min.)500サイクルの温度サイクル試験後、初期接続強度の80%以上の強度を維持することを確認した。また、210℃1000hの高温放置試験後も、実施例7−12の全てにおいて初期接続強度の80%以上の強度を維持することを確認した。更に、これらについては、試験前と試験後で熱抵抗変動が10%以内であることも確認した。
次に、比較例として、共晶組成よりCu6Sn5相の含有量が多くならない組成の接続材料について測定した結果を以下説明する。
接続構造は、実施例1−6と同じである。その結果は表1に示す通り、初期接続強度の80%以上の強度を有している場合を○、80%未満の強度の場合を×で表記した。比較例1、2において、-40℃(30min.)/200℃(30min.)500サイクルの温度サイクル試験後、初期接続強度の80%以上の強度を維持することを確認した。しかしながら、210℃1000hの高温放置試験後では、比較例1、2ともに初期接続強度の80%未満の強度となった。接続断面を観察すると、図10,11のようなボイド14が接続界面に形成されていた。高温放置により界面反応が進み、化合物層の成長に伴う体積変化で生じたボイド形成により、接続強度が低下したと考えられる。図13に、一例としてSn-3Ag-0.5Cuはんだで接続したサンプルを210℃で1000h高温放置したときの接続界面の断面を示す。Cu-Sn化合物のバリア層が形成されないため、SnとNiが反応してNi層が完全に消失し、更に下地のCuまでもSnと反応しCu-Sn化合物層が厚く形成されている。その結果、大きな体積変化が生じボイドが形成され、良好な接続状況を維持することができなくなる。
比較例3、4においては、-40℃(30min.)/200℃(30min.)500サイクルの温度サイクル試験後、210℃1000hの高温放置試験後ともに、比較例1、2ともに初期接続強度の80%未満の強度となった。接続断面を観察すると、図10,11のようなボイド14が接続界面に形成されていた。高温放置により界面反応が進み、化合物層の成長に伴う体積変化で生じたボイド形成により、接続強度が低下したと考えられる。
なお、比較例5は高鉛フリーはんだによる比較例であり、いずれも良好な結果となっている。
次に、本発明の接続材料を用いた半導体装置の他の形態について、図15を用いて説明する。 図15はプリント基板への部品実装の例であり、プリント基板102と、前記プリント基板102と本発明の接続材料を用いて接続され、実装された表面実装部品101と、前記プリント基板102と本発明の接続材料を用いて接続され、実装されたチップ部品103と、前記プリント基板102と本発明の接続材料を用いて接続され、実装された挿入実装部品104とを有する。図示しないが、接続される各面にはNi系めっきが施される。本発明の接続機構を用いて実装することにより、高温下でも界面反応を抑制し、接続信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
なお、図15は表面実装部品101、チップ部品103、挿入実装部品104の全てが実装されているが、いずれか一つ又は二つだけであっても構わない。また、一部の接続においてSn-3Ag-0.5Cu等の他のはんだ材料を用いても構わない。
次に、本発明の接続材料を用いた半導体装置の他の形態について、図16を用いて説明する。
図16に示す半導体装置は、半導体素子1と、半導体素子1と本発明の接続材料を用いて接続されたフレーム105と、半導体素子1に設けられた電極(図示しない)とワイヤ108により電気的に接続された外部リード107と、半導体素子1を覆うように設けられたモールド樹脂とを有する。図示しないが、接続される各面にはNi系めっきが施される。本発明の接続機構を用いることにより、高温下でも界面反応を抑制し、接続信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
他の半導体装置の形態について、図17を用いて説明する。
図17に示す半導体装置は、RFモジュール等に代表される構造であり、モジュール基板109と、モジュール基板に本発明の接続材料を用いて接続された表面実装部品101と、モジュール基板に本発明の接続材料を用いて接続された半導体素子1と、モジュール基板に本発明の接続材料を用いて接続されたチップ部品と、モジュール基板1の裏面に設けられたはんだボール110とを有する。図示しないが、接続される各面にはNi系めっきが施される。本発明の接続機構を用いることにより、高温下でも界面反応を抑制し、接続信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
なお、図15は表面実装部品101、チップ部品103、挿入実装部品104の全てが実装されているが、いずれか一つ又は二つだけであっても構わない。また、一部の接続においてSn-3Ag-0.5Cu等の他のはんだ材料を用いても構わない。
