DE112018008009T5

DE112018008009T5 - Metallverbindung, verfahren zur herstellung einer metallverbindung, halbleiterbauelement und wellenleiter

Info

Publication number: DE112018008009T5
Application number: DE112018008009.9T
Authority: DE
Inventors: Takashi Ijima; Koji Yamazaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2021-06-17
Also published as: WO2020065700A1; JP6516949B1; JPWO2020065700A1; US20210305194A1; CN112739485B; CN112739485A

Abstract

Es wird eine Metallverbindung (5) angegeben, die Folgendes aufweist: eine Ag-Cu-Zn-Schicht (7); und Cu-Zn-Schichten (6), die an beiden Oberflächen der Ag-Cu-Zn-Schicht (7) verbunden sind, wobei die Ag-Cu-Zn-Schicht (7) eine Zusammensetzung aufweist, in der eine Cu-Komponente 1 At.-% oder mehr und 10 At.-% oder weniger beträgt, eine Zn-Komponente 1 At.-% oder mehr und 40 At.-% oder weniger beträgt, und der Rest eine Ag-Komponente in Bezug auf die gesamten 100 At.-% ist, und wobei die Cu-Zn-Schichten (6) eine Zusammensetzung aufweisen, in der eine Zn-Komponente 10 At.-% oder mehr und 40 At.-% oder weniger beträgt und der Rest eine Cu-Komponente in Bezug auf die gesamten 100 At.-% ist. Es ist daher möglich, die Metallverbindung (5) zu erhalten, die in der Lage ist, metallische Basismaterialien miteinander zu verbinden, ohne auf Materialien auf Aluminiumbasis beschränkt zu sein, und die auch eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Metallverbindung zur Verwendung in einem Halbleiterbauelement, einem Wellenleiter und dergleichen und ein Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindung.
Technischer Hintergrund
Eine Lötbindung wird allgemein als eine Methode zum Verbinden von Metallen, z.B. Metallverdrahtungselementen, miteinander in einem Halbleiterbauelement verwendet. In den letzten Jahren hat man Halbleiterbauelemente unter Verwendung von Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder anderen Materialien, die eine geringe Leistungsdämpfung in einem Halbleiterelement aufweisen, unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung aktiv entwickelt.
Diese Art von Halbleiterelement kann bei einer so hohen Temperatur wie etwa 200 °C oder mehr betrieben werden, und die Betriebstemperaturen von Halbleiterbauelementen steigen dementsprechend Jahr für Jahr an. Unter diesen Umständen ist es schwierig, die Wärmebeständigkeit und die Verlässlichkeit der Lebensdauer mit existierenden Lötbindungen zu gewährleisten.
Als alternatives Verbindungsverfahren zu Lötverbindungen hat man ein Verbindungsverfahren vorgeschlagen, bei dem ein Sintermetall oder eine Metallpaste verwendet wird. Das Sintermetall und die Metallpaste bilden aber eine Verbindungsschicht, die eine geringere Festigkeit als die zu verbindenden Teile aufweist oder porös ist, und sie sind daher typischerweise bruchanfällig, was ein Problem hinsichtlich der Verbesserung der Verlässlichkeit der Lebensdauer darstellt.
In einem Wellenleiter für eine Antenne für Millimeterwellen-Kommunikation in einem 30-GHz- bis 300-GHz-Band oder andere Anwendungen werden Schraubbefestigungen, Lötbindungen oder Hartlöten als Methoden zur Befestigung von Metallelementen aneinander verwendet. Bei einer Schraubbefestigung sind aber aufgeweitete Bereiche für die Befestigung mit einer Schraube erforderlich, und sie führt zu einer Ausweitung der Größe und einer Gewichtszunahme.
Eine Lötverbindung weist Probleme der mangelnden Festigkeit eines Lötmaterials selbst und des Überfließens des Lötmaterials in andere Bereiche als einen Verbindungsbereich auf. Ferner weist das Hartlöten ein Problem der thermischen Verformung eines Wellenleiterelements aufgrund der Erwärmung beim Hartlöten auf.
Ein Verbindungsverfahren, das Festphasendiffusion von Metallen nutzt, hat man als eine Verfahrensalternative zu bestehenden Verfahren zum Verbinden von Metallen miteinander vorgeschlagen. Es ist z.B. eine Metallverbindung bekannt, bei der Basismaterialien auf Aluminiumbasis miteinander verbunden werden, indem Ag-Schichten und Sn-Schichten auf Oberflächen der Basismaterialien auf Aluminiumbasis gebildet werden und dann die Sn-Schichten miteinander in Kontakt gebracht werden und Druck und Wärme auf die Sn-Schichten ausgeübt werden, um eine Al-Ag-Sn-Schicht in einem Verbindungsbereich zu bilden (siehe z.B. Patentliteratur 1).
