JP2006068765A - Joint and joining method - Google Patents

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仁弘 忠内
Toshihide Takahashi
利英 高橋
Kazutaka Matsumoto
一高 松本
Izuru Komatsu
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joint and a joining method capable of providing a reliable joint in which physical damages such as cracks and breakage at joining parts attributable to the temperature change of the joint less occur. <P>SOLUTION: In this joint, a joining layer 3 between a first joining material 1 and a second joining material 2 has a metal particle containing layer 6 which includes a plurality of metal particles 9, tin or tin alloy 10 present between the plurality of metal particles 9, and a film 11, and is present on the first joining material 1 side, a tin-containing layer 5 which uses tin or tin alloy containing ≥50 wt.% tin, and is present on the second joining material side, and first and second joining boundary layers 7, 8. Stresses generated in the joined portion can be mitigated thereby. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、特に電子機器の部品の接合に好適に用いられ、同種又は異種の材料同士の接合体及びその接合方法に関する。   The present invention is particularly suitable for joining electronic device components, and relates to a joined body of the same or different materials and a joining method thereof.

ある物体とその物体よりも融点が低い物質を用いた接合技術としてのはんだ接合は、古くから使用されており、電子機器の接合においても、マイクロプロセッサ、メモリ、抵抗、及びコンデンサなどの半導体素子や電子部品と実装基板との接合をはじめとして幅広く用いられている。はんだ接合は、部品を基板に固定するだけでなく、導電性を有する金属をはんだに含有させることにより電気的接合も兼ね備えている点に特長を有する。   Solder bonding as a bonding technique using an object and a material having a melting point lower than that of the object has been used for a long time. Even in the bonding of electronic devices, semiconductor elements such as microprocessors, memories, resistors, and capacitors, Widely used for joining electronic components and mounting boards. Solder bonding is characterized by not only fixing a component to a substrate but also having electric bonding by adding a conductive metal to the solder.

今日、パーソナルコンピュータ、携帯電話などに代表されるパーソナル機器の急激な普及が進むにつれ、電子部品の実装技術における接合材や接合方法の選択はますますその重要性が増大している。   Today, with the rapid spread of personal devices such as personal computers and mobile phones, the selection of bonding materials and bonding methods in the mounting technology of electronic components has become increasingly important.

従来、最も多く用いられているはんだは、錫・鉛系共晶はんだであった。この錫・鉛系共晶はんだは実用に極めて適している。しかし、錫・鉛系共晶はんだに含まれる鉛は、人体に対し有害であることが知られるようになり、錫・鉛系共晶はんだに代わる、鉛を含まない、いわゆる非鉛系はんだの開発が急務とされている。   Conventionally, the most frequently used solder has been a tin / lead eutectic solder. This tin-lead eutectic solder is extremely suitable for practical use. However, the lead contained in tin-lead eutectic solder has become known to be harmful to the human body. Development is urgently needed.

このような状況の中、現在、半導体デバイスの中で例えばパワーデバイスにおいて用いられている接合材には、主に融点が約183℃の低融点はんだ(Pb−Sn共晶はんだ)と、融点が約300℃の高融点はんだ(Pb−5Snはんだ)が用いられ、それぞれ工程に応じて使い分けられている。   Under such circumstances, the bonding materials currently used in, for example, power devices among semiconductor devices are mainly low melting point solder having a melting point of about 183 ° C. (Pb—Sn eutectic solder) and melting point. A high melting point solder (Pb-5Sn solder) having a temperature of about 300 ° C. is used.

このうち低融点はんだはパワーデバイスの熱を効率よく外部へ逃すために設けられている主に銅あるいは銅合金を加工したヒートシンクと、半導体素子を搭載した前記セラミック基板との間に挟みこまれる接合材として用いられ、加熱溶融後にセラミック基板をヒートシンク上に固定する機能を担っている。   Of these, low melting point solder is a joint that is sandwiched between a heat sink that is mainly processed from copper or copper alloy, which is provided to efficiently dissipate heat from the power device, and the ceramic substrate on which the semiconductor element is mounted. It is used as a material and has a function of fixing the ceramic substrate on the heat sink after heating and melting.