以上、半導体装置の実施形態についていくつか説明したが、本発明はこれらの形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、パワートランジスタ、パワーIC、IGBT基板、RFモジュール等のフロントエンドモジュール、自動車用パワーモジュール等のダイボンディング等に用いても構わない。また、接続に用いる本発明の接続材料は、共晶組成よりCu6Sn5相の含有量が多い組成のSn系はんだであれば、その供給形態は問わず、プリント基板へのレベリング処理、部品へのディップ、印刷、箔、ワイヤ等いずれの方法でも構わない。
本発明の接続状況を模式的に示す断面図である。 特許文献3で可能性のある接続状況を模式的に示す断面図である。 特許文献3で可能性のある接続状況を模式的に示す断面図である。 本発明の接続機構を模式的に示す断面図である。 熱膨張率差緩和材として使用可能な各種材料のヤング率と降伏応力を示した図である。 本発明の接続機構を模式的に示す断面図である。 本発明の接続機構を模式的に示す断面図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す図である。 接合界面のボイド形成状況を模式的に示す断面図である。 接合界面のボイド形成状況を模式的に示す断面図である。 高温放置試験後の接合界面を模式的に示す断面図である。 高温放置試験後の接合界面を模式的に示す断面図である。 Cu-Sn2元系状態図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す図である。 本発明の半導体装置の一実施形態を示す図である。
符号の説明
1 半導体素子、2,4,6 接続部材、3 支持電極体、5 熱膨張率差緩和材、7 リード電極、8 シリコーンゴム、10 Cu-Sn化合物、11 Niめっき、12 被接続材、13 金属間化合物、14 ボイド、15 Cu層、16 Ni-Sn化合物、17 はんだ箔、18 はんだペースト、19 はんだワイヤ
101 表面実装部品、102 プリント基板、103 チップ部品、104 挿入実装部品、105 フレーム、106 モールド樹脂、107 リード、108 ワイヤ、109 モジュール基板、110 はんだボール

Claims (5)

  1. 半導体素子と、前記半導体素子と接続される被接続部材と、を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体素子と、表面にNi層を形成した前記被接続部材との間にCuを3〜7wt%有するCu6Sn5相を含むSn‐Cuはんだを配置する工程と、
    前記Sn‐Cuはんだを加熱してCu6Sn5化合物を析出させ、前記析出したCu6Sn5化合物により前記Ni層の少なくとも一部を覆う工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 請求項記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記Sn‐Cuはんだは箔またはペストまたはワイヤのいずれかの形状であり、前記被接続部材はプリント基板であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 請求項または請求項に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体素子の表面はNiで覆われており、前記半導体装置の表面は前記被接続部材に対向していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 半導体素子と、前記半導体素子の第一の面と接続され表面をNiによりめっきされている支持部材と、前記支持部材により支持され表面をNiによりめっきされている前記半導体素子の第二の面と接続されるリド電極体と、を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体素子と前記支持部材との間にCuを3〜7wt%有するCu6Sn5相を含むSn‐Cuはんだを配置する工程と、
    前記Sn‐Cuはんだを加熱してCu6Sn5化合物を析出させ、前記析出したCu6Sn5化合物により前記支持部材の表面のNi層の少なくとも一部を覆う工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 請求項記載の半導体装置の製造方法であって、
    さらに、前記Cu6Sn5を含むSn‐Cuはんだを、前記半導体素子と前記リド電極体との間に配置する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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