CN112739485A - 金属接合体和金属接合体的制造方法以及半导体装置和波导路 - Google Patents

金属接合体和金属接合体的制造方法以及半导体装置和波导路 Download PDF

Info

Publication number
CN112739485A
CN112739485A CN201880097386.9A CN201880097386A CN112739485A CN 112739485 A CN112739485 A CN 112739485A CN 201880097386 A CN201880097386 A CN 201880097386A CN 112739485 A CN112739485 A CN 112739485A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
atomic
metal
bonding
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880097386.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112739485B (zh
Inventor
井岛乔志
山崎浩次
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Publication of CN112739485A publication Critical patent/CN112739485A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112739485B publication Critical patent/CN112739485B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/008—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating pressure combined with radiant energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/06—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the heating method
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
    • B23K20/023—Thermo-compression bonding
    • B23K20/026—Thermo-compression bonding with diffusion of soldering material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/16—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating with interposition of special material to facilitate connection of the parts, e.g. material for absorbing or producing gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
    • B23K20/227—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded with ferrous layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
    • B23K20/233—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded without ferrous layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
    • B23K20/233—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded without ferrous layer
    • B23K20/2336—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded without ferrous layer both layers being aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2311/00—Metals, their alloys or their compounds
    • B32B2311/02—Noble metals
    • B32B2311/08—Silver
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2311/00—Metals, their alloys or their compounds
    • B32B2311/12—Copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2311/00—Metals, their alloys or their compounds
    • B32B2311/20—Zinc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29075—Plural core members
    • H01L2224/2908—Plural core members being stacked
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29075—Plural core members
    • H01L2224/2908—Plural core members being stacked
    • H01L2224/29083—Three-layer arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32245—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/325—Material
    • H01L2224/32501—Material at the bonding interface
    • H01L2224/32503—Material at the bonding interface comprising an intermetallic compound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/83801—Soldering or alloying

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)

Abstract

金属接合体，是在Ag‑Cu‑Zn层(7)的两面接合有Cu‑Zn层(6)的金属接合体(5)，Ag‑Cu‑Zn层(7)在将整体设为100原子％时，使Cu成分为1原子％以上且10原子％以下，使Zn成分为1原子％以上且40原子％以下，使余量为Ag成分，Cu‑Zn层(6)在使整体设为100原子％时，使Zn成分为10原子％以上且40原子％以下，使余量为Cu成分。因此，并不限于铝系，能够将金属基材彼此接合，同时能够得到机械强度高的金属接合体(5)。