しかしながらこのようなヒートシンクを有していてもパワートランジスタ等のようなパワーデバイスは、高電圧、高電流の負荷により大きな発熱を生じ、デバイス・装置の作動・停止によって昇温・降温が繰り返される。また、デバイスの製造時に200℃を越える加熱工程を経なければならない。   However, even with such a heat sink, a power device such as a power transistor or the like generates a large amount of heat due to a high voltage, high current load, and the temperature rise / fall is repeated by the operation / stop of the device / apparatus. In addition, a heating process exceeding 200 ° C. must be performed when manufacturing the device.

一方、パワーデバイスの半導体素子を直接搭載するセラミック基板はデバイス全体の強度を保つためにアルミニウムあるいは珪素の酸化物や窒化物が用いられ、ヒートシンク側との線膨張率が大きく異なり、2〜10倍近い差が生じる(例えば、AlNは4×10−6/Kに対してCuは17.7×10−6/K)。 On the other hand, the ceramic substrate on which the semiconductor element of the power device is directly mounted uses aluminum or silicon oxide or nitride to maintain the strength of the entire device, and the linear expansion coefficient differs greatly from the heat sink side. A close difference occurs (for example, AlN is 4 × 10 −6 / K, while Cu is 17.7 × 10 −6 / K).

このため、デバイスの昇温・降温が繰り返された場合や、デバイスの製造時における加熱工程においては、材料の線膨張率の違いによって熱応力が発生してデバイス・装置中の部品接合部に歪を生じる。また、昇温が激しい場合には接合部を構成する接合材が溶融する。このような温度変化に起因する歪や溶融により接合部にクラック、破断等の物理的損傷ができるとデバイスの性能が劣化するという問題点があった。   For this reason, when the temperature of the device is repeatedly raised and lowered, or in the heating process during device manufacture, thermal stress occurs due to the difference in the coefficient of linear expansion of the material, causing distortion at the part joint in the device / equipment. Produce. Further, when the temperature rises severely, the bonding material constituting the bonded portion is melted. When physical damage such as cracks and fractures occurs in the joint due to strain and melting caused by such temperature change, there is a problem that the performance of the device deteriorates.

従来用いられたSn−Pb共晶はんだは常温から125℃までの優れた延性特性を有しており、はんだを加熱溶融しヒートシンクとセラミック板とを接合した後、冷却工程でヒートシンクとセラミック板との収縮差が大きくなっても変形能により追随できることから、その後のデバイスの使用による温度変化があっても接合部でのクラックの発生は少なくパワー半導体デバイスの信頼性確保に適した接合材であった。しかしながら先に述べたようにはんだの無鉛化が求められている状況にあっては、Sn−Pb共晶はんだに代わる接合材が必要とされる。   Conventionally used Sn—Pb eutectic solder has excellent ductility characteristics from room temperature to 125 ° C., the solder is heated and melted, the heat sink and the ceramic plate are joined, and then the heat sink and the ceramic plate are bonded in the cooling process. Therefore, even if there is a large difference in shrinkage, the deformability can follow, so even if there is a change in temperature due to subsequent use of the device, there is little cracking at the joint and it is a bonding material suitable for ensuring the reliability of power semiconductor devices. It was. However, as described above, in a situation where lead-free solder is required, a bonding material in place of Sn—Pb eutectic solder is required.

