JP2004146695A - 金属化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のステップ式マイクロソルダリングに代替可能で、しかも鉛や錫の使用を全廃することによって、重金属汚染による環境負荷を解消できるようにした接合等を、接合材料を金属化することで容易かつ確実に実現するための金属化装置を提供する。
【解決手段】金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料の金属化を行う金属化装置であって、接合材料に慣性力エネルギを付与する慣性力エネルギ付与装置２２、または接合材料を収納する密閉可能なチャンバ１０内を脱気する脱気装置３４の少なくとも一方を有する。
【選択図】 図１
【解決手段】金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料の金属化を行う金属化装置であって、接合材料に慣性力エネルギを付与する慣性力エネルギ付与装置２２、または接合材料を収納する密閉可能なチャンバ１０内を脱気する脱気装置３４の少なくとも一方を有する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体装置の実装工程において、半導体装置への駆動電力供給や電気信号の入出力のためのリードやピン、或いは構造上の突起（バンプ）等を配線板側に設けた電極等に、接合部材を金属化して接合する時に用いられる金属化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、電子部品や半導体装置等を構成するチップの表面に配列した電気接合用バンプと、配線板上のこれらの各バンプに対応する位置に設けた電極との電気的接合には、錫と鉛からなるはんだを用いたマイクロソルダリングが広く用いられている。具体的には、例えば、はんだペーストを配線板に印刷して、その上に所定の多数の部品（チップ）を配置して接合するようにした連続式の接合装置によって接合を行っている。
【０００３】
一方、前記はんだ接合によって製造した半導体装置を、更に他の部品と接合することによって組合せる製造形式、所謂ステップ接合の場合には、先行するはんだ接合で形成した接合部分が、それ以降のはんだ接合時の加熱・昇温によって再溶融して、損傷を受けることを回避する必要がある。このため、１回目のはんだ材料として、９５％Ｐｂ含有の高温はんだ（融点：３００℃程度）を用い、その後、２回目のはんだ材料として、融点の低い、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系のはんだ（融点：１８３℃程度）を用いることが一般に行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、地球環境保全の要求が極めて強まった結果、鉛の使用が厳しく制限されるようになっており、接合用のはんだ材料についても、これが通常４０％程度の鉛を含有することから、鉛の含有量が零のはんだ材料への転換を強く迫られる状況となっている。このため、通常の６０％Ｓｎ−４０％Ｐｂはんだの代替品としては、Ｓｎ−Ａｇ系のものが開発され、既に一部で使用されている。しかし、９５％Ｐｂからなる高温はんだの代替品実現は、その目途が全くたっていない状況にある。このため、前述のようなステップ接合を、鉛の含有量が零のはんだ材料を使用して実施することは、高温はんだ代替品入手不可の問題で暗礁に乗り上げた状況となっている。
【０００５】
また、熱交換器や航空機等の部品を接合によって製造する場合には、所謂ろう付が多用されている。このろう付法は、必然的に金属材料（ろう材）の融点以上までの加熱を伴うので、接合時の被接合部分の温度が４５０〜１０００℃と非常に高くなる。このように、最高１０００℃もの高温に曝されれば、一般的には、部材の広範囲な熱変形や大規模な熱応力・歪を生じることが不可避となる。このため、形状・寸法の精密さを要求される上記部品を、熱変形等の不都合を起こすことのない、比較的低温で確実に接合できるような手段の開発が強く望まれている。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、従来のステップ式マイクロソルダリングに代替可能で、しかも鉛や錫の使用を全廃することによって、重金属汚染による環境負荷を解消できるようにした接合等を、接合材料を金属化することで容易かつ確実に実現するための金属化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料の金属化を行う金属化装置であって、前記接合材料に慣性力エネルギを付与する慣性力エネルギ付与装置を有することを特徴とする金属化装置である。
【０００８】
このように、慣性力エネルギ付与装置を備え、接合材料の加熱による昇温中に接合材料に揺動、振動または衝撃等の慣性力エネルギを与えることで、分解・蒸散した有機物の被接合部からの排除を促進することができる。前述の振動を起こさせるための手段としては、超音波による加振操作を含んでいる。つまり、金属核を結合・被覆する有機物は、加熱による昇温で、固体から半溶融状態または液状に変化する過程を経て、通常の蒸発及び熱分解が生じ、最終的には水蒸気と二酸化炭素になると考えられる。そこで、少なくとも、昇温中の半溶融状または液状の有機物、更には有機物の分解によって発生したガスの蒸散・離脱を容易にする環境を実現することで、有機物の除去を完全なものとし、その後の焼結による健全な金属化を行うことができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記慣性力エネルギ付与装置は、前記接合材料に揺動エネルギを付与する装置、前記接合材料に振動エネルギを付与する装置または前記接合材料に衝撃エネルギを付与する装置の少なくとも１つの装置からなることを特徴とする請求項１記載の金属化装置である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料の金属化を行う金属化装置であって、前記接合材料を収納する密閉可能なチャンバと、前記チャンバ内を脱気する脱気装置を有することを特徴とする金属化装置である。
これにより、接合材料をチャンバ内に収納し、接合材料の加熱による昇温中にチャンバ内を脱気して減圧・真空状態に保持することで、被接合部からのガス（有機物）の離脱を著しく活発化することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、前記接合材料には、骨材が添加されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金属化装置である。例えば、平均粒子径が１００μｍ程度以下の大きさの骨材を添加することで、複合型金属ナノ粒子単独の場合と異なり、各種の特性を加えることが出来る。この骨材としては、例えば、金属、プラスチックまたは金属・プラスチック以外の無機物のうちのどれか１種又は複数を組合せたものが用いられる。この骨材の大きさは、より好ましくは０．１〜１．０μｍ程度である。この無機物には、例えば各種のセラミック、炭素、ダイヤモンドまたはガラスなどが含まれる。この骨材が金属の場合、その材質としては、例えばＡｌ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄのうちの１種又はそれらの複数の元素からなる粉末が挙げられる。このように各種の特性に優れた金属粉末を骨材として添加することによって、接合部の安定した強度・靱性等を確保したり、電気伝導性を改善したりすることが出来る。また骨材がプラスチックの場合は、接合部の軽量化の効果を得る。特に、耐熱性プラスチック粉末、例えばポリイミド、ポリアラミド、またはポリエーテルエーテルケトン粉末等を使用すると、接合時の加熱温度に曝されてもプラスチックとしての変質・劣化の度合いが少ないので都合が良い。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、前記有機物は、Ｃ，Ｈ及び／またはＯを主成分としたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属化装置である。有機物に、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）等のように、Ｃ，ＨまたはＯ以外の元素を含む場合、接合時の加熱によって有機物を分解・蒸散させる工程を実行しても、有機物中に含まれる、ＮまたはＳ成分が焼結金属中に残留することがある。