Stand der Technik
Patentliteratur
[PTL 1] JP 2015-155108 A (siehe S. 4 bis 6, 1)
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik zum Verbinden von Metallen miteinander sind aber die Basismaterialien auf Materialien auf Aluminiumbasis beschränkt, und das Verfahren kann nicht für Basismaterialien aus anderen Metallarten, z.B. Kupfer und Eisen, verwendet werden. Darüber hinaus sind die Ag-Schichten und Sn-Schichten, die auf den Oberflächen der Basismaterialien gebildet werden, aufgrund eines Unterschieds der Oxidations-Reduktions-Potentiale anfällig für Kontaktkorrosion zwischen verschiedenen Arten von Metall und haben daher ein Problem bei der Verwendung in einer sehr feuchten Umgebung und einer Umgebung, in der Salz vorhanden ist. Weiterhin weist ein Sn enthaltender Verbindungsbereich eine geringere mechanische Festigkeit auf als ein Verbindungsbereich, der nur aus Al oder Ag gebildet ist.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Metallverbindung anzugeben, die metallische Basismaterialien miteinander verbinden kann, ohne auf Materialien auf Aluminiumbasis beschränkt zu sein, und die durch Kontaktkorrosion zwischen verschiedenen Arten von Metall wenig beeinträchtigt wird und dementsprechend eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.
Lösung des Problems
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Metallverbindung angegeben, die Folgendes aufweist: eine Ag-Cu-Zn-Schicht; und Cu-Zn-Schichten, die mit beiden Oberflächen der Ag-Cu-Zn-Schicht verbunden sind, wobei die Ag-Cu-Zn-Schicht eine Zusammensetzung aufweist, in der eine Cu-Komponente von 1 At.-% oder mehr und 10 At.-% oder weniger beträgt, eine Zn-Komponente von 1 At.-% oder mehr und 40 At.-% oder weniger beträgt, und der Rest eine Ag-Komponente in Bezug auf die gesamten 100 At.-% ist, und wobei die Cu-Zn-Schichten eine Zusammensetzung aufweisen, in der eine Zn-Komponente von 10 At.-% oder mehr und 40 At.-% oder weniger beträgt und der Rest eine Cu-Komponente in Bezug auf die gesamten 100 At.-% ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Metallverbindungs-Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Metallverbindung durch Verbinden von Laminaten angegeben, in denen jeweils eine Cu-Zn-Schicht, eine Cu-Schicht und eine Ag-Schicht der Reihe nach ausgebildet werden, wobei das Metallverbindungs-Herstellungsverfahren die folgenden Schritte beinhaltet:

Inkontaktbringen der Ag-Schicht von einem der Laminate und der Ag-Schicht von dem anderen der Laminate, wobei die Ag-Schichten einander zugewandt sind; und Durchführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 300 °C oder mehr und 400 °C oder weniger an den Laminaten unter Druck, wobei die Ag-Schichten miteinander in Kontakt gebracht werden.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Bei der Metallverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Cu-Zn-Schichten mit beiden Oberflächen der Ag-Cu-Zn-Schicht verbunden, so dass die Metallverbindung in die Lage versetzt wird, Metallbasismaterialien miteinander zu verbinden, ohne auf Materialien auf Aluminiumbasis beschränkt zu sein, und dass der Metallverbindung auch eine hohe mechanische Festigkeit verliehen wird.
Das Metallverbindungs-Fügeverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vermindert die Wirkung der Kontaktkorrosion zwischen verschiedenen Metallarten, da die Cu-Schicht und die Ag-Schicht der Reihe nach geschichtet sind.
Figurenliste

1 zeigt erläuternde Diagramme zur Veranschaulichung eines Verbindungsverfahrens für eine Metallverbindung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine tabellarische Liste zur Darstellung von Eigenschaften der Metallverbindung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein charakteristischer Graph der Metallverbindung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein charakteristischer Graph der Metallverbindung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt erläuternde Diagramme zur Veranschaulichung eines Verbindungsverfahrens für einen Wellenleiter gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Schnittansicht des Wellenleiters gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt erläuternde Diagramme zur Veranschaulichung eines Verbindungsverfahrens für ein Halbleiterbauelement gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
1 sind erläuternde Diagramme zur Veranschaulichung eines Verbindungsverfahrens für eine Metallverbindung gemäß einer ersten Ausführungsform zur Durchführung der vorliegenden Erfindung. Die in 1(a) dargestellte Metallverbindung befindet sich in einem Zustand, der vor dem Beginn des Verbindens beobachtet wird, in dem eine Cu-Zn-Schicht 2, eine Cu-Schicht 3 und eine Ag-Schicht 4 der Reihe nach auf einer Oberfläche jedes Basismaterials 1 aus Metall ausgebildet sind.