Description

金属接合体和金属接合体的制造方法以及半导体装置和波 导路
技术领域
本发明涉及半导体装置、波导路等中使用的金属接合体和金属接合体的制造方法等。
背景技术
在半导体装置中，作为将金属配线构件等的金属彼此接合的方法，一般使用焊料接合(焊接)。近年来从节能化的观点出发，积极地进行了将电力损失小的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等用于半导体元件的半导体装置的开发。这些半导体元件在200℃以上的高温下也工作，因此半导体装置的工作温度也逐年地上升。在这样的形势下，以往的焊料接合难以确保耐热性和寿命可靠性。作为替代焊料接合的接合方法，提出了使用烧结性金属或金属糊剂的接合方法。但是，烧结性金属和金属糊剂具有如下特征：强度比被接合构件低，或者形成多孔质的接合层，因此更容易破坏(破坏容易发展)，在寿命可靠性的提高上留有课题。
另一方面，在30～300GHz带的毫米波通信用等的天线用波导路中，作为将金属构件彼此紧固的方法，使用有螺丝紧固、焊料接合或钎焊。但是，在螺丝紧固的情况下，需要用于螺丝紧固的凸出部，导致尺寸扩大、重量增加。另外，在焊料接合的情况下，存在焊料自身的强度不足、焊料向接合部以外的部分渗出等问题。进而，在钎焊的情况下，存在钎焊时的加热引起的波导路构件的热变形等问题。
作为替代以往的金属彼此的接合方法的方法，提出了利用金属的固相扩散的接合方法。例如，公开有在铝系基材的表面形成Ag层和Sn层，使Sn层彼此接触并加压·加热，从而在接合部形成Al-Ag-Sn相以使铝系基材彼此接合的金属接合体(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-155108号公报(第4-6页、图1)
发明内容
发明要解决的课题
但是，在以往的金属彼此的接合方法中，基材限于铝系，不能用于铜和铁等其他金属基材。另外，在基材的表面形成的Ag层和Sn层由于氧化还原电位之差，容易发生异种金属间的接触腐蚀，因此在湿度高的环境和包含盐分的环境中使用时存在问题。进而，包含Sn的接合部分与由Al单独或由Ag单独构成的接合部相比，机械强度降低。
本发明为了解决上述的课题而完成，目的在于得到能够不限于铝系地、将金属基材彼此接合，且异种金属间的接触腐蚀的影响小，机械强度高的金属接合体。
用于解决课题的手段
本发明涉及的金属接合体是在Ag-Cu-Zn层的两面接合有Cu-Zn层的金属接合体，其特征在于，Ag-Cu-Zn层在将整体设为100原子％时，Cu成分为1原子％以上且10原子％以下，Zn成分为1原子％以上且40原子％以下，余量为Ag成分，Cu-Zn层在将整体设为100原子％时，Zn成分为10原子％以上且40原子％以下，余量为Cu成分。
另外，本发明涉及的金属接合体的制造方法是将依次形成有Cu-Zn层、Cu层和Ag层的层叠体接合以形成金属接合体的金属接合体的制造方法，其具备：使层叠体的Ag层相互面对地接触的工序；和一边对Ag层彼此接触的层叠体加压一边在300℃以上且400℃以下的温度下进行加热处理的工序。
发明效果
本发明涉及的金属接合体由于在Ag-Cu-Zn层的两面接合有Cu-Zn层，因此能够不限于铝系地、将金属基材彼此接合，并且能够得到机械强度高的金属接合体。
另外，本发明涉及的金属接合体的接合方法由于将Cu层和Ag层依次层叠，因此异种金属间的接触腐蚀的影响小。
附图说明
图1为示出本发明的实施方式1的金属接合体的接合方法的说明图。
图2为示出本发明的实施方式1的金属接合体的特性的一览表。
图3为示出本发明的实施方式1的金属接合体的特性图。
图4为示出本发明的实施方式1的金属接合体的特性图。
图5为示出本发明的实施方式2的波导路的接合方法的说明图。
图6为示出本发明的实施方式2的波导路的截面图。
图7为示出本发明的实施方式3的半导体装置的接合方法的说明图。
具体实施方式
实施方式1.
图1为用于实施本发明的实施方式1涉及的金属接合体的接合方法的说明图。图1(a)中所示的金属接合体表示开始接合之前的状态，在各个金属制的基材1的表面依次形成有Cu-Zn层2、Cu层3和Ag层4。图1(b)表示使各个基材1的Ag层4彼此接触的状态。其中，金属制的基材1的形状例如为立方体的块体，在该金属制的基材1的一部分或整个表面依次形成有金属层。
在图1(b)中所示的状态下，一边加压一边在300℃以上且不到400℃的温度下进行加热处理，用Cu-Zn层2、Cu层3和Ag层4将其固相接合。图1(c)表示固相接合完成的金属接合体5。就该金属接合体5而言，基材1彼此之间用Cu-Zn层6和Ag-Cu-Zn层7接合。其中，所谓固相接合，是指对于层叠于基材的表面的各金属层在没有熔融的情况下在固相(固体)状态下进行加热而使其软化，进而进行加压以给予塑性变形从而接合。
就通过固相接合所形成的Cu-Zn层6而言，Zn原子在图1(a)中所示的Cu-Zn层2和Cu层3之间移动，从而整体上成为了Cu-Zn的合金层。另外，就通过固相接合所形成的Ag-Cu-Zn层7而言，Cu原子和Zn原子从图1(a)中所示的Cu-Zn层2和Cu层3移动至Ag层4，从而成为了Ag-Cu-Zn的合金层。其中，几乎没有发生Ag原子从Ag层4向Cu层3和Cu-Zn层2的移动。