その結果、接合部の電気伝導性に悪影響を及ぼす場合がある。例えば、高密度実装部品のように動作時の電流密度が高い部分で、このような理由で導電率が低下することは由々しい問題を生じると考えられる。しかし、有機物をＣ，Ｈ及び／またはＯを主成分とすることで、このような弊害を回避することができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、前記複合型金属ナノ粒子は、その金属核の平均直径が１００ｎｍ程度以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金属化装置である。
【００１４】
複合型金属ナノ粒子の金属核の平均直径は、１００ｎｍ程度以下、好ましくは２０ｎｍ程度以下、更に好ましくは５ｎｍ程度以下である。この金属核の平均直径の最小値は、製造が可能な限り特に限定されないが、一般的には０．５ｎｍ程度、または１．０ｎｍ程度である。表１は、直径が５０ｎｍ程度以下の金属超微粒子（Ｆｅ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ）が焼結を開始する温度を示す（例えば、一ノ瀬昇、尾崎義治、賀集誠一郎、「超微粒子技術入門」（１９８８．７オーム社）Ｐ．２６〜２９参照）。
【表１】
【００１５】
表１に示すように、例えば直径２０ｎｍの銀粒子を用いれば、焼結は、６０〜８０℃と常温に極めて近い温度で起きる（低温焼結）。つまり、複合型金属ナノ粒子を低温焼成させると、複合型金属ナノ粒子の保護層（有機物）が分解し、同時に金属核同士が直接接触することによって、焼結が起こる結果、粒子の合体が生じ、遂にはバルクの金属に一体化される。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、前記接合材料は、基体の被覆や該基体に設けた微細な凹部内への金属の埋込み、部材の接合または小物部品の製造に使用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の金属化装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態の金属化装置を示す。この金属化装置は、密閉可能なチャンバ１０を備えており、このチャンバ１０に入口通路１２と出口通路１４が、ゲートバルブ１６ａ，１６ｂを介してそれぞれ開閉自在に接続されている。チャンバ１０、入口通路１２及び出口通路１４の内部には、コンベア１８ａ，１８ｂ，１８ｃが直線状に配置されている。
【００１８】
チャンバ１０の内部には、コンベア１８ａの搬送経路の内部に位置して、被処理体Ｐを載置保持するホルダ２０が配置され、このホルダ２０は、慣性力エネルギ付与装置としての上下動自在な加振装置２２の上端に連結されて上下動自在に構成されている。この加振装置２２は、可撓シール２４を介して気密的にシールされている。チャンバ１０の天井側内部には、ヒータ２６とファン２８が互いに近接した位置に配置され、これによって、ホルダ２０に載置保持された被処理体Ｐに向けて、熱風が吹きかけられるようになっている。更に、チャンバ１０には、真空ポンプ３０から延びる真空配管３２が接続されて、チャンバ１０内を減圧・真空状態に保持する脱気装置３４が構成され、この真空配管３２には、チャンバ１０内の圧力を計測する圧力計３６が設置されている。
【００１９】
この金属化装置は、金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料を金属化するためのものである。
【００２０】
ここでは、被処理体Ｐとして、例えば半導体パッケージとして多用されているＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）からなる半導体装置４０と配線板４２とを有し、半導体装置４０のリード４４と配線板４２の電極との間に接合材料４６を介在させ、この接合材料４６を金属化させることで、配線板４２上に半導体装置４０を実装するようにした例を示す。
【００２１】
先ず、この接合材料４６及びその金属化について説明する。
図２に示すように、実質的に金属成分からなる金属核５０と、Ｃ，Ｈ及び／またはＯを主成分とする有機物からなる結合・被覆層（有機物層）５２とからなる構造を持つ複合型金属ナノ粒子５４を作製する。このような複合型金属ナノ粒子５４は、金属核５０が有機化合物からなる結合・被覆層５２により覆われているので安定であり、しかも溶媒中において凝集する傾向が小さい。
【００２２】
この複合型金属ナノ粒子５４は、有機化合物と出発物質である金属塩、例えば炭酸塩、蟻酸塩または酢酸塩由来の金属成分から構成されており、その中心部が金属成分からなり、その周りを結合性有機化合物が取り囲んでいる。この時、有機化合物と金属成分とは、その一部または全部が化学的に結合した状態で一体化して存在しており、界面活性剤によりコーティングされることにより安定化された従来のナノ粒子と異なり、安定性が高いとともに、より高い金属濃度においても安定である。
【００２３】
複合型金属ナノ粒子５４の金属核５０の平均直径ｄは、１００ｎｍ程度以下、好ましくは２０ｎｍ程度以下、更に好ましくは５ｎｍ程度以下とする。また、結合・被覆層５２の高さｈは、例えば１．５ｎｍ程度である。この金属核５０の平均直径ｄの最小値は、可能な限り特に限定されないが、一般的には０．５ｎｍ程度、または１．０ｎｍ程度である。このように構成することにより、金属核５０を構成する金属粒子は前述の低温焼結を起こすことが可能となる。
【００２４】
この複合型金属ナノ粒子５４は、例えば非水系溶媒中でかつ結合性有機物の存在下で金属塩、例えば炭酸塩、蟻酸塩または酢酸塩をその分解還元温度以上でかつ結合性有機物の分解温度以下で加熱することによって製造することができる。
金属成分としてはＡｇ、ＡｕまたはＰｄが用いられ、結合性の有機物としては、例えば炭素数５以上の脂肪酸および炭素数８以上の高級アルコールが用いられる。
【００２５】
加熱温度は、金属塩、例えば炭酸塩、蟻酸塩または酢酸塩の分解還元温度以上でかつ結合性有機物の分解温度以下である、例えば酢酸銀の場合、分解開始温度が２００℃であるので、２００℃以上かつ上記の結合性有機物が分解しない温度に保持すればよい。この場合、結合性有機物が分解しにくいようにするために、加熱雰囲気は、不活性ガス雰囲気であることが好ましいが、非水溶媒の選択により、大気下においても加熱可能である。
【００２６】
また、加熱するに際し、各種アルコール類を添加することもでき、反応を促進することが可能になる。アルコール類は、上記効果が得られる限り特に制限されず、例えばラウリルアルコール、グリセリン、エチレングリコール等が挙げられる。アルコール類の添加量は、用いるアルコールの種類等に応じて適宜定めることができるが、通常は重量部として金属塩１００に対して５〜２０程度、好ましくは５〜１０とすれば良い。