電子部品のプリント配線板への実装用代替はんだとしてSn−3Ag−0.5Cu組成、Sn−3Ag−1Bi−3In組成、Sn−3Ag−1Bi組成、あるいは非特許文献1に示されるようにZnベース合金などが提唱されているものの、これらのはんだの引っ張り強度はPb−Sn共晶はんだ以上の値を示すが破断伸びは低くなる傾向にあることから、熱による収縮率差が大きい材料同士を接合する接合材としては変形能が少なく、接合部でクラックが生じパワーデバイスの信頼性の確保ができない恐れがある。   Sn-3Ag-0.5Cu composition, Sn-3Ag-1Bi-3In composition, Sn-3Ag-1Bi composition, or Zn base as shown in Non-Patent Document 1 as an alternative solder for mounting electronic components on printed wiring boards Although alloys and the like have been proposed, the tensile strength of these solders is higher than that of Pb-Sn eutectic solder, but the elongation at break tends to be low. As the bonding material to be used, the deformability is small, and there is a risk that cracks may occur in the bonded portion and the reliability of the power device cannot be ensured.

「Zn−Al系鉛フリーはんだでダイアタッチした場合に発生するチップ割れ現象を防止する条件について」 住友金属鉱山(株)電子事業本部技術センター 清水寿一、石川治男 6th Symposium on “Microjoining and Assembly in Electronics” February 3-4,2000, Yokohama“Conditions to prevent chip cracking when die-attached with Zn-Al-based lead-free solder” Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. Electronic Business Division Technical Center Toshikazu Shimizu, Haruo Ishikawa 6th Symposium on “Microjoining and Assembly in Electronics ”February 3-4,2000, Yokohama

本発明は、接合体の温度変化に起因して発生する、接合部におけるクラックや破断などの物理的損傷の発生が少なく信頼性の高い接合体を提供することが可能な接合体、及び接合方法を提供することを目的とするものである。   The present invention provides a bonded body capable of providing a highly reliable bonded body with little occurrence of physical damage such as cracks and fractures in a bonded portion caused by a temperature change of the bonded body, and a bonding method. Is intended to provide.

本発明は、少なくとも被接合面が金属材料である第1被接合材と、
少なくとも被接合面が金属材料であり、前記第1被接合材以上の熱膨張率を有する第2被接合材と、
前記第1被接合材と前記第2被接合材とを接合する接合層とを備え、
前記接合層は、
融点が300℃以上であって錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子、前記複数の金属粒子間に存在する錫又は錫を50重量%以上含有する錫合金、および前記錫又は錫合金と前記金属粒子との間に介在し、錫と前記金属粒子構成元素とを含む化合物もしくは固溶体被膜を備え前記第1被接合材側に存在する金属粒子含有層と、
錫または錫を50重量%以上含有する錫合金を用い前記第2被接合材側に存在する錫含有層と、
前記第1被接合材と前記金属粒子含有層との間に介在する、錫と前記第1被接合材構成元素とを含む第1の接合界面層と、
前記第2被接合材と前記錫含有層との間に介在する、錫と第2被接合材構成元素とを含む第2の接合界面層と、
を備えることを特徴とする接合体である。
The present invention comprises a first material to be bonded, at least a surface to be bonded is a metal material,
A second bonded material having at least a bonded surface made of a metal material and having a thermal expansion coefficient equal to or higher than that of the first bonded material;
A bonding layer for bonding the first bonded material and the second bonded material;
The bonding layer is
A plurality of metal particles made of a metal material having a melting point of 300 ° C. or higher and capable of forming a eutectic composition or a solid solution with tin, a tin alloy existing between the metal particles and a tin alloy containing 50% by weight or more, and A metal particle-containing layer present between the tin or the tin alloy and the metal particles, and comprising a compound or solid solution coating containing tin and the metal particle constituent elements, and present on the first bonded material side;
A tin-containing layer present on the second bonded material side using tin or a tin alloy containing 50 wt% or more of tin;
A first bonding interface layer including tin and the first bonded material constituting element, interposed between the first bonded material and the metal particle-containing layer;
A second bonding interface layer containing tin and a second bonded material constituent element, interposed between the second bonded material and the tin-containing layer;
It is a joined body characterized by comprising.