In 1(b) ist ein Zustand dargestellt, in dem die Ag-Schicht 4 des einen Basismaterials 1 und die Ag-Schicht des anderen Basismaterials 1 miteinander in Kontakt gebracht werden. Jedes Basismaterial 1 aus Metall ist ein Block, der z.B. die Form eines Würfels hat, und die Metallschichten werden der Reihe nach teilweise oder vollständig auf der Oberfläche des Basismaterials 1 aus Metall gebildet.
Eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 300 °C oder mehr und weniger als 400 °C wird unter Druck in dem in 1(b) dargestellten Zustand zum Festphasenverbinden an der Cu-Zn-Schicht 2, der Cu-Schicht 3 und der Ag-Schicht 4 durchgeführt. 1(c) ist eine Darstellung einer Metallverbindung 5, die ein Endprodukt ist, das durch das Festphasenverbinden fertiggestellt wird. In dieser Metallverbindung 5 sind ein Basismaterial 1 und das andere Basismaterial 1 an Cu-Zn-Schichten 6 und einer Ag-Cu-Zn-Schicht 7 miteinander verbunden.
Festphasenverbinden bedeutet das Verbinden von Basismaterialien durch Erwärmen von Metallschichten, die auf Oberflächen der Basismaterialien geschichtet sind, in einer festen Phase (fester Zustand), so dass die Metallschichten erweicht und nicht geschmolzen werden, und ferner Aufbringen von Druck, um die Metallschichten plastisch zu verformen.
Die durch Festphasenbindung gebildeten Cu-Zn-Schichten 6 sind jeweils eine Schicht, die insgesamt eine Cu-Zn-Legierung ist, die als Ergebnis der Bewegung von Zn-Atomen zwischen der in 1(a) dargestellten Cu-Zn-Schicht 2 und Cu-Schicht 3 erzeugt wird. Die durch Festphasenverbindung gebildete Ag-Cu-Zn-Schicht 7 ist eine Schicht aus einer Ag-Cu-Zn-Legierung, die als Ergebnis der Bewegung von Cu-Atomen und Zn-Atomen von der in 1(a) dargestellten Cu-Zn-Schicht 2 und der Cu-Schicht 3 zu der Ag-Schicht 4 erzeugt wird. Bei diesem Verfahren bewegen sich Ag-Atome kaum von der Ag-Schicht 4 zur Cu-Schicht 3 und der Cu-Zn-Schicht 2.
Eine bevorzugte Bedingung für die Druckbeaufschlagung ist 0,1 MPa oder mehr und 200 MPa oder weniger, so dass die Basismaterialien nicht verformt werden. Insbesondere ist ein Wert von 0,5 MPa oder mehr und 100 MPa oder weniger bevorzugt, um eine Balance zwischen der Ausnutzung eines Vorteils für das Verbinden, der durch das Erweichen und Verformen der Metallschichten an einer Verbindungsgrenzfläche bewirkt wird, und der Unterdrückung eines negativen Aspekts, nämlich der Verformung eines Basismaterials, auf dem die Metallschichten ausgebildet werden, zu erreichen, obwohl Auswirkungen auf die Formen der Basismaterialien und anderer in einem erwärmten Zustand berücksichtigt werden müssen.
Die für das Verbinden erforderliche Zeitspanne kann auf der Basis der Heiztemperatur und der Druckkraft geeignet vorgegeben werden, beträgt aber im Allgemeinen 1 Minute oder mehr und weniger als 12 Stunden. Ein bevorzugter Zeitraum des Verbindens beträgt 10 Minuten oder mehr und 3 Stunden oder weniger. Nachdem die Cu-Zn-Schichten und die Ag-Cu-Zn-Schicht durch Festphasenbindung gebildet sind, wird die Erwärmung gestoppt, und es ist bevorzugt, die Metallverbindung durch natürliche Wärmeabfuhr abkühlen zu lassen.
Beispiele für das Verfahren zur Bildung der Cu-Zn-Schicht 2, der Cu-Schicht 3 und der Ag-Schicht 4 umfassen elektrolytisches Plattieren, nichtelektrolytisches Plattieren, physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und Sputtern. Eine gewünschte Schichtdicke der Cu-Zn-Schicht 2 ist 0,1 µm bis 5 µm, eine gewünschte Schichtdicke der Cu-Schicht 3 ist 0,1 µm bis 5 µm, und eine gewünschte Schichtdicke der Ag-Schicht 4 ist 0,1 µm bis 15 µm.