加熱が終了した後、公知の精製法により精製を行う。精製法は例えば遠心分離、膜精製、溶媒抽出等により行えば良い。
【００２７】
そして、複合型金属ナノ粒子５４をトルエン、キシレン、ヘキサン、オクタン、デカン、シクロヘキサン、ピネンまたはリモネン等の所定の有機溶媒に分散させて接合材料を作製する。金属核５０の表面を有機物からなる結合・被覆層（有機物層）５２で被覆した構造を持つ複合型金属ナノ粒子５４は、この有機物層５２に金属核５０を保護する保護皮膜としての役割を果たさせることで、溶媒中に安定して分散し、しかも粒子としての高い性状安定性を有する。従って、低温で焼結・接合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子５４）を均一に分散させた液状の接合材料を得ることができる。
【００２８】
ここで、複合型金属ナノ粒子５４を、金属部分の全液体に対する重量比率が好ましくは１％以上、８５％以下となるように有機溶媒に分散させ、これに分散剤やゲル化剤を適宜添加して液状化することで、低温で焼結・接合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子５４）を均一に分散させた、加熱時に於ける所望の流動性を有する液状の接合材料を得ることができる。複合型金属ナノ粒子５４の金属部分の全液体に対する重量比率が８５％を超えると、液状の接合材料としての流動性が著しく低下するので、微細な隙間を液状の接合材料で充填するに際し、充填の不完全な部分を生じやすくなる。
【００２９】
更に、複合型金属ナノ粒子５４の金属部分の全液体に対する重量比率が１％以下では、接合材料に含まれる有機成分が多過ぎる結果、焼成時の脱ガスが不十分となって、接合層に欠陥を生じやすいので本比率を上記範囲に限定している。
【００３０】
複合型金属ナノ粒子５４を、金属部分の全流動体に対する重量比率が好ましくは１５〜９０％となるように有機溶媒に分散させ、これに分散剤やゲル化剤を適宜添加して液状化し、スラリー、ペーストまたはクリーム状に調整することで、低温で焼結・接合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子５４）を均一に分散させた、加熱時に於ける所望の流動性を有するスラリー、ペーストまたはクリーム状の接合材料を得ることができる。
【００３１】
複合型金属ナノ粒子５４を、金属部分の全接合材料に対する重量比率が、好ましくは２０〜９５％となるように有機溶媒に分散させ、これに分散剤やゲル化剤を適宜添加して液状化し、例えば棒状、紐状またはボール状等の各種形状に成形して固化させるか、またはゼリー状に半固化させることで、低温で焼結・接合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子５４）を均一に分散させた、加熱時に於ける所望の流動性を有する固化若しくは半固化した接合材料を得ることができる。
【００３２】
この時、必要に応じて、０．１μｍ程度の大きさの、例えば金属粉末、プラスチック粉末、金属・プラスチック以外の無機物粉末等のうち単独で、もしくはこれらを組合せた骨材を添加して、接合材料中に均一に分散させてもよい。このように、骨材を添加することで、複合型金属ナノ粒子単独の場合と異なり、各種の特性を加えることができる。上記骨材を添加する場合でも、全接合材料に対する金属部分の重量比率範囲は上記と同じ限定を踏襲する。
【００３３】
この骨材としては、例えばＡｌ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｕ，ＡｇまたはＰｄからなる金属粉末を使用することができる。このように、各種電気伝導性に優れた金属粉末を骨材として添加することで、安定した電気伝導性を確保することができる。
【００３４】
次に、複合型金属ナノ粒子５４として、その平均直径ｄが５ｎｍのクラスタ状の銀超微粒子からなる金属核５０を有する複合型銀ナノ粒子を用いた接合材料を使用して、配線板４２に半導体装置４０を接合（表面実装）する過程を説明する。先ず、複合型金属ナノ粒子（複合型銀ナノ粒子）５４をヘキサン等の溶媒に分散し、更に、骨材となる３０〜３００ｎｍの銀粒子を混合して印刷による仮固定が可能な、十分な粘度を持つクリーム状態に調整した接合材料を用意する。
【００３５】
そして、例えばスクリーン印刷法等によって、この接合材料４６を配線板４２の所定の位置（電極）に塗布し、この配線板４２に、リード４４を配列した半導体装置４０を位置決めして搭載する。この状態で、全体を加熱することによって、低温焼結を起こして、配線板４２上に半導体装置４０を接合・固定する。つまり、接合材料４６に含まれるトルエン等の溶媒を蒸発させ、更に接合材料４６の主成分である複合型金属ナノ粒子５４を、この結合・被覆層（有機物層）５２を金属核（銀超微粒子）５０から離脱させる温度まで加熱するか、或いは結合・被覆層５２自体の分解温度以上へ加熱することによって、金属核５０から結合・被覆層５２を離脱させるか、或いは結合・被覆層５２を分解して蒸散させる。これにより、金属核（銀超微粒子）５０同士を直接接触させ、焼結させて銀層を形成し、この銀層からなる接合層と半導体装置４０のリード４４及び配線板４２の電極とを直接接触させて凝着を起こさせ、この結果として、配線板４２の電極と半導体装置４０のリード４４とを銀層からなる接合層を介して接合させる。
【００３６】
平均直径ｄが５ｎｍの銀超微粒子を金属核とする接合素材を用いた場合、この加熱としては、３００℃×３ｍｉｎという条件で十分な接合が出来ることを確認している。このように、例えば３００℃程度の温度で低温焼成して配線板４２の電極と半導体装置４０のリード４４とを接合することで、従来のはんだ接合を代替出来る鉛不使用の接合ができる。
【００３７】
次に、図１に示す金属化装置を使用して、前述の金属化処理を行う場合について説明する。
先ず、入口通路１２のコンベア１８ｂ上に半導体装置４０と配線板４２とを有する被処理体Ｐを乗せ、ゲートバルブ１６ａを開いた状態でコンベア１８ａ，１８ｂを走行させて被処理体Ｐをホルダ２０上に搬送し、しかる後、ゲートバルブ１６ａを閉じる。そして、連続作動中のヒータ２６とファン２８によって、ホルダ２０上の被処理体Ｐに向けて熱風を吹付けて、接合材料４６を含む被処理体Ｐ全体を所定の温度に加熱・昇温させる。この時、真空ポンプ３０を作動させてチャンバ１０内を減圧・真空状態に保持し、同時に加振装置２２を作動させて、接合材料４６を含む被処理体Ｐ全体に振動エネルギを加える。
【００３８】
これにより、真空排気及び振動エネルギの助けを得て、昇温によって液状化した有機物から発生した蒸発気体や有機物の分解によって生じたガスは、周囲の拘束に打ち勝って活発に脱離し、チャンバ１０内の空間を経て真空ポンプ３０へと吸引・排気される。その結果、有機物の分解・蒸散はますます活発に起きることになる。真空ポンプ３０の動作によって、チャンバ１０内圧力は、大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）以下の適当な値、すなわち１×１０− ３Ｔｏｒｒ以上で７６０Ｔｏｒｒ未満の適切な値に保持され、ガスの離脱が促進される。
【００３９】
また、適切な振動エネルギ（周波数・振幅）の付与によって、半溶融・液体状態の有機物内部の物質移動が更に激しく生じるので、それによっても有機物の脱離は加速される。
【００４０】
そして、所定時間の金属化処理を行った後、真空ポンプ３０及び加振装置２２の作動を停止させ、ゲートバルブ１６ｂを開いた後、コンベア１８ａ，１８ｃを走行させて、処理後の被処理体Ｐを出口通路１４から次工程に搬送する。
【００４１】