また、本発明は、少なくとも被接合面が金属材料である第1被接合材表面に、融点が300℃以上であって錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子を含有する金属粒子層、前記金属粒子層表面に錫または錫を50重量%以上含有する錫合金を用いた錫含有層、少なくとも被接合面が金属材料であり、前記第1被接合材の熱膨張率以上の熱膨張率を有する第2被接合材が配置されるよう、前記第1被接合材、前記金属粒子層、前記錫含有層、及び前記第2被接合材を積層し積層体を形成する工程と、前記積層体を加熱して前記第1被接合材と前記第2被接合材とを接合する工程とを備えることを特徴とする接合方法である。   The present invention also provides a plurality of metal particles made of a metal material having a melting point of 300 ° C. or higher and capable of forming a eutectic composition or a solid solution with tin at least on the surface of the first material to be bonded whose surface to be bonded is a metal material. A metal particle layer containing, a tin-containing layer using a tin alloy containing 50 wt% or more of tin or tin on the surface of the metal particle layer, at least a surface to be bonded is a metal material, and thermal expansion of the first material to be bonded The first bonded material, the metal particle layer, the tin-containing layer, and the second bonded material are stacked so that a second bonded material having a thermal expansion coefficient equal to or greater than the rate is disposed to form a laminate. And a step of heating the laminated body to join the first material to be joined and the second material to be joined.

前記金属粒子は表面に凹凸を有する粒子であることが望ましい。   The metal particles are preferably particles having irregularities on the surface.

本発明に係る接合体によれば、高い濃度の鉛を含有する接合材を用いずとも、接合体の温度変化に起因して発生するクラックや破断などの物理的損傷の発生が少なく信頼性の高い接合体を提供することが可能となる。   According to the joined body according to the present invention, there is little occurrence of physical damage such as cracks and fractures caused by temperature changes of the joined body without using a joining material containing a high concentration of lead, which is reliable. A high bonded body can be provided.

まず、本実施形態に係る接合体について説明する。   First, the joined body according to the present embodiment will be described.

図1は本実施形態に係る接合体の断面概略図である。この接合体4では、第1接合材1が、第2接合材2に接合層3を介して接合されている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a joined body according to this embodiment. In this bonded body 4, the first bonding material 1 is bonded to the second bonding material 2 via the bonding layer 3.

第1被接合材1、第2被接合材2は、少なくとも被接合面に金属材料を有するものであり、金属材料のみからなるものでも、セラミック等の母材表面を金属材料でメタライズしたものであってもよい。金属材料は、単一金属元素でも、複数の金属元素を含有する合金でも良い。   The first material to be bonded 1 and the second material to be bonded 2 have metal materials on at least the surfaces to be bonded, and even those made only of metal materials are metallized surfaces of base materials such as ceramics with metal materials. There may be. The metal material may be a single metal element or an alloy containing a plurality of metal elements.

第1被接合材及び第2被接合材の母材は、互いに同じ材料であっても異なる材料であっても良いが、熱膨張率が異なる場合に本発明は特に効果的である。   The base materials of the first material to be joined and the second material to be joined may be the same material or different materials, but the present invention is particularly effective when the coefficients of thermal expansion are different.

第1被接合材に比べて第2被接合材2の熱膨張率が高い材料である場合について、共に金属よりなる第1被接合材1及び第2被接合材2を接合する接合層3の断面微細構造について説明する。   About the case where it is a material with a high thermal expansion coefficient of the 2nd to-be-joined material 2 compared with a 1st to-be-joined material, the joining layer 3 which joins the 1st to-be-joined material 1 and the 2nd to-be-joined material 2 which both consist of a metal. The cross-sectional microstructure will be described.