Das Basismaterial 1 aus Metall ist nicht besonders beschränkt, und Metalle, wie z.B. Kupfer, Eisen, rostfreier Stahl, Aluminium oder Zink oder eine Legierung davon, können verwendet werden.
Die Metallverbindung gemäß dieser Ausführungsform wird nachstehend anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen näher beschrieben.
Zwei Elemente wurden hergestellt, indem für jedes der Elemente eine Cu-Zn-Schicht auf einer Oberfläche eines Cu-Basismaterials gebildet wurde, eine Cu-Schicht auf einer Oberfläche der Cu-Zn-Schicht gebildet wurde und eine Ag-Schicht auf einer Oberfläche der Cu-Schicht gebildet wurde.
Die Schichtdicke der Cu-Zn-Schicht wurde mit 5 µm vorgegeben, und die Cu-Zn-Schicht erhielt ein Zusammensetzungsverhältnis, bei dem der Anteil der Zn-Atome 40 At.-% betrug. Die Schichtdicke der Cu-Schicht wurde mit 1 µm vorgegeben und die Schichtdicke der Ag-Schicht mit 5 µm vorgegeben. Die Metallschichten wurden durch Sputtern gebildet.
Die beiden Elemente wurden bei Atmosphärendruck unter Druck gesetzt und erwärmt, wobei die Ag-Schicht des einen Elements und die Ag-Schicht des anderen Elements in engem Kontakt miteinander waren, um so eine Metallverbindung durch Festphasenbindung herzustellen. Die Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsbedingungen der jeweiligen Proben (Beispiele und Vergleichsbeispiele) werden später beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform bedeutet eine Cu-Zn-Schicht eine Legierungsschicht mit Cu und Zn als Hauptkomponenten, eine Cu-Schicht bedeutet eine Schicht mit Cu als eine Hauptkomponente, und eine Ag-Schicht bedeutet eine Schicht mit Ag als eine Hauptkomponente. In jeder dieser Schichten ist der Gehalt der Hauptkomponente(n) an sich der Schicht bevorzugt 99 Massen-% oder mehr, aber der Rest kann unvermeidliche Verunreinigungen enthalten, ohne ein Problem zu verursachen.
Die so hergestellten Proben wurden unter Verwendung eines Zugprüfgeräts (Typ 4400R, ein Produkt von Instron) bezüglich der Verbindungsfestigkeit gemessen. Die Proben, die einer Zugprüfung unterzogen wurden, unterschieden sich von den vorstehend beschriebenen Basismaterialien aus Metall und wurden bezüglich der Verbindungsfestigkeit gemessen.
Die der Zugprüfung unterzogenen Proben wurden unter Berücksichtigung einer Prüfvorrichtung geformt, und es waren jeweils zwei Rundstäbe aus Cu mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Höhe von 10 mm, die übereinander gelegt und miteinander verbunden wurden, wobei Metallschichten des jeweiligen Beispiels oder Vergleichsbeispiels auf kreisförmigen Schnittflächen der Rundstäbe gebildet wurden.
Die Bedingungen für das Verbinden waren die gleichen wie die Bedingungen für das Verbinden der Basismaterialien aus Metall. Die Zugrichtung davon ist eine Richtung senkrecht zu einer Verbindungsfläche, nämlich die Längsrichtung der Rundstäbe. Als Referenz für die Verbindungsfestigkeit wurde auch eine Probe hergestellt, bei der eine Ag-Schicht allein als eine Metallschicht ausgebildet war, und bezüglich der Verbindungsfestigkeit gemessen. Die gemessene Verbindungsfestigkeit der Probe betrug 220 MPa.
Ein Verbindungsflächenverhältnis ist definiert als das Verhältnis der Fläche einer Bruchfläche zur Fläche einer Verbindungsfläche eines anvisierten Elements. Das Verbindungsflächenverhältnis jeder der Proben wurde berechnet aus einer berechneten Fläche einer grübchenförmigen Oberfläche (mit sog. Dimpeln), in der eine Oberflächenunregelmäßigkeit auf der Bruchfläche durch Bruch aufgrund von Zugprüfung verursacht wurde, und auch aus dem Verhältnis eines Verbindungsbereichs und eines Nichtverbindungsbereichs (Spaltbereich) an einem Querschnitt des Verbindungsbereichs, der senkrecht zu einer Verbindungsfläche einer anderen, gleichzeitig hergestellten Probe geschnitten wurde.