作为加压条件，优选为0.1MPa以上且200MPa以下，优选基材没有变形的条件。特别地，只要为加热的状态，虽然也必须考虑对基材等的形状的影响，但为了获得下述两者的平衡，优选为0.5MPa以上且100MPa以下，即为了获得通过使接合界面的金属层软化和变形从而正面地有助于接合的方面、和抑制形成金属层的母材的变形这样的负面的方面的平衡。接合所需的时间可根据加热温度和加压力适当地设定，一般为1分钟以上且不到12小时，更优选为10分钟以上且3小时以内。再有，利用固相接合形成了Cu-Zn层和Ag-Cu-Zn层之后，优选停止加热，通过自然放热而冷却。
作为形成Cu-Zn层2、Cu层3和Ag层4的方法，例如能够使用电镀法、非电镀法、物理蒸镀法(PVD)、化学蒸镀法(CVD)、溅射法等方法。另外，Cu-Zn层2的膜厚优选0.1～5μm，Cu层3的膜厚优选0.1～5μm，Ag层4的膜厚优选0.1～15μm。
作为金属制的基材1，并无特别限定，能够使用铜、铁、不锈钢、铝、锌等金属、或它们的合金等。
以下对于本实施方式的金属接合体，使用实施例和比较例更详细地说明。
准备了2个在Cu基材的表面形成Cu-Zn层、在该Cu-Zn层的表面形成Cu层、在该Cu层的表面形成Ag层的构件。Cu-Zn层的膜厚设为5μm，就Cu-Zn层的组成比而言，使Zn原子的比率为40原子％。Cu层的膜厚设为1μm，Ag层的膜厚设为5μm。各金属层采用溅射法成膜。对于这2个构件，使Ag层彼此密合，在大气压下加压和加热，从而进行固相接合，制作了金属接合体。各样品(实施例、比较例)的加压和加热条件将后述。
其中，在本实施方式中，所谓Cu-Zn层，是指以Cu和Zn作为主成分的合金层，所谓Cu层，是指以Cu作为主成分的层，所谓Ag层，是指以Ag作为主成分的层。在这些层中，优选各层的主成分单独含有99质量％以上，余量含有不可避免的杂质是没有问题的。
对于这样制作的各样品，使用拉伸试验机(インストロン制造、4400R)测定了接合强度。再有，对于供于拉伸试验的样品而言，用与上述的金属制的基材不同的样品测定了接合强度。就供于拉伸试验的样品的形状而言，从与试验夹具的兼顾(平衡)出发，使用直径10mm、高10mm的Cu制的圆棒，将2个在该圆棒的截面的圆形表面形成有各实施例、比较例的金属层的产物重叠接合。接合条件设为与金属制的基材相同的条件。其拉伸方向为与接合面垂直的方向，即圆棒的长度方向。作为接合强度的基准，也制作只形成有Ag层作为金属层的样品，测定其接合强度，结果为220MPa。
接合面积率用断裂面的面积相对于成为对象的构件的接合面的面积的比率定义。就各样品的接合面积率而言，计算随着拉伸试验产生的断裂从而使断裂面成为凹凸的凹窝(dimple)的形成面积，并且由同时制作的另外的样品的与接合面垂直地切断的接合部截面中的接合部和未接合部(空隙部)的比率算出。就各样品的接合强度而言，使用下式计算接合面积率为100％时的接合强度，用以采用Ag层单独接合时的接合强度为基准的相对值进行比较。
接合强度＝测定值(MPa)×(100/接合面积率(％))/220(MPa)
在这样得到的接合强度(相对值)比1大的情况下，判断为接合可靠性高，在这样得到的接合强度(相对值)为1以下的情况下，与Ag接合同等或为其以下，因此判断为接合可靠性低。
另外，关于与各样品的接合面垂直的截面，使用扫描型电子显微镜的波长分散型X射线分光法的组成分析功能，测定了Cu-Zn层的Zn原子的比率、Ag-Cu-Zn层的Cu原子的比率(原子％)和Zn原子的比率(原子％)。
图2为本实施方式的实施例和比较例的一览表。在图2的表中，对于各样品，示出了作为该样品的制作条件的接合温度、加压力和接合时间。另外，在图2的表中也将接合面积率、测定的接合强度和接合强度(相对值)一并示出。进而，也将Cu-Zn层的Zn原子的比率、Ag-Cu-Zn层的Cu原子的比率和Zn原子的比率一并示出。
图3为根据本实施方式的实施例和比较例示出相对于Ag-Cu-Zn层的Cu原子的比率的接合强度比的特性图。图3示出本实施方式的实施例1～4和比较例1、2的特性值。由图3可知，Ag-Cu-Zn层的Cu原子的比率为1～10原子％的范围时，接合强度比为1以上。
图4为根据本实施方式的实施例和比较例示出相对于Ag-Cu-Zn层的Zn原子的比率的接合强度比的特性图。图3示出本实施方式的实施例3、5、6和比较例3、4的特性值。由图3可知，Ag-Cu-Zn层的Zn原子的比率为1～40原子％的范围时，接合强度比为1以上。
再有，在本实施方式的实施例和比较例的全部中，Cu-Zn层的Zn原子的比率在10～40原子％的范围。
由以上的结果可知，在本实施方式的Ag-Cu-Zn层的两面接合有Cu-Zn层的金属接合体中，就Ag-Cu-Zn层而言，在将整体设为100原子％时，使Cu成分为1原子％以上且10原子％以下，使Zn成分为1原子％以上且40原子％以下，使余量为Ag成分，就Cu-Zn层而言，在将整体设为100原子％时，使Zn成分成为10原子％以上且40原子％以下，使余量为Cu成分时，能够获得单纯的Ag接合以上的接合强度。
另外，在本实施方式的金属接合体的接合方法中，开始接合之前的基材的表面依次形成有Cu-Zn层、Cu层和Ag层，因此异种金属间的接触腐蚀的影响小。