なお、この例では、慣性力エネルギ付与装置としての加振装置２２と脱気装置３４とを備えた例を示しているが、どちらか一方を備えるようにしても良く、これにより、一定程度の脱ガス促進効果を得ることができる。また、慣性力エネルギ付与装置としては、加振装置２２の代わりに、接合材料に揺動エネルギを付与する装置や衝撃エネルギを付与する装置を使用してもよく、これらを複数台備えるようにしてもよい。
【００４２】
この金属化装置を用いて、複合型金属ナノ粒子を接合素材とした接合操作を行うことによって、例えば、▲１▼半導体のベアチップのインタポーザ等への取付けや、▲２▼半導体パッケージの配線板への取付け（実装）を実施することが可能となる。これによって、従来例における、高濃度のＰｂを含有するはんだ材料を使うことを余儀なくされるという束縛から解放される。
【００４３】
また、半導体の製造プロセスに限らず、一般の高温ろう材を使用するろう付構造物（例えば熱交換器や航空機部品等）の接合に於いても、この金属化装置を使うことで、遙かに低い温度で接合を完了できる。従って、通常高温に伴って、頻繁に生じる熱変形、熱歪や熱応力という不具合発生の心配が無い。また、一旦低温焼結による接合が完了すれば、接合材料に用いた金属の融点に達するまで、溶融は起こらないので都合が良い。
【００４４】
図３は、複合型銀ナノ粒子を接合素材とし、これに銀粉末を骨材として混合した接合材料を用い、図１に示す金属化装置を使用して、銅板を重合せ形式で接合したときのせん断接合強さと焼成時間との関係を調べた時の実測結果の一例を示す。
【００４５】
これにより、３００℃×１０ｍｉｎの加熱・保持による焼結を行えば、最大７１ｋｇｆ／ｃｍ２の接合強さが得られていることが判る。接合強度（例えば、杉下、「厚膜ペーストの評価法とは」（１９８５日刊工業新聞社）Ｐ．５４，５５ 及び福岡義孝、「はじめてのエレクトロニクス実装技術」（２０００．１工業調査会）Ｐ．８９〜９１等参照）の指標として、導体パッド上にはんだ接合したリード線の引張り接着強さの必要値１５０ｋｇｆ／ｃｍ２の１／２をせん断接合強さ必要値と仮定すると、上記焼結によって得られた接合強さは、半導体装置の引上げタイプのはんだ接合における必要せん断接合強さ７５ｋｇｆ／ｃｍ２に近い水準に達している。
【００４６】
また、例えば、半導体のベアチップのインタポーザ等への取付け等においては、従来のマイクロソルダリングによる手段に替えて、特に小型で薄形の配線板を製造するために最近多用されるものとして、常温圧接による接合がある。圧接の場合は、小型・薄形化が達成される反面、ベアチップ自体に一定量の接合荷重が負荷される結果、チップ内部の絶縁層に、荷重によるき裂や圧壊等の損傷を生じる恐れが指摘される。この不具合は、特に、絶縁層にＬｏｗ−ｋ材を使っている最近の高集積・多層チップでは、非常に深刻な問題を引起こしている。これは、通常のＬｏｗ−ｋ材の強度・剛性が従来の絶縁材に比べ著しく低いことに起因している。
【００４７】
このような用途に対しては、上記圧接法に替えて、前述の金属化装置を使用した金属化処理を行うことで、機械的な荷重負荷無しで、単なる加熱だけで接合を完了することができる。このため、接合後でも、特に材料がＬｏｗ−ｋ材の場合の絶縁層を健全なままに保持することができる。こうして実装工程で前述の金属化装置を使用した金属化処理を行うことで、小型・薄形化の要求に応えることができる。
【００４８】
図４は、本発明の金属化装置を組込んだ半導体パッケージの連続式実装システムの工程例を示す。すなわち、この例は、配線板に接合材料を印刷し、この配線板に半導体装置等の部品を搭載したものを金属化装置６０に搬送し、この金属化装置６０内で前述の金属化処理を施し、この金属化処理後の部品（半導体装置）を実装した配線板を洗浄するまでの工程を連続して行うようにしたものである。
なお、前述の金属化装置を使用した金属化処理を行うことで、実装以外の半導体配線形成や、造形型を利用した小物部品の製造を行うこともできる。
【００４９】
このように、本発明の金属化装置の応用範囲は、半導体装置の配線形成から実装・小物部品の製造に至る広い範囲にわたっている。これに伴って、必要となる金属焼結体の厚さも、０．１μｍ程度から数ｍｍ程度と大略数万倍のオーダで変動すると考えられる。
したがって、本発明の施工工程は必然的に、図４に示したものにとどまらず、▲１▼接合材料の供給、と▲２▼加熱・焼成、の基本プロセスを必要な回数だけ行い、その順序や繰返しの実行条件を状況に応じて変化することは当然である。
また、上記の背景、及び実用上必要とされる処理速度・容量との関係から金属化装置自体、いくつかの形態を取り得る。
例えば、図１のようなインライン式の装置と異なり、多くの処理対象物の金属化を同時に行うバッチ式金属化装置、或いは類似目的の処理室を放射状に配置したクラスタツール形式の金属化装置等種々の態様が考えられる。
【００５０】
図５（ａ）は、Ｓｉ基板に幅０．１５μｍの溝を、図５（ｂ）は、同じく０．４μｍの溝をそれぞれ設け、前述と同様に、金属化装置を使用して、複合型銀ナノ粒子を含む接合材料（充填材料）を金属化することによって、この溝の内部に銀層を埋込んだときの結果の一例を示す。従来、幅０．１５μｍ以下の溝内をめっき金属等で埋込み操作をしても、溝内部の埋込み部分に空洞を生じることがしばしば観察されたが、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、溝底部が十分に金属銀で充填されており、細溝の埋込みを効果的に行えることが判る。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のステップ式マイクロソルダリングに代替可能で、しかも鉛や錫の使用を全廃することによって、重金属汚染による環境負荷を解消できるようにした接合等を、接合材料を金属化することで容易かつ確実に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の金属化装置を示す概略図である。
【図２】本発明に使用される有機物による結合・被覆構造を持つ複合型金属ナノ粒子を模式的に示す図である。
【図３】複合型銀ナノ粒子を含み銀粉末を骨材として添加した接合材料を用い、図１に示す金属化装置を使用して、銅板を重合せ形式で接合した時のせん断接合強さと焼成時間との関係を示すグラフである。
【図４】金属化装置を組込んだ半導体パッケージの連続式実装システムの概要を示す図である。
【図５】（ａ）は、Ｓｉ基板に幅０．１５μｍの溝を、（ｂ）は、同じく０．４μｍの溝をそれぞれ設け、金属化装置を使用して、複合型銀ナノ粒子を含む接合材料（充填材料）を金属化することによって、この溝の内部に銀層を埋込んだ結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ チャンバ
１２ 入口通路
１４ 出口通路
１６ａ，１６ｂ ゲートバルブ
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ コンベア
２０ ホルダ
２２ 加振装置（慣性力エネルギ付与装置）
２６ ヒータ
２８ ファン
３０ 真空ポンプ
３２ 真空配管
３４ 脱気装置
３６ 圧力計
４０ 半導体装置
４２ 配線板
４４ リード
４６ 接合材料
５０ 金属核
５２ 結合・被覆層（有機物層）
５４ 複合型金属ナノ粒子