Die Verbindungsfestigkeiten der Proben wurden durch Berechnung der Verbindungsfestigkeiten für einen Fall, bei dem das Verbindungsflächenverhältnis 100 % betrug, unter Verwendung des folgenden Ausdrucks berechnet, und relative Werte der berechneten Verbindungsfestigkeiten wurden mit einer Verbindungsfestigkeit für einen Fall, in dem die Rundstäbe an den Ag-Schichten allein verbunden waren, als Referenz erhalten, um miteinander verglichen zu werden. $\begin{array}{l} Verbindungsfestigkeit = \\ Messwert (MPa) \times (100 / Verbindungsfl \ddot{a} chenverh \ddot{a} ltnis (%)) / 220 (MPa) \end{array}$
Wenn eine auf diese Weise erhaltene Verbindungsfestigkeit (ein relativer Wert) größer als 1 war, wurde die Verbindungsbeständigkeit als hoch bestimmt. Wenn eine auf diese Weise erhaltene Verbindungsfestigkeit gleich oder kleiner als 1 war, was bedeutet, dass die Verbindungsfestigkeit gleich oder kleiner als die Verbindungsfestigkeit der Ag-Verbindung ist, wurde die Verbindungsbeständigkeit in diesem Fall entsprechend als niedrig bestimmt.
Auf einem Querschnitt senkrecht zur Verbindungsfläche von jeder der Proben wurden der Anteil der Zn-Atome in den Cu-Zn-Schichten und der Anteil (At.-%) der Cu-Atome sowie der Anteil (At.-%) der Zn-Atome in der Ag-Cu-Zn-Schicht unter Verwendung einer Zusammensetzungsanalyse-funktion eines Rasterelektronenmikroskops durch wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie gemessen.
2 ist eine tabellarische Auflistung von Beispielen dieser Ausführungsform und Vergleichsbeispielen. In der Tabelle von 2 sind für jedes Beispiel die Verbindungstemperatur, die Druckkraft und die Verbindungszeitdauer als Herstellungsbedingungen des Beispiels angegeben. Ein Verbindungsflächenverhältnis, eine gemessene Verbindungsfestigkeit und eine Verbindungsfestigkeit (ein relativer Wert) sind ebenfalls in der Tabelle von 2 dargestellt. Der Anteil der Zn-Atome in den Cu-Zn-Schichten und der Anteil der Cu-Atome sowie der Anteil der Zn-Atome in der Ag-Cu-Zn-Schicht sind ebenfalls dargestellt.
3 ist ein charakteristisches Diagramm zur Darstellung des Verbindungsfestigkeitsverhältnisses in Bezug auf den Anteil der Cu-Atome in der Ag-Cu-Zn-Schicht von Beispielen und Vergleichsbeispielen dieser Ausführungsform. Charakteristische Werte der Beispiele 1 bis 4 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 dieser Ausführungsform sind in 3 dargestellt. Aus 3 ist ersichtlich, dass das Verhältnis der Verbindungsfestigkeit 1 oder höher ist, wenn der Anteil der Cu-Atome in der Ag-Cu-Zn-Schicht in einem Bereich von 1 At.-% bis 10 At.-% liegt.
4 ist ein charakteristisches Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses der Verbindungsfestigkeit in Bezug auf den Anteil der Zn-Atome in der Ag-Cu-Zn-Schicht von Beispielen und Vergleichsbeispielen dieser Ausführungsform. Charakteristische Werte der Beispiele 3, 5 und 6 und der Vergleichsbeispiele 3 und 4 dieser Ausführungsform sind in 3 dargestellt. Aus 3 ist ersichtlich, dass das Verhältnis der Verbindungsfestigkeit 1 oder höher ist, wenn der Anteil der Zn-Atome in der Ag-Cu-Zn-Schicht in einem Bereich von 1 At.-% bis 40 At.-% liegt.
In allen Beispielen und Vergleichsbeispielen dieser Ausführungsform lag der Anteil der Zn-Atome in den Cu-Zn-Schichten in einem Bereich von 10 At.-% bis 40 At.-%.
Aus den vorstehend angegebenen Ergebnissen wird geschlossen, dass die Metallverbindung dieser Ausführungsform, bei der die Cu-Zn-Schichten auf beiden Oberflächen der Ag-Cu-Zn-Schicht verbunden sind, eine Verbindungsfestigkeit erreichen kann, die die Verbindungsfestigkeit einer einfachen Ag-Verbindung übersteigt, wenn die Ag-Cu-Zn-Schicht eine Zusammensetzung aufweist, bei der die Cu-Komponente 1 At.-% oder mehr und 10 At.-% oder weniger beträgt, die Zn-Komponente 1 At.-% oder mehr und 40 At.-% oder weniger beträgt und der Rest die Ag-Komponente ist, wobei die Gesamtheit 100 At.-% beträgt, und die Cu-Zn-Schichten eine Zusammensetzung aufweisen, in der die Zn-Komponente 10 At.-% oder mehr und 40 At.-% oder weniger beträgt und der Rest die Cu-Komponente in Bezug auf die Gesamtheit von 100 At.-% ist.