进而，在本实施方式的金属接合体的接合方法中，利用了固相接合。因此，一边加压一边加热时的加热温度不需要成为使接合构件熔融的600℃以上的高温。
实施方式2.
图5为示出用于实施本发明的实施方式2的波导路的接合方法的说明图。在本实施方式中，以在内部具备截面为矩形的空腔(空洞)的矩形波导路(也称为矩形波导管)为例进行说明。
图5示出本实施方式中的波导路的截面图。图5(a)中所示的波导路表示开始接合之前的状态，由金属制的上构件11和与该上构件11接合的、在内部能够形成矩形的空腔的下构件12构成。该上构件11和下构件12为长条状，将传送微波的方向设为纵向。
该上构件11和下构件12由黄铜构成。构成上构件11和下构件12的黄铜为Cu-Zn系的合金，包含60原子％～70原子％的Cu成分、30原子％～40原子％的Zn成分和1原子％以下的Pb、Fe等添加物以及不可避免的杂质。在本实施方式中，例如能够使用Cu成分为约70原子％(Zn成分为约30原子％)的黄铜即C2600。
在用于接合上构件11和下构件12的接触面依次分别形成有Cu层3和Ag层4。在实施方式1中，在Cu层之下形成有Cu-Zn层，但在本实施方式中，作为被接合构件的上构件11和下构件12为Cu-Zn系的合金，因此该合金的表面相当于Cu-Zn层。
图5(b)表示使上构件11与下构件12的Ag层4彼此接触的状态。在图5(b)中所示的状态下，一边用20MPa的加压力加压，一边在350℃的温度下加热处理2小时，用上构件11和下构件12的表面的Cu层3和Ag层4使其固相接合。图5(c)表示固相接合完成的波导路13。就该波导路13而言，上构件11和下构件12用作为上构件11和下构件12的表面的Cu-Zn层6和Ag-Cu-Zn层7接合。
在这样构成的波导路中，Cu-Zn层6为与构成上构件11和下构件12的C2600相同的成分，因此Zn成分为约30原子％。另外，进行了Ag-Cu-Zn层7的成分分析，结果该层的成分在将整体设为100原子％时，Cu成分为4.0原子％，Zn成分为2.5原子％。这些成分比率与加压条件同等的实施方式1的实施例2的结果相近。
这样构成的波导路与实施方式1同样地能够获得单纯的Ag接合以上的接合强度。
再有，在本实施方式中，示出了仅在用于接合上构件11与下构件12的接触面分别依次形成有Cu层3和Ag层4的例子。但是，实际上作为形成Cu层和Ag层的方法，采用电镀法、真空蒸镀法或溅射法时，在接触面以外也形成这些层。
图6示出本实施方式中的另外的波导路。图6中所示的波导路表示开始接合之前的状态，在金属制的上构件11和下构件12的接合面以外的表面也依次形成有Cu层3和Ag层4。
在这样构成的波导路中，也能够采用图5中所示的工序制造波导路。
再有，接合面以外的Cu层和Ag层可采用机械加工切削。另外，形成Cu层和Ag层时，也可将接合面以外掩蔽，使得在接合面以外没有形成这些层。
另外，在本实施方式中，用板状的上构件和截面为凹部形状的下构件的组合构成了波导路的空腔，但上构件和下构件的截面可都为凹部形状。
实施方式3.
图7为示出用于实施本发明的实施方式3的半导体装置的接合方法的说明图。本实施方式的半导体装置是将半导体元件经由金属接合体与绝缘基板接合的装置。作为半导体元件，可列举出以Si(硅)、GaAs(砷化镓)、SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、金刚石等作为主成分的半导体元件。另外，作为绝缘基板，可列举出陶瓷基板、DCB(Direct Copper Bond)基板等。
图7示出本实施方式中的半导体装置的截面图。图7(a)中所示的半导体装置表示开始接合之前的状态，在半导体元件21的下表面、即与绝缘基板22相面对的面的表面依次形成有Cu-Zn层2、Cu层3和Ag层4。同样地，在绝缘基板22的上表面、即与半导体元件21相面对的面的表面依次形成有Cu-Zn层2、Cu层3和Ag层4。图7(b)表示使半导体元件21与绝缘基板22的Ag层4彼此接触的状态。在图7(b)中所示的状态下，一边用20MPa的加压力加压，一边在350℃的温度下加热处理2小时，用Cu-Zn层2、Cu层3和Ag层4将其固相接合。图7(c)表示固相接合完成的半导体装置23。就该半导体装置23而言，半导体元件21和绝缘基板22用Cu-Zn层6和Ag-Cu-Zn层7接合。
这样构成的半导体装置与实施方式1同样地，能够获得单纯的Ag接合以上的接合强度。
再有，在图7(c)中，图示了仅在半导体元件21的下部的部位形成有Cu-Zn层和Ag-Cu-Zn层作为金属接合体，但在绝缘基板22上且不与半导体元件21接合的部位，有时也形成Cu-Zn层和Ag-Cu-Zn层。
另外，在本实施方式中，在半导体元件21的接合面依次形成有Cu-Zn层2、Cu层3和Ag层4，但在半导体元件21与Cu-Zn层2之间，可形成Ti层等作为密合性赋予层。
进而，在本实施方式中，示出了将半导体元件与绝缘基板接合的例子，但将半导体元件接合的基板并不限于绝缘基板，也可以是Cu基板、对表面实施了镀Ni的Cu基板等。
附图标记说明
1 基材、2 Cu-Zn层、3 Cu层、4 Ag层、5金属接合体、6 Cu-Zn层、7 Ag-Cu-Zn层、11上构件、12 下构件、13 波导路、21 半导体元件、22 绝缘基板、23 半导体装置