６０ 金属化装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体装置の実装工程において、半導体装置への駆動電力供給や電気信号の入出力のためのリードやピン、或いは構造上の突起（バンプ）等を配線板側に設けた電極等に、接合部材を金属化して接合する時に用いられる金属化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、電子部品や半導体装置等を構成するチップの表面に配列した電気接合用バンプと、配線板上のこれらの各バンプに対応する位置に設けた電極との電気的接合には、錫と鉛からなるはんだを用いたマイクロソルダリングが広く用いられている。具体的には、例えば、はんだペーストを配線板に印刷して、その上に所定の多数の部品（チップ）を配置して接合するようにした連続式の接合装置によって接合を行っている。
【０００３】
一方、前記はんだ接合によって製造した半導体装置を、更に他の部品と接合することによって組合せる製造形式、所謂ステップ接合の場合には、先行するはんだ接合で形成した接合部分が、それ以降のはんだ接合時の加熱・昇温によって再溶融して、損傷を受けることを回避する必要がある。このため、１回目のはんだ材料として、９５％Ｐｂ含有の高温はんだ（融点：３００℃程度）を用い、その後、２回目のはんだ材料として、融点の低い、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系のはんだ（融点：１８３℃程度）を用いることが一般に行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、地球環境保全の要求が極めて強まった結果、鉛の使用が厳しく制限されるようになっており、接合用のはんだ材料についても、これが通常４０％程度の鉛を含有することから、鉛の含有量が零のはんだ材料への転換を強く迫られる状況となっている。このため、通常の６０％Ｓｎ−４０％Ｐｂはんだの代替品としては、Ｓｎ−Ａｇ系のものが開発され、既に一部で使用されている。しかし、９５％Ｐｂからなる高温はんだの代替品実現は、その目途が全くたっていない状況にある。このため、前述のようなステップ接合を、鉛の含有量が零のはんだ材料を使用して実施することは、高温はんだ代替品入手不可の問題で暗礁に乗り上げた状況となっている。
【０００５】
また、熱交換器や航空機等の部品を接合によって製造する場合には、所謂ろう付が多用されている。このろう付法は、必然的に金属材料（ろう材）の融点以上までの加熱を伴うので、接合時の被接合部分の温度が４５０〜１０００℃と非常に高くなる。このように、最高１０００℃もの高温に曝されれば、一般的には、部材の広範囲な熱変形や大規模な熱応力・歪を生じることが不可避となる。このため、形状・寸法の精密さを要求される上記部品を、熱変形等の不都合を起こすことのない、比較的低温で確実に接合できるような手段の開発が強く望まれている。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、従来のステップ式マイクロソルダリングに代替可能で、しかも鉛や錫の使用を全廃することによって、重金属汚染による環境負荷を解消できるようにした接合等を、接合材料を金属化することで容易かつ確実に実現するための金属化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料の金属化を行う金属化装置であって、前記接合材料に慣性力エネルギを付与する慣性力エネルギ付与装置を有することを特徴とする金属化装置である。
【０００８】
このように、慣性力エネルギ付与装置を備え、接合材料の加熱による昇温中に接合材料に揺動、振動または衝撃等の慣性力エネルギを与えることで、分解・蒸散した有機物の被接合部からの排除を促進することができる。前述の振動を起こさせるための手段としては、超音波による加振操作を含んでいる。つまり、金属核を結合・被覆する有機物は、加熱による昇温で、固体から半溶融状態または液状に変化する過程を経て、通常の蒸発及び熱分解が生じ、最終的には水蒸気と二酸化炭素になると考えられる。そこで、少なくとも、昇温中の半溶融状または液状の有機物、更には有機物の分解によって発生したガスの蒸散・離脱を容易にする環境を実現することで、有機物の除去を完全なものとし、その後の焼結による健全な金属化を行うことができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記慣性力エネルギ付与装置は、前記接合材料に揺動エネルギを付与する装置、前記接合材料に振動エネルギを付与する装置または前記接合材料に衝撃エネルギを付与する装置の少なくとも１つの装置からなることを特徴とする請求項１記載の金属化装置である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料の金属化を行う金属化装置であって、前記接合材料を収納する密閉可能なチャンバと、前記チャンバ内を脱気する脱気装置を有することを特徴とする金属化装置である。
これにより、接合材料をチャンバ内に収納し、接合材料の加熱による昇温中にチャンバ内を脱気して減圧・真空状態に保持することで、被接合部からのガス（有機物）の離脱を著しく活発化することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、前記接合材料には、骨材が添加されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金属化装置である。例えば、平均粒子径が１００μｍ程度以下の大きさの骨材を添加することで、複合型金属ナノ粒子単独の場合と異なり、各種の特性を加えることが出来る。この骨材としては、例えば、金属、プラスチックまたは金属・プラスチック以外の無機物のうちのどれか１種又は複数を組合せたものが用いられる。この骨材の大きさは、より好ましくは０．１〜１．０μｍ程度である。この無機物には、例えば各種のセラミック、炭素、ダイヤモンドまたはガラスなどが含まれる。この骨材が金属の場合、その材質としては、例えばＡｌ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄのうちの１種又はそれらの複数の元素からなる粉末が挙げられる。このように各種の特性に優れた金属粉末を骨材として添加することによって、接合部の安定した強度・靱性等を確保したり、電気伝導性を改善したりすることが出来る。また骨材がプラスチックの場合は、接合部の軽量化の効果を得る。特に、耐熱性プラスチック粉末、例えばポリイミド、ポリアラミド、またはポリエーテルエーテルケトン粉末等を使用すると、接合時の加熱温度に曝されてもプラスチックとしての変質・劣化の度合いが少ないので都合が良い。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、前記有機物は、Ｃ，Ｈ及び／またはＯを主成分としたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属化装置である。有機物に、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）等のように、Ｃ，ＨまたはＯ以外の元素を含む場合、接合時の加熱によって有機物を分解・蒸散させる工程を実行しても、有機物中に含まれる、ＮまたはＳ成分が焼結金属中に残留することがある。
その結果、接合部の電気伝導性に悪影響を及ぼす場合がある。例えば、高密度実装部品のように動作時の電流密度が高い部分で、このような理由で導電率が低下することは由々しい問題を生じると考えられる。しかし、有機物をＣ，Ｈ及び／またはＯを主成分とすることで、このような弊害を回避することができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、前記複合型金属ナノ粒子は、その金属核の平均直径が１００ｎｍ程度以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金属化装置である。
【００１４】