Das Verbindungsverfahren für die Metallverbindung dieser Ausführungsform weist eine geringe Auswirkung bei der Kontaktkorrosion zwischen verschiedenen Arten von Metall auf, weil die Cu-Zn-Schicht, die Cu-Schicht und die Ag-Schicht in der Reihenfolge auf der Oberfläche jedes Basismaterials gebildet werden, bevor das Verbinden begonnen wird.
Das Verbindungsverfahren für die Metallverbindung dieser Ausführungsform nutzt ferner Festphasenbindungen und erfordert dementsprechend keine so hohe Temperatur wie 600 °C, bei der die Verbindungselemente geschmolzen werden, oder höhere Temperaturen für eine Erwärmungstemperatur, die für das Erwärmen unter Druck verwendet wird.
Zweite Ausführungsform
5 sind erläuternde Diagramme zur Veranschaulichung eines Verbindungsverfahrens für einen Wellenleiter gemäß einer zweiten Ausführungsform zur Durchführung der vorliegenden Erfindung. Die Beschreibung dieser Ausführungsform nimmt als Beispiel einen rechteckigen Wellenleiter (auch als „rechteckiges Wellenleiterrohr“ bezeichnet), der darin einen Hohlraum mit rechteckigem Querschnitt aufweist.
5 sind Schnittansichten des Wellenleiters in dieser Ausführungsform. Der Wellenleiter in 5A befindet sich in einem Zustand, der vor dem Beginn des Verbindens festgestellt wird, und umfasst ein oberes Element 11 aus Metall und ein unteres Element 12, das mit dem oberen Element 11 verbunden werden kann, um einen rechteckigen Hohlraum im Inneren zu bilden. Das obere Element 11 und das untere Element 12 weisen ein große Länge auf und haben eine Längsrichtung in einer Richtung, entlang der Mikrowellen übertragen werden.
Das obere Element 11 und das untere Element 12 sind aus Messing gebildet. Das Messing, das das obere Element 11 und das untere Element 12 bildet, ist eine Legierung auf Cu-Zn-Basis und hat eine Zusammensetzung, in der die Cu-Komponente 60 At.-% bis 70 At.-% beträgt, die Zn-Komponente 30 At.-% bis 40 At.-% beträgt und der Gehalt an Pb, Fe oder einem ähnlichen Dotiermaterial und unvermeidlichen Verunreinigungen 1 At.-% oder weniger beträgt. Bei dieser Ausführungsform kann z.B. C2600, das Messing mit etwa 70 At.-% Cu-Komponente ist (die Zn-Komponente beträgt etwa 30 At.-%), verwendet werden.
Die Cu-Schicht 3 und die Ag-Schicht 4 werden der Reihe nach auf der jeweiligen Kontaktfläche zur Verbindung des oberen Elements 11 und des unteren Elements 12 gebildet. In der ersten Ausführungsform wird die Cu-Zn-Schicht unter der Cu-Schicht gebildet. Bei dieser Ausführungsform sind das obere Element 11 und das untere Element 12, die zu verbindende Elemente sind, eine Legierung auf Cu-Zn-Basis, und eine Oberfläche dieser Legierung entspricht dementsprechend der Cu-Zn-Schicht.
Ein Zustand, in dem die Ag-Schicht 4 des oberen Elements 11 und die Ag-Schicht 4 des unteren Elements 12 miteinander in Kontakt gebracht werden, ist in 5(b) dargestellt. In dem in 5(b) dargestellten Zustand wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350 °C für 2 Stunden unter Druck mit einer Druckkraft von 20 MPa durchgeführt, und zwar für die Festphasenbindung an der Cu-Schicht 3 und der Ag-Schicht 4 auf der Oberfläche des oberen Elements 11 und der Cu-Schicht 3 und der Ag-Schicht 4 auf der Oberfläche des unteren Elements 12.
5(c) ist eine Illustration eines Wellenleiters 13, der ein Endprodukt ist, das durch Festphasenverbindung fertiggestellt wird. In diesem Wellenleiter 13 sind das obere Element 11 und das untere Element 12 an den Cu-Zn-Schichten 6, die Oberflächen des oberen Elements 11 und des unteren Elements 12 sind, und der Ag-Cu-Zn-Schicht 7 verbunden.
In dem so konfigurierten Wellenleiter beträgt die Zn-Komponente in den Cu-Zn-Schichten 6 etwa 30 At.-%, da die Zusammensetzung der Cu-Zn-Schichten 6 die gleiche ist wie die in C2600, die das obere Element 11 und das untere Element 12 bildet. Eine Komponentenanalyse der Ag-Cu-Zn-Schicht 7 ergab, dass diese Schicht eine Zusammensetzung aufwies, in der die Cu-Komponente 4,0 At.-% und die Zn-Komponente 2,5 At.-% betrug, wobei die Gesamtheit 100 At.-% beträgt. Diese Komponentenverhältnisse liegen nahe an den Ergebnissen von Beispiel 2 der ersten Ausführungsform, bei der die gleichen Druckbedingungen verwendet werden.
Der so konfigurierte Wellenleiter kann eine Verbindungsfestigkeit erreichen, die die Verbindungsfestigkeit einer einfachen Ag-Verbindung wie in der ersten Ausführungsform übersteigt.
Diese Ausführungsform befasst sich mit einem Beispiel, bei dem die Cu-Schicht 3 und die Ag-Schicht 4 der Reihe nach nur auf jeder Kontaktfläche zum Verbinden des oberen Elements 11 und des unteren Elements 12 gebildet werden. Wenn aber elektrolytisches Plattieren, Vakuumverdampfung oder Sputtern als ein Verfahren zur Bildung der Cu-Schicht und der Ag-Schicht verwendet wird, werden die Cu-Schicht und die Ag-Schicht tatsächlich auch auf anderen Oberflächen als der Kontaktfläche gebildet.
6 ist eine Illustration eines anderen Wellenleiters bei dieser Ausführungsform. Der in 6 dargestellte Wellenleiter befindet sich in einem Zustand, der vor dem Beginn des Fügens festgestellt wird, in dem die Cu-Schicht 3 und die Ag-Schicht 4 der Reihe nach auch auf anderen Oberflächen als den Verbindungsflächen des oberen Elements 11 und des unteren Elements 12, die aus Metall sind, ausgebildet sind.
Die in 5 dargestellten Schritte können auch für die Herstellung des so konfigurierten Wellenleiters verwendet werden.
Die Cu-Schicht und die Ag-Schicht auf anderen Oberflächen als den Verbindungsflächen können durch maschinelle Bearbeitung geschnitten werden. Die Bildung der Cu-Schicht und der Ag-Schicht auf anderen Oberflächen als den Verbindungsflächen kann durch Maskieren der anderen Oberflächen als den Verbindungsflächen verhindert werden, wenn die Cu-Schicht und die Ag-Schicht gebildet werden.
Bei dieser Ausführungsform wird der Hohlraum des Wellenleiters durch die Kombination des oberen Elements, das wie ein Brett geformt ist, und des unteren Elements, das im Querschnitt eine konkave Form aufweist, gebildet. Das obere Element und das untere Element können aber beide eine konkave Form im Querschnitt aufweisen.
Dritte Ausführungsform
7 zeigt erläuternde Diagramme zur Veranschaulichung eines Verbindungsverfahrens für ein Halbleiterbauelement gemäß einer dritten Ausführungsform zur Durchführung der vorliegenden Erfindung. Das Halbleiterbauelement dieser Ausführungsform wird durch Verbinden eines Halbleiterelements mit einem isolierenden Substrat über eine Metallverbindung erhalten.
Ein Beispiel für das Halbleiterelement ist ein Halbleiterelement, das als eine Hauptkomponente Silicium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder Diamant enthält. Ferner beinhalten Beispiele für das isolierende Substrat ein Keramiksubstrat und ein Direct-Copper-Bond (DCB)-Substrat.
7 zeigt Schnittansichten der Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform. Das in 7(a) dargestellte Halbleiterbauelement befindet sich in einem Zustand, der vor dem Beginn des Verbindens beobachtet wird, und die Cu-Zn-Schicht 2, die Cu-Schicht 3 und die Ag-Schicht 4 sind in dieser Reihenfolge auf einer unteren Oberfläche eines Halbleiterelements 21 ausgebildet, nämlich einer Oberfläche, die einem isolierenden Substrat 22 gegenüberliegt.
In ähnlicher Weise werden die Cu-Zn-Schicht 2, die Cu-Schicht 3 und die Ag-Schicht 4 der Reihe nach auf einer oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 22 ausgebildet, nämlich einer dem Halbleiterelement 21 gegenüberliegenden Oberfläche. Ein Zustand, in dem die Ag-Schicht 4 des Halbleiterelements 21 und die Ag-Schicht 4 des isolierenden Substrats 22 miteinander in Kontakt gebracht sind, ist in 7(b) dargestellt. In dem in 7(b) dargestellten Zustand wird zur Festphasenbindung an den Cu-Zn-Schichten 2, den Cu-Schichten 3 und den Ag-Schichten 4 eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350 °C für 2 Stunden unter Druck mit einer Druckkraft von 20 MPa durchgeführt.