図2に接合体4の接合層3の一例を示す断面概略図を図2に示す。図2に示されるように、接合層3は、接合体4の第1、2被接合材1、2間に存在し前記第1、2被接合材1、2を接合する。接合層3は、第2被接合材2側に存在する錫含有層5と、第1被接合材1側に存在する金属粒子含有層6と、第2被接合材2と錫含有層5との間に介在する第2の接合界面層7と、第1被接合材1と金属粒子含有層6との間に介在する第1の接合界面層8とが存在する。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the bonding layer 3 of the bonded body 4 in FIG. As shown in FIG. 2, the bonding layer 3 exists between the first and second bonded materials 1 and 2 of the bonded body 4 and bonds the first and second bonded materials 1 and 2. The bonding layer 3 includes a tin-containing layer 5 present on the second bonded material 2 side, a metal particle-containing layer 6 present on the first bonded material 1 side, a second bonded material 2 and a tin-containing layer 5. And a first bonding interface layer 8 interposed between the first material to be bonded 1 and the metal particle-containing layer 6.

錫含有層5は錫または錫を50重量%以上含有する錫合金から構成される層である。   The tin-containing layer 5 is a layer composed of tin or a tin alloy containing 50 wt% or more of tin.

金属粒子含有層6には、複数の金属粒子9と、この複数の金属粒子9間に存在する錫又は錫を50重量%以上含有する錫合金10と、錫または錫合金10と金属粒子9との間に介在する被膜11とが存在する。   The metal particle-containing layer 6 includes a plurality of metal particles 9, a tin alloy 10 containing 50% by weight or more of tin or tin existing between the plurality of metal particles 9, a tin or tin alloy 10, and metal particles 9. And a coating 11 interposed between the two.

第2の接合界面層7は少なくとも錫と第2被接合材2の構成元素との間の化合物もしくは固溶体から構成される層である。   The second bonding interface layer 7 is a layer composed of a compound or a solid solution at least between tin and a constituent element of the second bonded material 2.

第1の接合界面層8は少なくとも錫と第1被接合材1の構成元素との間の化合物もしくは固溶体から構成される層である。   The first bonding interface layer 8 is a layer formed of at least a compound or solid solution between tin and the constituent elements of the first bonded material 1.

金属粒子9は300℃以上の融点を有しかつ錫と共晶組成もしくは固溶体を作り得る金属または合金である金属材料を用いた粒子である。被膜11は、金属粒子9の構成元素と、錫または錫合金10との間の化合物または固溶体から構成される被膜である。また、複数の金属粒子9間には、錫又は錫を50重量%以上含有する錫合金が存在する。   The metal particles 9 are particles using a metal material that has a melting point of 300 ° C. or higher and is a metal or alloy that can form a eutectic composition or a solid solution with tin. The coating 11 is a coating composed of a compound or solid solution between the constituent elements of the metal particles 9 and tin or the tin alloy 10. Further, between the plurality of metal particles 9, tin or a tin alloy containing 50 wt% or more of tin exists.

このように接合層3においては、錫含有層5と金属粒子含有層6とが存在し、両者は共に金属とのぬれ性に優れる錫ベース材料を含み一体化している。また金属粒子含有層6及び第1被接合材1、第2被接合材2及び錫含有層5との界面においては各々接合界面層8、7が形成されることにより接合がとれている。また、金属粒子含有層6の金属粒子9はその周囲に被膜11が形成されることにより錫ベース材料である錫または錫合金10との接合が取れている。   As described above, the bonding layer 3 includes the tin-containing layer 5 and the metal particle-containing layer 6, both of which are integrated by including a tin base material having excellent wettability with a metal. Further, at the interfaces between the metal particle-containing layer 6 and the first material to be bonded 1, the second material to be bonded 2 and the tin-containing layer 5, bonding interface layers 8 and 7 are formed, respectively, thereby achieving bonding. Further, the metal particles 9 of the metal particle-containing layer 6 are joined to the tin base material tin or tin alloy 10 by forming a coating 11 around the metal particles 9.

上記のような接合層3においては、熱膨張率が低い第1被接合体1の側には融点の高い金属粒子9を含む金属粒子含有層6が存在し、熱膨張率が高い第2被接合材2の側には錫含有層6が存在することとなる。   In the bonding layer 3 as described above, the metal particle-containing layer 6 including the metal particles 9 having a high melting point is present on the side of the first bonded body 1 having a low coefficient of thermal expansion, and the second object having a high coefficient of thermal expansion. The tin-containing layer 6 is present on the bonding material 2 side.