複合型金属ナノ粒子の金属核の平均直径は、１００ｎｍ程度以下、好ましくは２０ｎｍ程度以下、更に好ましくは５ｎｍ程度以下である。この金属核の平均直径の最小値は、製造が可能な限り特に限定されないが、一般的には０．５ｎｍ程度、または１．０ｎｍ程度である。表１は、直径が５０ｎｍ程度以下の金属超微粒子（Ｆｅ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ）が焼結を開始する温度を示す（例えば、一ノ瀬昇、尾崎義治、賀集誠一郎、「超微粒子技術入門」（１９８８．７オーム社）Ｐ．２６〜２９参照）。
【表１】
表１に示すように、例えば直径２０ｎｍの銀粒子を用いれば、焼結は、６０〜８０℃と常温に極めて近い温度で起きる（低温焼結）。つまり、複合型金属ナノ粒子を低温焼成させると、複合型金属ナノ粒子の保護層（有機物）が分解し、同時に金属核同士が直接接触することによって、焼結が起こる結果、粒子の合体が生じ、遂にはバルクの金属に一体化される。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、前記接合材料は、基体の被覆や該基体に設けた微細な凹部内への金属の埋込み、部材の接合または小物部品の製造に使用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の金属化装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態の金属化装置を示す。この金属化装置は、密閉可能なチャンバ１０を備えており、このチャンバ１０に入口通路１２と出口通路１４が、ゲートバルブ１６ａ，１６ｂを介してそれぞれ開閉自在に接続されている。チャンバ１０、入口通路１２及び出口通路１４の内部には、コンベア１８ａ，１８ｂ，１８ｃが直線状に配置されている。
【００１８】
チャンバ１０の内部には、コンベア１８ａの搬送経路の内部に位置して、被処理体Ｐを載置保持するホルダ２０が配置され、このホルダ２０は、慣性力エネルギ付与装置としての上下動自在な加振装置２２の上端に連結されて上下動自在に構成されている。この加振装置２２は、可撓シール２４を介して気密的にシールされている。チャンバ１０の天井側内部には、ヒータ２６とファン２８が互いに近接した位置に配置され、これによって、ホルダ２０に載置保持された被処理体Ｐに向けて、熱風が吹きかけられるようになっている。更に、チャンバ１０には、真空ポンプ３０から延びる真空配管３２が接続されて、チャンバ１０内を減圧・真空状態に保持する脱気装置３４が構成され、この真空配管３２には、チャンバ１０内の圧力を計測する圧力計３６が設置されている。
【００１９】
この金属化装置は、金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料を金属化するためのものである。
【００２０】
ここでは、被処理体Ｐとして、例えば半導体パッケージとして多用されているＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）からなる半導体装置４０と配線板４２とを有し、半導体装置４０のリード４４と配線板４２の電極との間に接合材料４６を介在させ、この接合材料４６を金属化させることで、配線板４２上に半導体装置４０を実装するようにした例を示す。
【００２１】
先ず、この接合材料４６及びその金属化について説明する。
図２に示すように、実質的に金属成分からなる金属核５０と、Ｃ，Ｈ及び／またはＯを主成分とする有機物からなる結合・被覆層（有機物層）５２とからなる構造を持つ複合型金属ナノ粒子５４を作製する。このような複合型金属ナノ粒子５４は、金属核５０が有機化合物からなる結合・被覆層５２により覆われているので安定であり、しかも溶媒中において凝集する傾向が小さい。
【００２２】
この複合型金属ナノ粒子５４は、有機化合物と出発物質である金属塩、例えば炭酸塩、蟻酸塩または酢酸塩由来の金属成分から構成されており、その中心部が金属成分からなり、その周りを結合性有機化合物が取り囲んでいる。この時、有機化合物と金属成分とは、その一部または全部が化学的に結合した状態で一体化して存在しており、界面活性剤によりコーティングされることにより安定化された従来のナノ粒子と異なり、安定性が高いとともに、より高い金属濃度においても安定である。
【００２３】
複合型金属ナノ粒子５４の金属核５０の平均直径ｄは、１００ｎｍ程度以下、好ましくは２０ｎｍ程度以下、更に好ましくは５ｎｍ程度以下とする。また、結合・被覆層５２の高さｈは、例えば１．５ｎｍ程度である。この金属核５０の平均直径ｄの最小値は、可能な限り特に限定されないが、一般的には０．５ｎｍ程度、または１．０ｎｍ程度である。このように構成することにより、金属核５０を構成する金属粒子は前述の低温焼結を起こすことが可能となる。
【００２４】
この複合型金属ナノ粒子５４は、例えば非水系溶媒中でかつ結合性有機物の存在下で金属塩、例えば炭酸塩、蟻酸塩または酢酸塩をその分解還元温度以上でかつ結合性有機物の分解温度以下で加熱することによって製造することができる。
金属成分としてはＡｇ、ＡｕまたはＰｄが用いられ、結合性の有機物としては、例えば炭素数５以上の脂肪酸および炭素数８以上の高級アルコールが用いられる。
【００２５】
加熱温度は、金属塩、例えば炭酸塩、蟻酸塩または酢酸塩の分解還元温度以上でかつ結合性有機物の分解温度以下である、例えば酢酸銀の場合、分解開始温度が２００℃であるので、２００℃以上かつ上記の結合性有機物が分解しない温度に保持すればよい。この場合、結合性有機物が分解しにくいようにするために、加熱雰囲気は、不活性ガス雰囲気であることが好ましいが、非水溶媒の選択により、大気下においても加熱可能である。
【００２６】
また、加熱するに際し、各種アルコール類を添加することもでき、反応を促進することが可能になる。アルコール類は、上記効果が得られる限り特に制限されず、例えばラウリルアルコール、グリセリン、エチレングリコール等が挙げられる。アルコール類の添加量は、用いるアルコールの種類等に応じて適宜定めることができるが、通常は重量部として金属塩１００に対して５〜２０程度、好ましくは５〜１０とすれば良い。
加熱が終了した後、公知の精製法により精製を行う。精製法は例えば遠心分離、膜精製、溶媒抽出等により行えば良い。
【００２７】
そして、複合型金属ナノ粒子５４をトルエン、キシレン、ヘキサン、オクタン、デカン、シクロヘキサン、ピネンまたはリモネン等の所定の有機溶媒に分散させて接合材料を作製する。金属核５０の表面を有機物からなる結合・被覆層（有機物層）５２で被覆した構造を持つ複合型金属ナノ粒子５４は、この有機物層５２に金属核５０を保護する保護皮膜としての役割を果たさせることで、溶媒中に安定して分散し、しかも粒子としての高い性状安定性を有する。従って、低温で焼結・接合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子５４）を均一に分散させた液状の接合材料を得ることができる。
【００２８】
ここで、複合型金属ナノ粒子５４を、金属部分の全液体に対する重量比率が好ましくは１％以上、８５％以下となるように有機溶媒に分散させ、これに分散剤やゲル化剤を適宜添加して液状化することで、低温で焼結・接合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子５４）を均一に分散させた、加熱時に於ける所望の流動性を有する液状の接合材料を得ることができる。複合型金属ナノ粒子５４の金属部分の全液体に対する重量比率が８５％を超えると、液状の接合材料としての流動性が著しく低下するので、微細な隙間を液状の接合材料で充填するに際し、充填の不完全な部分を生じやすくなる。
【００２９】
更に、複合型金属ナノ粒子５４の金属部分の全液体に対する重量比率が１％以下では、接合材料に含まれる有機成分が多過ぎる結果、焼成時の脱ガスが不十分となって、接合層に欠陥を生じやすいので本比率を上記範囲に限定している。
【００３０】
複合型金属ナノ粒子５４を、金属部分の全流動体に対する重量比率が好ましくは１５〜９０％となるように有機溶媒に分散させ、これに分散剤やゲル化剤を適宜添加して液状化し、スラリー、ペーストまたはクリーム状に調整することで、低温で焼結・接合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子５４）を均一に分散させた、加熱時に於ける所望の流動性を有するスラリー、ペーストまたはクリーム状の接合材料を得ることができる。
【００３１】
複合型金属ナノ粒子５４を、金属部分の全接合材料に対する重量比率が、好ましくは２０〜９５％となるように有機溶媒に分散させ、これに分散剤やゲル化剤を適宜添加して液状化し、例えば棒状、紐状またはボール状等の各種形状に成形して固化させるか、またはゼリー状に半固化させることで、低温で焼結・接合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子５４）を均一に分散させた、加熱時に於ける所望の流動性を有する固化若しくは半固化した接合材料を得ることができる。
【００３２】
この時、必要に応じて、０．１μｍ程度の大きさの、例えば金属粉末、プラスチック粉末、金属・プラスチック以外の無機物粉末等のうち単独で、もしくはこれらを組合せた骨材を添加して、接合材料中に均一に分散させてもよい。このように、骨材を添加することで、複合型金属ナノ粒子単独の場合と異なり、各種の特性を加えることができる。上記骨材を添加する場合でも、全接合材料に対する金属部分の重量比率範囲は上記と同じ限定を踏襲する。
【００３３】
この骨材としては、例えばＡｌ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｕ，ＡｇまたはＰｄからなる金属粉末を使用することができる。このように、各種電気伝導性に優れた金属粉末を骨材として添加することで、安定した電気伝導性を確保することができる。
【００３４】
次に、複合型金属ナノ粒子５４として、その平均直径ｄが５ｎｍのクラスタ状の銀超微粒子からなる金属核５０を有する複合型銀ナノ粒子を用いた接合材料を使用して、配線板４２に半導体装置４０を接合（表面実装）する過程を説明する。先ず、複合型金属ナノ粒子（複合型銀ナノ粒子）５４をヘキサン等の溶媒に分散し、更に、骨材となる３０〜３００ｎｍの銀粒子を混合して印刷による仮固定が可能な、十分な粘度を持つクリーム状態に調整した接合材料を用意する。
【００３５】
そして、例えばスクリーン印刷法等によって、この接合材料４６を配線板４２の所定の位置（電極）に塗布し、この配線板４２に、リード４４を配列した半導体装置４０を位置決めして搭載する。この状態で、全体を加熱することによって、低温焼結を起こして、配線板４２上に半導体装置４０を接合・固定する。つまり、接合材料４６に含まれるトルエン等の溶媒を蒸発させ、更に接合材料４６の主成分である複合型金属ナノ粒子５４を、この結合・被覆層（有機物層）５２を金属核（銀超微粒子）５０から離脱させる温度まで加熱するか、或いは結合・被覆層５２自体の分解温度以上へ加熱することによって、金属核５０から結合・被覆層５２を離脱させるか、或いは結合・被覆層５２を分解して蒸散させる。これにより、金属核（銀超微粒子）５０同士を直接接触させ、焼結させて銀層を形成し、この銀層からなる接合層と半導体装置４０のリード４４及び配線板４２の電極とを直接接触させて凝着を起こさせ、この結果として、配線板４２の電極と半導体装置４０のリード４４とを銀層からなる接合層を介して接合させる。
【００３６】
平均直径ｄが５ｎｍの銀超微粒子を金属核とする接合素材を用いた場合、この加熱としては、３００℃×３ｍｉｎという条件で十分な接合が出来ることを確認している。このように、例えば３００℃程度の温度で低温焼成して配線板４２の電極と半導体装置４０のリード４４とを接合することで、従来のはんだ接合を代替出来る鉛不使用の接合ができる。
【００３７】
次に、図１に示す金属化装置を使用して、前述の金属化処理を行う場合について説明する。
先ず、入口通路１２のコンベア１８ｂ上に半導体装置４０と配線板４２とを有する被処理体Ｐを乗せ、ゲートバルブ１６ａを開いた状態でコンベア１８ａ，１８ｂを走行させて被処理体Ｐをホルダ２０上に搬送し、しかる後、ゲートバルブ１６ａを閉じる。そして、連続作動中のヒータ２６とファン２８によって、ホルダ２０上の被処理体Ｐに向けて熱風を吹付けて、接合材料４６を含む被処理体Ｐ全体を所定の温度に加熱・昇温させる。この時、真空ポンプ３０を作動させてチャンバ１０内を減圧・真空状態に保持し、同時に加振装置２２を作動させて、接合材料４６を含む被処理体Ｐ全体に振動エネルギを加える。
【００３８】
これにより、真空排気及び振動エネルギの助けを得て、昇温によって液状化した有機物から発生した蒸発気体や有機物の分解によって生じたガスは、周囲の拘束に打ち勝って活発に脱離し、チャンバ１０内の空間を経て真空ポンプ３０へと吸引・排気される。その結果、有機物の分解・蒸散はますます活発に起きることになる。真空ポンプ３０の動作によって、チャンバ１０内圧力は、大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）以下の適当な値、すなわち１×１０− ３Ｔｏｒｒ以上で７６０Ｔｏｒｒ未満の適切な値に保持され、ガスの離脱が促進される。
【００３９】
また、適切な振動エネルギ（周波数・振幅）の付与によって、半溶融・液体状態の有機物内部の物質移動が更に激しく生じるので、それによっても有機物の脱離は加速される。
【００４０】
そして、所定時間の金属化処理を行った後、真空ポンプ３０及び加振装置２２の作動を停止させ、ゲートバルブ１６ｂを開いた後、コンベア１８ａ，１８ｃを走行させて、処理後の被処理体Ｐを出口通路１４から次工程に搬送する。
【００４１】
なお、この例では、慣性力エネルギ付与装置としての加振装置２２と脱気装置３４とを備えた例を示しているが、どちらか一方を備えるようにしても良く、これにより、一定程度の脱ガス促進効果を得ることができる。また、慣性力エネルギ付与装置としては、加振装置２２の代わりに、接合材料に揺動エネルギを付与する装置や衝撃エネルギを付与する装置を使用してもよく、これらを複数台備えるようにしてもよい。
【００４２】
この金属化装置を用いて、複合型金属ナノ粒子を接合素材とした接合操作を行うことによって、例えば、▲１▼半導体のベアチップのインタポーザ等への取付けや、▲２▼半導体パッケージの配線板への取付け（実装）を実施することが可能となる。これによって、従来例における、高濃度のＰｂを含有するはんだ材料を使うことを余儀なくされるという束縛から解放される。
【００４３】
また、半導体の製造プロセスに限らず、一般の高温ろう材を使用するろう付構造物（例えば熱交換器や航空機部品等）の接合に於いても、この金属化装置を使うことで、遙かに低い温度で接合を完了できる。従って、通常高温に伴って、頻繁に生じる熱変形、熱歪や熱応力という不具合発生の心配が無い。また、一旦低温焼結による接合が完了すれば、接合材料に用いた金属の融点に達するまで、溶融は起こらないので都合が良い。
【００４４】
図３は、複合型銀ナノ粒子を接合素材とし、これに銀粉末を骨材として混合した接合材料を用い、図１に示す金属化装置を使用して、銅板を重合せ形式で接合したときのせん断接合強さと焼成時間との関係を調べた時の実測結果の一例を示す。
【００４５】