Claims (5)

1.一种金属接合体，是在Ag-Cu-Zn层的两面接合有Cu-Zn层的金属接合体，其特征在于，所述Ag-Cu-Zn层在将整体设为100原子％时，Cu成分为1原子％以上且10原子％以下，Zn成分为1原子％以上且40原子％以下，余量为Ag成分，所述Cu-Zn层在将整体设为100原子％时，Zn成分为10原子％以上且40原子％以下，余量为Cu成分。
2.一种半导体装置，其特征在于，半导体元件与绝缘基板用权利要求1所述的金属接合体接合。
3.一种波导路，其特征在于，由长条状的上构件和长条状的下构件构成，所述长条状的下构件与该上构件用权利要求1所述的金属接合体接合、且与所述上构件形成空腔。
4.一种金属接合体的制造方法，是将依次形成有Cu-Zn层、Cu层和Ag层的层叠体接合以形成金属接合体的金属接合体的制造方法，其特征在于，具备：使所述层叠体的所述Ag层相互面对地接触的工序；和一边对所述Ag层彼此接触的所述层叠体加压一边在300℃以上且不到400℃的温度下进行加热处理的工序。
5.根据权利要求4所述的金属接合体的制造方法，其特征在于，所述Cu层的厚度为0.1μm以上且5μm以下，所述Ag层的厚度为0.1μm以上且15μm以下。
CN201880097386.9A 2018-09-25 2018-09-25 金属接合体和金属接合体的制造方法以及半导体装置和波导路 Active CN112739485B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2018/035292 WO2020065700A1 (ja) 2018-09-25 2018-09-25 金属接合体および金属接合体の製造方法、並びに半導体装置および導波路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112739485A true CN112739485A (zh) 2021-04-30
CN112739485B CN112739485B (zh) 2022-07-08