7(c) ist eine Darstellung eines Halbleiterbauelements 23, bei dem es sich um ein Endprodukt handelt, das durch Festphasenverbinden fertiggestellt ist. In diesem Halbleiterbauelement 23 sind das Halbleiterelement 21 und das isolierende Substrat 22 an den Cu-Zn-Schichten 6 und der Ag-Cu-Zn-Schicht 7 verbunden.
Das so konfigurierte Halbleiterbauelement kann eine Verbindungsfestigkeit erreichen, die die Verbindungsfestigkeit einer einfachen Ag-Verbindung wie bei der ersten Ausführungsform übersteigt.
In 7(c) sind die Cu-Zn-Schicht und die Ag-Cu-Zn-Schicht als Metallverbindung nur auf dem unteren Teil des Halbleiterelements 21 gebildet. In einigen Fällen sind die Cu-Zn-Schicht und die Ag-Cu-Zn-Schicht aber auch auf einem Teil des isolierenden Substrats 22 ausgebildet, der nicht mit dem Halbleiterelement 21 verbunden ist.
Obwohl die Cu-Zn-Schicht 2, die Cu-Schicht 3 und die Ag-Schicht 4 bei dieser Ausführungsform der Reihe nach auf der Verbindungsfläche des Halbleiterelements 21 ausgebildet sind, kann auch eine Ti-Schicht oder dergleichen zwischen dem Halbleiterelement 21 und der Cu-Zn-Schicht 2 als eine Haftung verleihende Schicht ausgebildet sein.
Diese Ausführungsform befasst sich mit einem Beispiel für das Verbinden eines Halbleiterelements und eines isolierenden Substrats. Das Substrat, mit dem das Halbleiterelement verbunden werden soll, ist aber nicht auf ein isolierendes Substrat beschränkt, sondern kann auch ein Cu-Substrat oder ein Cu-Substrat mit einer Oberfläche, auf der eine Ni-Plattierung durchgeführt wurde, sein.
Bezugszeichenliste

1: Basismaterial
2: Cu-Zn-Schicht
3: Cu-Schicht
4: Ag-Schicht
5: Metallverbindung
6: Cu-Zn-Schicht
7 A: g-Cu-Zn-Schicht
11: oberes Element
12: unteres Element
13: Wellenleiter
21: Halbleiterelement
22: isolierendes Substrat
23: Halbleiterbauelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015155108 A [0008]

Claims

Metallverbindung, die Folgendes aufweist: - eine Ag-Cu-Zn-Schicht; und - Cu-Zn-Schichten, die mit beiden Oberflächen der Ag-Cu-Zn-Schicht verbunden sind, - wobei die Ag-Cu-Zn-Schicht eine Zusammensetzung aufweist, in der eine Cu-Komponente 1 At.-% oder mehr und 10 At.-% oder weniger beträgt, eine Zn-Komponente 1 At.-% oder mehr und 40 At.-% oder weniger beträgt und der Rest eine Ag-Komponente in Bezug auf die gesamten 100 At.-% ist, und - wobei die Cu-Zn-Schichten eine Zusammensetzung aufweisen, in der eine Zn-Komponente 10 At.-% oder mehr und 40 At.-% oder weniger beträgt und der Rest eine Cu-Komponente in Bezug auf die gesamten 100 At.-% ist.
Halbleiterbauelement, das Folgendes aufweist: ein Halbleiterelement und ein isolierendes Substrat, die durch die Metallverbindung nach Anspruch 1 miteinander verbunden sind.
Wellenleiter, der Folgendes aufweist: - ein oberes Element mit großer Länge; und - ein unteres Element mit großer Länge, wobei das untere Element mit dem oberen Element durch die Metallverbindung nach Anspruch 1 verbunden ist und zusammen mit dem oberen Element einen Hohlraum bildet.
Metallverbindungs-Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Metallverbindung durch Verbinden von Laminaten, in denen jeweils eine Cu-Zn-Schicht, eine Cu-Schicht und eine Ag-Schicht der Reihe nach ausgebildet werden, wobei das Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindung die folgenden Schritte umfasst: - Inkontaktbringen der Ag-Schicht von dem einen der Laminate und der Ag-Schicht von dem anderen der Laminate miteinander, wobei die Ag-Schichten einander zugewandt sind; und - Durchführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 300 °C oder mehr und weniger als 400 °C an den Laminaten unter Druck, wobei die Ag-Schichten miteinander in Kontakt gebracht werden.
Metallverbindungs-Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, wobei die Cu-Schicht eine Dicke von 0,1 µm oder mehr und 5 µm oder weniger aufweist und die Ag-Schicht eine Dicke von 0,1 µm oder mehr und 15 µm oder weniger aufweist.