これにより、３００℃×１０ｍｉｎの加熱・保持による焼結を行えば、最大７１ｋｇｆ／ｃｍ２の接合強さが得られていることが判る。接合強度（例えば、杉下、「厚膜ペーストの評価法とは」（１９８５日刊工業新聞社）Ｐ．５４，５５ 及び福岡義孝、「はじめてのエレクトロニクス実装技術」（２０００．１工業調査会）Ｐ．８９〜９１等参照）の指標として、導体パッド上にはんだ接合したリード線の引張り接着強さの必要値１５０ｋｇｆ／ｃｍ２の１／２をせん断接合強さ必要値と仮定すると、上記焼結によって得られた接合強さは、半導体装置の引上げタイプのはんだ接合における必要せん断接合強さ７５ｋｇｆ／ｃｍ２に近い水準に達している。
【００４６】
また、例えば、半導体のベアチップのインタポーザ等への取付け等においては、従来のマイクロソルダリングによる手段に替えて、特に小型で薄形の配線板を製造するために最近多用されるものとして、常温圧接による接合がある。圧接の場合は、小型・薄形化が達成される反面、ベアチップ自体に一定量の接合荷重が負荷される結果、チップ内部の絶縁層に、荷重によるき裂や圧壊等の損傷を生じる恐れが指摘される。この不具合は、特に、絶縁層にＬｏｗ−ｋ材を使っている最近の高集積・多層チップでは、非常に深刻な問題を引起こしている。これは、通常のＬｏｗ−ｋ材の強度・剛性が従来の絶縁材に比べ著しく低いことに起因している。
【００４７】
このような用途に対しては、上記圧接法に替えて、前述の金属化装置を使用した金属化処理を行うことで、機械的な荷重負荷無しで、単なる加熱だけで接合を完了することができる。このため、接合後でも、特に材料がＬｏｗ−ｋ材の場合の絶縁層を健全なままに保持することができる。こうして実装工程で前述の金属化装置を使用した金属化処理を行うことで、小型・薄形化の要求に応えることができる。
【００４８】
図４は、本発明の金属化装置を組込んだ半導体パッケージの連続式実装システムの工程例を示す。すなわち、この例は、配線板に接合材料を印刷し、この配線板に半導体装置等の部品を搭載したものを金属化装置６０に搬送し、この金属化装置６０内で前述の金属化処理を施し、この金属化処理後の部品（半導体装置）を実装した配線板を洗浄するまでの工程を連続して行うようにしたものである。
なお、前述の金属化装置を使用した金属化処理を行うことで、実装以外の半導体配線形成や、造形型を利用した小物部品の製造を行うこともできる。
【００４９】
このように、本発明の金属化装置の応用範囲は、半導体装置の配線形成から実装・小物部品の製造に至る広い範囲にわたっている。これに伴って、必要となる金属焼結体の厚さも、０．１μｍ程度から数ｍｍ程度と大略数万倍のオーダで変動すると考えられる。
したがって、本発明の施工工程は必然的に、図４に示したものにとどまらず、▲１▼接合材料の供給、と▲２▼加熱・焼成、の基本プロセスを必要な回数だけ行い、その順序や繰返しの実行条件を状況に応じて変化することは当然である。
また、上記の背景、及び実用上必要とされる処理速度・容量との関係から金属化装置自体、いくつかの形態を取り得る。
例えば、図１のようなインライン式の装置と異なり、多くの処理対象物の金属化を同時に行うバッチ式金属化装置、或いは類似目的の処理室を放射状に配置したクラスタツール形式の金属化装置等種々の態様が考えられる。
【００５０】
図５（ａ）は、Ｓｉ基板に幅０．１５μｍの溝を、図５（ｂ）は、同じく０．４μｍの溝をそれぞれ設け、前述と同様に、金属化装置を使用して、複合型銀ナノ粒子を含む接合材料（充填材料）を金属化することによって、この溝の内部に銀層を埋込んだときの結果の一例を示す。従来、幅０．１５μｍ以下の溝内をめっき金属等で埋込み操作をしても、溝内部の埋込み部分に空洞を生じることがしばしば観察されたが、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、溝底部が十分に金属銀で充填されており、細溝の埋込みを効果的に行えることが判る。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のステップ式マイクロソルダリングに代替可能で、しかも鉛や錫の使用を全廃することによって、重金属汚染による環境負荷を解消できるようにした接合等を、接合材料を金属化することで容易かつ確実に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の金属化装置を示す概略図である。
【図２】本発明に使用される有機物による結合・被覆構造を持つ複合型金属ナノ粒子を模式的に示す図である。
【図３】複合型銀ナノ粒子を含み銀粉末を骨材として添加した接合材料を用い、図１に示す金属化装置を使用して、銅板を重合せ形式で接合した時のせん断接合強さと焼成時間との関係を示すグラフである。
【図４】金属化装置を組込んだ半導体パッケージの連続式実装システムの概要を示す図である。
【図５】（ａ）は、Ｓｉ基板に幅０．１５μｍの溝を、（ｂ）は、同じく０．４μｍの溝をそれぞれ設け、金属化装置を使用して、複合型銀ナノ粒子を含む接合材料（充填材料）を金属化することによって、この溝の内部に銀層を埋込んだ結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ チャンバ
１２ 入口通路
１４ 出口通路
１６ａ，１６ｂ ゲートバルブ
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ コンベア
２０ ホルダ
２２ 加振装置（慣性力エネルギ付与装置）
２６ ヒータ
２８ ファン
３０ 真空ポンプ
３２ 真空配管
３４ 脱気装置
３６ 圧力計
４０ 半導体装置
４２ 配線板
４４ リード
４６ 接合材料
５０ 金属核
５２ 結合・被覆層（有機物層）
５４ 複合型金属ナノ粒子
６０ 金属化装置
Claims (7)
- 金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料の金属化を行う金属化装置であって、
前記接合材料に慣性力エネルギを付与する慣性力エネルギ付与装置を有することを特徴とする金属化装置。 - 前記慣性力エネルギ付与装置は、前記接合材料に揺動エネルギを付与する装置、前記接合材料に振動エネルギを付与する装置または前記接合材料に衝撃エネルギを付与する装置の少なくとも１つの装置からなることを特徴とする請求項１記載の金属化装置。
- 金属粒子からなる金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成された複合型金属ナノ粒子を溶媒中に分散した接合材料を加熱・焼成し、有機物を分解・蒸散すると共に金属粒子の焼結を起こすことによって前記接合材料の金属化を行う金属化装置であって、
前記接合材料を収納する密閉可能なチャンバと、
前記チャンバ内を脱気する脱気装置を有することを特徴とする金属化装置。 - 前記接合材料には、骨材が添加されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金属化装置。
- 前記有機物は、Ｃ，Ｈ及び／またはＯを主成分としたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属化装置。
- 前記複合型金属ナノ粒子は、その金属核の平均直径が１００ｎｍ程度以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金属化装置。
- 前記接合材料は、基体の被覆や該基体に設けた微細な凹部内への金属の埋込み、部材の接合または小物部品の製造に使用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の金属化装置。
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