Family

ID=66625521

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880097386.9A Active CN112739485B (zh) 2018-09-25 2018-09-25 金属接合体和金属接合体的制造方法以及半导体装置和波导路

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20210305194A1 (zh)
JP (1) JP6516949B1 (zh)
CN (1) CN112739485B (zh)
DE (1) DE112018008009T5 (zh)
WO (1) WO2020065700A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7297148B2 (ja) * 2020-03-27 2023-06-23 三菱電機株式会社 金属接合体、半導体装置、導波管及び被接合部材の接合方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1092903A (zh) * 1993-10-04 1994-09-28 沈阳黄金学院贵金属材料厂 银/铜/银铜锌复合触头材料及其制造方法
CN102489871A (zh) * 2011-12-05 2012-06-13 贵研铂业股份有限公司 一种铜及铜合金的焊接方法
CN103035419A (zh) * 2012-11-30 2013-04-10 浙江帕特尼触头有限公司 银/铜基复合触头材料
US20140030634A1 (en) * 2010-08-31 2014-01-30 Nissan Motor Co., Ltd. Method for bonding aluminum-based metals
US20160064580A1 (en) * 2013-05-03 2016-03-03 Saint-Gobain Glass France Back contact substrate for a photovoltaic cell or module
JP2016107290A (ja) * 2014-12-04 2016-06-20 国立大学法人大阪大学 金属材の接合方法
JP2018111111A (ja) * 2017-01-12 2018-07-19 三菱電機株式会社 金属接合体及び半導体装置の製造方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013176782A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Nissan Motor Co Ltd 金属材料の接合方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1092903A (zh) * 1993-10-04 1994-09-28 沈阳黄金学院贵金属材料厂 银/铜/银铜锌复合触头材料及其制造方法
US20140030634A1 (en) * 2010-08-31 2014-01-30 Nissan Motor Co., Ltd. Method for bonding aluminum-based metals
CN102489871A (zh) * 2011-12-05 2012-06-13 贵研铂业股份有限公司 一种铜及铜合金的焊接方法
CN103035419A (zh) * 2012-11-30 2013-04-10 浙江帕特尼触头有限公司 银/铜基复合触头材料
US20160064580A1 (en) * 2013-05-03 2016-03-03 Saint-Gobain Glass France Back contact substrate for a photovoltaic cell or module
JP2016107290A (ja) * 2014-12-04 2016-06-20 国立大学法人大阪大学 金属材の接合方法
JP2018111111A (ja) * 2017-01-12 2018-07-19 三菱電機株式会社 金属接合体及び半導体装置の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20210305194A1 (en) 2021-09-30
DE112018008009T5 (de) 2021-06-17
JP6516949B1 (ja) 2019-05-22
CN112739485B (zh) 2022-07-08
WO2020065700A1 (ja) 2020-04-02
JPWO2020065700A1 (ja) 2021-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109476556B (zh) 接合体、电路基板及半导体装置
KR101867625B1 (ko) 반도체 제조 장치용 부재
CN114845977B (zh) 铜-陶瓷接合体、及绝缘电路基板
Egelkraut et al. Evolution of shear strength and microstructure of die bonding technologies for high temperature applications during thermal aging
JP4350753B2 (ja) ヒートシンク部材およびその製造方法
US5106009A (en) Methods of joining components
CN112739485B (zh) 金属接合体和金属接合体的制造方法以及半导体装置和波导路
JP6939973B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
JPH06268117A (ja) 半導体装置用放熱基板およびその製造方法
JP2001044345A (ja) 基板一体型構造体
WO2021085451A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
JP2019081690A (ja) 接合体、及び、絶縁回路基板
KR20200083455A (ko) 접합체, 및, 절연 회로 기판
JPH0777989B2 (ja) セラミックスと金属の接合体の製造法
JP2008221290A (ja) 接合体および接合方法
JP2018111111A (ja) 金属接合体及び半導体装置の製造方法
Wu et al. Bonding silicon chips to aluminum substrates using Ag–In system without flux
JP6928297B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
WO2019082970A1 (ja) 接合体、及び、絶縁回路基板
JP2015080812A (ja) 接合方法
WO2021117327A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
JP3302714B2 (ja) セラミックス−金属接合体
JP2021031315A (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
JPH06263554A (ja) セラミックス−金属接合基板
Sheikhi et al. Fluxless bonding technique of diamond to copper using silver-indium multilayer structure

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant