CN107614185B - 接合用构件和接合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的接合用构件(1)具备内部被气密的树脂体(2)和被封入树脂体(2)内部的接合材料(3)。接合材料(3)在热处理前的状态下是包含多个第1金属粉(4)和多个第2金属粉(5)的混合粉体。第2金属粉(5)具有与熔融的第1金属粉(4)反应而生成金属间化合物的特性。树脂体(2)以比多个第1金属粉(4)和多个第2金属粉(5)开始软化的温度高的温度熔融。生成的金属间化合物例如为CuNiSn等。生成金属间化合物的反应例如是伴随着液相扩散接合的反应。接合用构件(1)能够抑制接合材料(3)的熔融和固化被表面氧化物阻碍的情况。

Description

接合用构件和接合方法
技术领域
本发明涉及将电子部件与基板接合时等使用的接合用构件和接合方法。
背景技术
以往，作为进行电子部件在基板上的安装等的接合用构件的材料，进行了实现无铅化的各种金属材料的开发。例如，专利文献1中公开了包含由Sn构成的金属粉和由CuNi合金构成的金属粉的接合材料(焊膏)。该接合材料在通过热处理而成为与Sn的熔点相比高的温度时，Sn熔融而生成Sn的溶液，该Sn的溶液与CuNi合金反应，从而改性为Cu、Ni与Sn的金属间化合物。改性为这种金属间化合物的接合材料成为与Sn的熔点相比再熔融的温度高的高耐热的材料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2011/027659号小册子
发明内容
上述接合材料中，为了适当地进行热处理时的金属粉的反应，需要预先添加将生成于金属粉表面的表面氧化物还原·除去的焊剂。然而，焊剂有时使电子部件的电极等腐蚀，因此接合对象物会被限定于对因焊剂所致的腐蚀具有耐性的材质。此外，需要在接合过程中清洗焊剂的工序，因此会导致工序数量的增加，并且接合对象物会被限定于即使对清洗也具有耐性的材质、结构。
本发明的目的是提供一种能够抑制接合材料的熔融和固化被表面氧化物阻碍的情况的接合用构件。
本发明所涉及的接合用构件具备内部被气密的树脂体和被封入上述树脂体的内部的包含多个金属粉的接合材料，上述树脂体以比上述金属粉开始软化的温度高的温度熔融。特别优选上述树脂体以比上述金属粉开始熔融的温度高的温度熔融。
这些构成中，能够将多个金属粉在抑制了表面氧化的状态下保持在树脂体的内部。此外，使该接合用构件通过热处理接合于接合对象物时，金属粉在比树脂体熔融的温度低的温度区域软化或熔融，从而在树脂体的内部接合材料一体化而表面积减少。因此，接合用构件成为更高温度而树脂体熔融时，即使位于树脂体的内部的接合材料暴露于外部空气也抑制表面氧化物的生成。由此，可以几乎不会受到表面氧化物的影响地使接合材料熔融和固化。
上述接合材料优选不含焊剂。
该构成中，将接合材料接合的接合对象物不会被焊剂腐蚀，接合对象物的材质不会受限制。
上述接合材料优选包含第1金属粉和与熔融的上述第1金属粉反应而生成具有比上述第1金属粉高的熔点的金属间化合物的第2金属粉。特别优选上述第1金属粉包含Sn，上述第2金属粉包含Cu－Ni合金、Cu－Mn合金、Cu－Cr合金或Cu－Al合金。
这些构成中，接合材料通过加热而熔融时，改性为金属间化合物。因此，该接合材料通过冷却而固化时，成为与第1金属粉的熔点相比再熔融的温度高的高耐热的接合材料。
上述树脂体优选在上述金属粉改性为上述金属间化合物的温度范围具有熔点。
该构成中，直至接合材料开始改性为金属间化合物为止，树脂体不会熔融而使接合材料不会暴露于外部空气。因此，能够抑制接合材料中的向金属间化合物的改性被表面氧化物阻碍的情况。
此外，本发明所涉及的接合方法优选实行如下工序：第1工序，其将具备内部被气密的树脂体和被封入上述树脂体的内部的包含多个金属粉的接合材料且上述树脂体以比上述金属粉开始软化的温度高的温度熔融的接合用构件配置于第1接合对象物与第2接合对象物之间；以及第2工序，其以上述树脂体熔融的温度将配置于上述第1接合对象物与第2接合对象物之间的上述接合用构件进行热处理。
该接合方法中，接合用构件可以完全不含焊剂或可以仅含有少量焊剂而不被表面氧化物阻碍地使接合材料熔融和固化。因此，能够抑制接合对象物被焊剂腐蚀的情况，接合对象物的材质不会受到限定。
上述第2工序中，优选介由上述第1接合对象物和上述第2接合对象物对上述接合用构件施加压力。
该接合方法中，熔融的树脂体从各接合对象物与接合材料之间被挤出，因此可以更可靠地实现各接合对象物与接合材料的接合。
上述第2工序中，优选通过加热而流动的上述树脂体覆盖作为上述金属粉的反应物的金属接合体的从上述第1接合对象物和上述第2接合对象物露出的周围。
该接合方法中，即使在树脂体熔融后，接合材料也难以暴露于外部空气，因此可以进一步抑制在接合材料上生成表面氧化物的情况。
上述第2工序中，优选通过加热而流动的上述树脂体进入在作为上述金属粉的反应物的金属接合体形成的空隙。
该接合方法中，通过树脂体进入接合材料与各接合对象物接触的面的空隙，可提高两者的接合强度。
优选的是，上述金属粉包含第1金属粉和与熔融的上述第1金属粉反应而生成具有比上述第1金属粉高的熔点的金属间化合物的第2金属粉，上述第1接合对象物和上述第2接合对象物中的至少一者在与上述接合材料接触的表面包含组成上述第2金属粉的金属。
该接合方法中，通过组成接合材料所含的第1金属粉的金属与组成接合对象物的表面所含的第2金属粉的金属的反应而生成金属间化合物，因此可进一步提高接合材料与接合对象物的接合强度。
根据本发明，接合用构件中，可以不被表面氧化物阻碍地使接合材料熔融和固化。
附图说明
图1的图1(A)是本发明的第1实施方式所涉及的接合用构件1的立体图。图1(B)是接合用构件1的示意性截面图。
图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的接合方法的流程图的图。
图3是示意性地表示通过本发明的第1实施方式所涉及的接合方法进行的第1工序的截面图。
图4的图4(A)是示意性地表示使用接合用构件1的接合方法中的第2工序的前半过程的截面图。图4(B)是示意性地表示使用接合用构件1的接合方法中的第2工序的后半过程的截面图。
图5是表示本发明的第1实施方式所涉及的接合方法中的温度曲线的图。
图6是本发明的第2实施方式所涉及的接合用构件的示意性截面图。
具体实施方式
以下，对本发明的第1实施方式所涉及的接合用构件和使用该接合用构件的接合方法进行说明。
图1(A)是本发明的第1实施方式所涉及的接合用构件1的立体图。图1(B)是接合用构件1的示意性截面图。
接合用构件1具备树脂体2和接合材料3。树脂体2在气密的内部封入接合材料3。这里的树脂体2是使具有柔性的2张树脂膜贴合的构成。树脂体2的内部优选通过脱气处理、脱氧处理、氮、氩、氦、氙等非活性气体的填充处理等将游离氧除去(使其减少)。此外，构成树脂体2的树脂膜优选透氧度小。
构成树脂体2的树脂是在接合材料3所含的Sn的熔点下不熔融的材质。此外，是通过后述的热处理开始金属间化合物的生成反应后，发生熔融和流动，另一方面，在该热处理的最高温度下不会烧毁的材质。作为能够作为这种树脂体2采用的原料，有聚酯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、尼龙6、尼龙66、聚氯乙烯(PVC)、聚缩醛树脂(POM)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯(PP)等。这些材质中，可以选择对上述温度特性的实现适当的原料作为树脂体2的材质而采用。
接合材料3是在热处理前的状态下包含多个第1金属粉4和多个第2金属粉5的混合粉体。这里，接合材料3以未添加液体的干燥粉体的形式构成，并且通过对多个金属粉预先施加压力并压缩而构成为多孔状。
此外，第1金属粉4设为Sn的单金属或合金(例如Sn－Ag－Cu、Sn－Ag、Sn－Cu、Sn－Bi、Sn－Sb、Sn－Au、Sn－Pb、Sn－Zn等)。
第2金属粉5设为Cu的合金(优选为Cu－10Ni合金，除此以外，Ni的比例为5～20重量％的Cu－Ni合金、或Mn的比例为5～20重量％的Cu－Mn合金，或者，Cu－Cr合金、Cu－Al合金等)。
另外，第1金属粉4只要具有低于第2金属粉5的熔点，则也可以是其它材质。此外，第2金属粉5只要具有与熔融的第1金属粉4反应而生成金属间化合物的特性，则也可以是其它材质。以下说明中，将第1金属粉4称为Sn粉4，将第2金属粉5称为Cu合金粉5。
另外，接合材料3、Sn粉4、Cu合金5可以含有Ag、Au、Al、Bi、C、Co、Cu、Fe、Ga、Ge、In、Mn、Mo、Ni、P、Pb、Pd、Pt、Si、Sb、Zn等。它们的添加方式可以是作为Sn粉4、Cu合金5中含有的杂质的方式，也可以是作为除了Sn粉4、Cu合金5以外还添加于接合材料3的金属粉等的方式。此外，以金属粉等的形式添加时，也可以以金属络合物、金属化合物的方式含有。
此外，Sn粉4与Cu合金粉5的配合比以重量比计优选为Sn粉4：Cu合金粉5＝50：50～70：30的范围内。若Sn粉4的配合量过多，Cu合金粉5的配合量过少，则有可能在后述的热处理后在接合材料3中未反应的Sn成分过量地残留。另一方面，若Cu合金粉5的配合量过多，Sn粉4的配合量过少，则有可能在后述的热处理后接合材料3中未反应的Cu合金成分过量地残留。若热处理后的接合材料3中过量地残留各金属粉，则有可能接合材料3成为多孔状而接合强度显著下降。
此外，Sn粉4的平均粒径(D50)优选为1～30μm的范围内。若Sn粉4的平均粒径小于1μm，则表面积的比例增加，从而会形成大量的表面氧化物，与Cu合金粉5的湿润性下降而会抑制反应。另一方面，若Sn粉4的平均粒径大于30μm，则在Sn的熔融时在Cu合金粉5的周围形成大的空隙。
此外，Cu合金粉5的平均粒径(D50)优选为1～30μm的范围内。若Cu合金粉5的平均粒径小于1μm，则表面积的比例仍然增加，从而会形成大量的表面氧化物，与熔融的Sn的湿润性下降而会抑制反应。另一方面，若Cu合金粉5的平均粒径大于30μm，则有可能反应没有充分地进行至Cu合金粉5的内部，在反应后过量地残留未反应的Cu合金粉5。
具有以上构成的接合用构件1将混合粉体状的接合材料3封入树脂体2的气密的内部，从而在构成接合材料3的Sn粉4和Cu合金粉5的表面难以形成表面氧化物。因此，之后使接合材料3接合于接合对象物时，能够不被表面氧化物阻碍地适当地进行Sn粉4与Cu合金粉5的反应。
以下，对使用接合用构件1接合第1接合对象物101与第2接合对象物102之间的具体的接合方法进行说明。
图2是表示使用接合用构件1的接合方法中的流程图的图。图3是示意性地表示使用接合用构件1的接合方法中的第1工序(配置工序)的截面图。这里示出的第1接合对象物101和第2接合对象物102是如母线那样的单独构成而流过高电流的电极端子。另外，第1接合对象物101和第2接合对象物102可以是如层叠陶瓷电容器等电子部件的表面电极那样的素体的表面上形成的电极构件和安装电子部件的印刷配线基板的表面上设置的电极构件。
首先，第1工序中，在常温环境下，如图3所示，在第1接合对象物101与第2接合对象物102之间配置有接合用构件1。该状态下，接合用构件1的接合材料3是包含Sn粉4和Cu合金粉5的混合粉体状，不暴露于外部空气而被封入树脂体2。
接着，第2工序(热处理工序)中，一边利用第1接合对象物101和第2接合对象物102将接合用构件1从厚度方向压缩一边加热接合用构件1。
图4(A)示意性地表示使用接合用构件1的接合方法中的第2工序的前半过程的截面图。图4(B)是示意性地表示使用接合用构件1的接合方法中的第2工序的后半过程的截面图。图5是表示使用接合用构件1的接合方法中的第2工序中的温度曲线的图。图5中，温度Tm是接合材料3软化或熔融的温度。温度Tn是树脂体2熔融的温度。温度范围L是充分地促进后述的金属间化合物的生成反应的温度范围。
在第2工序的前半过程(参照图4(A))中，使接合用构件1的温度升温至Sn的熔点附近，由此，使接合材料3软化或熔融而使接合材料3一体化。具体而言，在图5所示的温度曲线中，将接合用构件1放置在处于大于温度Tm的温度范围内的一定程度的时间，由此使接合材料3一体化。此时，需要使接合用构件1的温度不达到树脂体2的熔点Tn。由此，维持利用树脂体2的封装，软化或熔融的状态的接合材料3不暴露于外部空气地被封入树脂体2。
另外，Sn的熔点Tm为231.9℃，在第2工序的前半过程中，例如可以将接合用构件1在235～240℃的温度范围放置1～5分钟左右。由此，如图4(A)所示，Sn粉4几乎完全熔融而变化为溶液13，成为该Sn的溶液13中分散有Cu合金粉5的状态。在这种情况下，树脂体2可以采用熔点Tn高于约240℃的材质。
在第2工序的后半过程(参照图4(B))中，使接合用构件1进一步升温，使接合用构件1的温度成为大于树脂体2的熔点Tn的温度范围。由此，树脂体2熔融而流动，利用树脂体2的接合材料3的封装被解除。该接合材料3软化或熔融而一体化，因此其表面积减少。因此，即使树脂体2熔融而接合材料3暴露于外部空气中，也可抑制生成于接合材料3的表面的表面氧化物的生成量。
此外，熔融的树脂体2具有高的粘性，因此不会从接合材料3大大地分离而流出，而停留在包围接合材料3的周围的位置。由此，软化或熔融的接合材料3也停留在第1接合对象物101与第2接合对象物102之间。然后，熔融的树脂体2中，处于第1接合对象物101、第2接合对象物102与接合材料3之间的至少一部分流动到接合材料3的侧面侧，并且进入形成于接合材料3的空隙。由此，第1接合对象物101、第2接合对象物102与接合材料3之间的树脂体2减少，第1接合对象物101、第2接合对象物102与接合材料3接触。
此时，从第1接合对象物101和第2接合对象物102对树脂体2、接合材料3施加压力，从而可以从第1接合对象物101、第2接合对象物102与接合材料3之间可靠地挤出树脂体2。因此，使第1接合对象物101、第2接合对象物102与接合材料3更可靠地接触。
如此，熔融的树脂体2停留在从第1接合对象物101、第2接合对象物102露出的接合材料3的周围，从而软化或熔融的状态的接合材料3以不太接触外部空气的状态维持。即使这样也可抑制生成于接合材料3的表面的表面氧化物的生成量。
以上述方式使树脂体2熔融时，接合用构件1的温度优选维持在充分地促进金属间化合物的生成反应的温度范围L内的温度。如此，接合材料3中，溶液13所含的Sn与Cu合金粉5所含的Cu、Ni等金属反应，溶液13改性为金属间化合物，并且Cu合金粉5的粒径缩小而消失。
生成该金属间化合物的反应例如为伴随着液相扩散接合(“TLP接合：TransientLiquid Phase Diffusion Bonding”)的反应。生成的金属间化合物在Cu合金粉5为Cu－Ni合金的情况下例如为(Cu，Ni)6Sn5、Cu4Ni2Sn5、Cu5NiSn5、(Cu，Ni)3Sn、Cu2NiSn、CuNi2Sn等。此外，在Cu合金粉5为Cu－Mn合金的情况下，金属间化合物为(Cu，Mn)6Sn5、Cu4Mn2Sn5、Cu5MnSn5、(Cu，Mn)3Sn、Cu2MnSn、CuMn2Sn等。
促进上述各种金属间化合物的生成反应的温度范围L大约为250～280℃。因此，在这种情况下，将接合用构件1在250～280℃放置2～5分钟左右，从而可以使溶液13所含的Sn与Cu合金粉5所含的Cu合金几乎完全地反应而使溶液13改性为金属间化合物。因此，树脂体2的熔点Tn优选为促进金属间化合物的生成反应的温度范围，由此，可以在促进金属间化合物的生成反应时，同时使树脂体2熔融和流动。而且，金属间化合物的生成反应可以防止被接合材料3的表面氧化物阻碍。
另外，第1接合对象物101和第2接合对象物102优选至少与接合用构件1的接触部分的表面包含组成接合材料3所含的Cu合金粉5的金属。例如，第1接合对象物101和第2接合对象物102可以设为Ni、Zn、Cu、Cr、Al的单金属、或以Cu为主成分的Cu－Zn、Cu－Ni、Cu－Sn、Cu－Cr、Cu－Al等合金、或者将这些金属镀覆于基材的表面而成的构成。在这种情况下，通过这些金属与接合材料3所含的Sn进行反应，在第1接合对象物101、第2接合对象物102的表面生成由金属间化合物构成的合金层103。合金层103的金属间化合物例如为Cu3Sn、Cu6Sn5等。通过形成这种合金层103，可以进一步提高固化后的接合材料3与第1接合对象物101和第2接合对象物102的接合强度。
通过在第2工序进行如以上说明的热处理，即使在接合用构件1中几乎不添加焊剂，也可以几乎不受表面氧化物的影响地使接合材料3熔融。而且，在第2工序之后，通过使接合材料3自然冷却，可以使该接合材料3固化而在第1接合对象物101与第2接合对象物102之间将作为间接合材料3的反应物的金属接合体接合。因此，即使在接合用构件1中几乎不添加焊剂，也可以几乎不受表面氧化物的影响地使接合材料3熔融和固化，第1接合对象物101、第2接合对象物102不会被限定于不被焊剂腐蚀的材质。作为在第1接合对象物101与第2接合对象物102之间接合的接合材料3的反应物的金属接合体改性为金属间化合物，因此与Sn熔融的温度相比再熔融的温度高而成为高耐热的接合材料。
另外，该实施方式中，作为树脂体2，对贴合2片树脂膜的构成进行了说明，但本发明中的树脂体不限定于这种构成。例如，本发明中的树脂体也可以设为在更具有厚度的树脂盒等中封入接合材料3的构成、将接合材料3通过利用树脂的灌封等覆盖的构成等其它构成。
此外，该实施方式中，对制成压缩有热处理前的接合材料3的混合粉体的构成进行了说明，但本发明中的接合材料不限定于这种构成。例如，本发明中的接合材料可以以不进行压缩而直接制成流动性高的构成的混合粉体的形式构成，此外，也可以添加溶剂、触变剂等液体而构成为糊状。此外，接合材料也可以仅含有1种金属粉而构成。
这里，对于本发明的第2实施方式所涉及的接合用构件，以与第1实施方式相比使接合材料的构成不同的情况为例进行说明。
图6是示意性地表示本发明的第2实施方式所涉及的接合用构件1A的截面图。接合用构件1A具备与先前的实施方式所涉及的构成不同的构成的接合材料3A。接合材料3A仅具备Sn粉4A作为金属粉，在该Sn粉4A中混合添加剂5A而制成糊状。
如此，接合用构件1A的接合材料3A可以仅包含单一的金属粉而构成。此外，接合用构件1A的接合材料3A也可以构成为糊状。无论在接合材料3A以何种方式构成的情况下，接合材料3A都优选完全不含焊剂成分，或即使包含焊剂成分也仅包含极少量。在这种情况下，若将接合材料3A封入树脂体2，则即使接合材料3A的接合对象物是被焊剂成分腐蚀的材质，也可以不使其腐蚀地将接合材料3A接合。
最后，应该认为以上实施方式的说明在所有方面都是例示而不是限制性的。本发明的范围不是由上述实施方式表示而是由专利请求保护的范围表示。进而，本发明的范围包含与专利请求保护的范围等同的范围。
符号说明
1、1A…接合用构件
2…树脂体
3、3A…接合材料
4、4A…第1金属粉(Sn粉)
5…第2金属粉(Cu合金粉)
5A…添加剂
13…溶液
101、102…接合对象物
103…合金层

Claims (11)

1.一种接合用构件，具备：
内部被气密的树脂体、以及
被封入所述树脂体的内部的由多个金属粉构成的接合材料，
所述树脂体以比所述金属粉开始软化的温度高的温度熔融，
所述树脂体的内部通过脱气处理、脱氧处理或非活性气体的填充处理，将游离氧除去。
2.根据权利要求1所述的接合用构件，其中，
所述树脂体以比所述金属粉开始熔融的温度高的温度熔融。
3.根据权利要求1或2所述的接合用构件，其中，
所述接合材料不含焊剂。
4.根据权利要求1或2所述的接合用构件，其中，
所述接合材料包含第1金属粉和第2金属粉，所述第2金属粉与熔融的所述第1金属粉反应而生成具有比所述第1金属粉高的熔点的金属间化合物。
5.根据权利要求4所述的接合用构件，其中，
所述第1金属粉包含Sn，
所述第2金属粉包含Cu－Ni合金、Cu－Mn合金、Cu－Cr合金、或Cu－Al合金。
6.根据权利要求4所述的接合用构件，其中，
所述树脂体在所述金属粉改性为所述金属间化合物的温度范围具有熔点。
7.一种接合方法，实行如下工序：
第1工序，将接合用构件配置于第1接合对象物与第2接合对象物之间，所述接合用构件具备内部被气密的树脂体和被封入所述树脂体的内部的由多个金属粉构成的接合材料且所述树脂体以比所述金属粉开始软化的温度高的温度熔融，所述树脂体的内部通过脱气处理、脱氧处理或非活性气体的填充处理，将游离氧除去；以及
第2工序，以所述树脂体熔融的温度将配置于所述第1接合对象物与所述第2接合对象物之间的所述接合用构件进行热处理。
8.根据权利要求7所述的接合方法，其中，
所述第2工序中，介由所述第1接合对象物和所述第2接合对象物对所述接合用构件施加压力。
9.根据权利要求7或8所述的接合方法，其中，
所述第2工序中，通过加热而流动的所述树脂体覆盖作为所述金属粉的反应物的金属接合体的从所述第1接合对象物和所述第2接合对象物露出的周围。
10.根据权利要求7或8所述的接合方法，其中，
所述第2工序中，通过加热而流动的所述树脂体进入在作为所述金属粉的反应物的金属接合体形成的空隙。
11.根据权利要求7或8所述的接合方法，其中，
所述金属粉包含第1金属粉和第2金属粉，所述第2金属粉与熔融的所述第1金属粉反应而生成具有比所述第1金属粉高的熔点的金属间化合物，
所述第1接合对象物和所述第2接合对象物中的至少一者在与所述接合材料接触的表面包含组成所述第2金属粉的金属。
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