このような構造であると、接合体4が高温条件下に置かれた場合、高融点の金属粒子を含む金属粒子含有層6の存在により、接合層3の第1被接合材1側が比較的硬さを保ったままとなり、一方、第2被接合材2側が錫含有層5の存在により硬さの小さい状態となり、それぞれの物性は接する被接合材に近い形となる。そのため、接合層3において第1被接合材1と第2被接合材2との間に発生する応力を緩和することができる。   With such a structure, when the joined body 4 is placed under a high temperature condition, the presence of the metal particle-containing layer 6 containing metal particles having a high melting point causes the first bonded material 1 side of the joining layer 3 to be relatively While the hardness is maintained, the second material to be bonded 2 side is in a state of low hardness due to the presence of the tin-containing layer 5, and each physical property becomes a shape close to that of the material to be bonded. Therefore, the stress generated between the first material to be bonded 1 and the second material to be bonded 2 in the bonding layer 3 can be relaxed.

また、このような構造であると複数の金属粒子9が接合層3内に傾斜組成的に分散した形をとるため、金属粒子含有層から錫含有層へ段階的に膨張率の差を生じ、傾斜材料的な効果で第1被接合材と第2被接合材との間の接合部に生じる応力を効率よく緩和することができる。例えば母材にセラミックスを用いた第1被接合材と、金属材料のみからなる第2被接合材とを用いた場合、接合層3では第2被接合材側に近づくにつれ膨張率を段階的に第2被接合材に近づけられるため、接合信頼性を得ることが可能となる。   In addition, since the plurality of metal particles 9 take such a structure that the composition is dispersed in a gradient composition in the bonding layer 3, a difference in expansion coefficient is generated stepwise from the metal particle-containing layer to the tin-containing layer. The stress generated at the joint between the first and second materials to be joined can be efficiently relaxed by the effect of the gradient material. For example, when a first material to be bonded using ceramics as a base material and a second material to be bonded made of only a metal material are used, the expansion rate is gradually increased in the bonding layer 3 as it approaches the second material to be bonded side. Since it can approach the 2nd to-be-joined material, it becomes possible to acquire joining reliability.

さらにこの構造であると、各々の被接合材間で熱伝達を効率良く行うことができる。   Furthermore, with this structure, heat transfer can be efficiently performed between the materials to be joined.

図1の接合体において第1被接合材1、第2被接合材2は、金属材料よりなるか、もしくは少なくとも被接合面の表面に金属材料がメタライズされた材料を用いる。具体例としては銅、ゲルマニウム、モリブデン、白金、パラジウム、バナジウム、チタン、ジルコニウムなどの金属からなる部材、またSUSステンレス鋼等の合金からなる部材、これらの金属又は合金の複合金属材からなる部材、若しくはこれらの金属または合金が少なくとも被接合面の表面にメタライズされたセラミックス、高分子材料部品、またこれらの金属または合金が少なくとも被接合面の表面にメタライズされた、金属材料、セラミックス、高分子材料の複合材料などが挙げられる。   In the joined body of FIG. 1, the first material to be joined 1 and the second material to be joined 2 are made of a metal material, or at least a material in which a metal material is metallized on the surface of the surface to be joined is used. Specific examples include a member made of metal such as copper, germanium, molybdenum, platinum, palladium, vanadium, titanium, zirconium, a member made of an alloy such as SUS stainless steel, a member made of a composite metal material of these metals or alloys, Alternatively, ceramics or polymer material parts in which these metals or alloys are metallized at least on the surfaces to be joined, and metal materials, ceramics or polymer materials in which these metals or alloys are at least metallized on the surfaces to be joined And composite materials.

また第2被接合材は、第1被接合材以上の熱膨張率を有する材料を用いる。若しくは第2被接合材の母材は、第1被接合材の母材以上の熱膨張率を有する材料を用いる。   Moreover, the material which has a thermal expansion coefficient more than a 1st to-be-joined material is used for a 2nd to-be-joined material. Alternatively, a material having a coefficient of thermal expansion higher than that of the base material of the first material to be joined is used as the base material of the second material to be joined.

次に図1に示した接合体の接合層3の説明をする。   Next, the bonding layer 3 of the bonded body shown in FIG. 1 will be described.

金属粒子9の含有量は接合層3全体の20〜60vol%の範囲であることが望ましい。金属粒子9が多すぎると、粒子間隔が狭く粒子同士の接触が高まる反面、接合層の内部的な応力を発生させ易くなり、少なすぎると傾斜材料的な効果が得られなくなるからである。   The content of the metal particles 9 is desirably in the range of 20 to 60 vol% of the entire bonding layer 3. This is because if the amount of the metal particles 9 is too large, the contact between the particles is narrow and the contact between the particles is increased. However, if the amount is too small, the effect of the gradient material cannot be obtained.

金属粒子含有層6は金属粒子9を通常40体積%以上含む層とする。この層における金属粒子9の含有量は50体積%以上74体積%以下の範囲であることが、粒子間に錫または錫を50重量%以上含有する合金と粒子表面との反応を高めるため望ましい。また、74体積%を越えると金属粒子を均等に配列しにくくなるため、好ましくない。   The metal particle-containing layer 6 is a layer containing usually 40% by volume or more of metal particles 9. The content of the metal particles 9 in this layer is preferably in the range of 50% by volume or more and 74% by volume or less in order to enhance the reaction between the particle surface and tin or an alloy containing 50% by weight or more of tin. Moreover, since it becomes difficult to arrange a metal particle uniformly when it exceeds 74 volume%, it is unpreferable.

金属粒子含有層6の厚さは、接合層厚み全体の20%以上60%以下の範囲であることが望ましい。この範囲であると接合層の変形能を高めることができるためである。
複数の金属粒子9は、平均粒径100μm以上800μm以下の範囲である粒子であることが望ましい。金属粒子の形状は球形、塊状、多面体、及びこれらの形状が組合わさったものなど特に限定されないが、表面に凹凸を有することが接合強度を高くすることができのぞましい。
The thickness of the metal particle-containing layer 6 is desirably in the range of 20% to 60% of the entire bonding layer thickness. This is because the deformability of the bonding layer can be increased within this range.
The plurality of metal particles 9 are desirably particles having an average particle diameter of 100 μm or more and 800 μm or less. The shape of the metal particles is not particularly limited, such as a spherical shape, a lump shape, a polyhedron, and a combination of these shapes, but it is preferable that the surface has irregularities to increase the bonding strength.

前記金属粒子9は300℃以上の融点を有し、かつ錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料を用いる。300℃以上の融点を有し、かつ錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属又は錫と共晶組成または固溶体を形成する金属を用いた合金が適しており、具体例として、汎用的な第2被接合材としての銅よりも線膨張率の小さいゲルマニウム、モリブデン、白金、パラジウム、バナジウム、チタン、ジルコニウムなどの金属よりなる金属粒子、これらの金属に亜鉛を組み合わせた合金よりなる金属粒子、さらにこれらの金属に亜鉛を付着させた金属粒子が挙げられる。また、亜鉛を含有する亜鉛含有粒子は錫単独もしくは錫を50重量%以上含有する合金が溶融した際に銅と接する界面に亜鉛リッチな金属間化合物被膜が形成され、この相が接合強度を高める働きをもつため望ましい。   The metal particles 9 are made of a metal material having a melting point of 300 ° C. or higher and capable of forming a eutectic composition or a solid solution with tin. A metal having a melting point of 300 ° C. or more and capable of forming a eutectic composition or a solid solution with tin or an alloy using a metal that forms a eutectic composition or a solid solution with tin is suitable. 2 Metal particles made of metal such as germanium, molybdenum, platinum, palladium, vanadium, titanium, zirconium, etc. having a smaller linear expansion coefficient than copper as the material to be joined, metal particles made of an alloy in which these metals are combined with zinc, and The metal particle which made zinc adhere to these metals is mentioned. In addition, zinc-containing particles containing zinc form a zinc-rich intermetallic compound film at the interface contacting with copper when tin alone or an alloy containing 50 wt% or more of tin is melted, and this phase increases the bonding strength. It is desirable because it has a function.

複数の金属粒子9間に存在する錫又は錫を50重量%以上含有する錫合金10は、錫含有層5に用いられる錫合金と同様の材料であることが良好な接合特性を得るために望ましい。錫合金10の具体例としては、錫と銅からなり銅を1重量%以上10重量%未満含む合金、錫と銀からなり銀を4重量%以上10重量%未満含む合金、錫と亜鉛からなり亜鉛を1重量%以上12重量%未満含む合金等が挙げられる。   The tin alloy 10 containing 50 wt% or more of tin or tin existing between the plurality of metal particles 9 is desirably the same material as the tin alloy used for the tin-containing layer 5 in order to obtain good bonding characteristics. . Specific examples of the tin alloy 10 include an alloy made of tin and copper containing 1% by weight to less than 10% by weight, an alloy made of tin and silver containing 4% by weight to less than 10% by weight, and made of tin and zinc. An alloy containing 1 to 12% by weight of zinc can be used.

錫又は錫合金10と金属粒子9との間に介在する被膜11は、前記粒子とその周囲の錫又は錫合金との構成元素を含む金属間化合物あるいは固溶体であり、前記錫又は錫合金10と金属粒子9との接合に寄与するものである。この組成は錫又は錫合金10の組成と金属粒子9の組成とによって異なるが、錫がわずかに固溶したゲルマニウム層、モリブデンと錫を約1:2もしくは約3:1の原子数比で含む合金層、白金と錫を約1:4もしくは約1:2の原子数比で含む合金層、パラジウムと錫を1:1から1:4の原子数比で含む合金層、モリブデンと錫を約1:2もしくは約3:1の原子数比で含む合金層、パラジウムと錫を1:1から1:4の原子数比で含む合金層、バナジウムと錫を約2:3の原子数比で含む合金層、チタンと錫を約6:5もしくは約5:3の原子数比で含む合金層、ジルコニウムと錫を約1:2もしくは約4:1の原子数比で含む合金層、あるいは、錫を7.3重量%以下含むジルコニウム層、銀と錫を約3:1の原子数比で含む合金層、亜鉛を0.6重量%以下含む錫層などが具体例として挙げられる。   The coating 11 interposed between the tin or tin alloy 10 and the metal particles 9 is an intermetallic compound or solid solution containing constituent elements of the particles and the surrounding tin or tin alloy. This contributes to bonding with the metal particles 9. This composition varies depending on the composition of the tin or tin alloy 10 and the composition of the metal particles 9, but contains a germanium layer in which tin is slightly dissolved, molybdenum and tin in an atomic ratio of about 1: 2 or about 3: 1. Alloy layer, alloy layer containing platinum and tin in an atomic ratio of about 1: 4 or about 1: 2, alloy layer containing palladium and tin in an atomic ratio of 1: 1 to 1: 4, about molybdenum and tin An alloy layer containing an atomic ratio of 1: 2 or about 3: 1, an alloy layer containing palladium and tin in an atomic ratio of 1: 1 to 1: 4, an atomic ratio of vanadium and tin of about 2: 3 An alloy layer comprising titanium and tin in an atomic ratio of about 6: 5 or about 5: 3, an alloy layer comprising zirconium and tin in an atomic ratio of about 1: 2 or about 4: 1, or Zirconium layer containing 7.3 wt% or less of tin, alloy layer containing silver and tin in an atomic ratio of about 3: 1 Tin layer comprising zinc 0.6% by weight or less can be given as specific examples.

例えば金属粒子含有層6において、第1、第2被接合材1,2として共に銅で、金属粒子9としてパラジウム粒子を用い、錫または錫含有合金5、10として錫を用いた場合には、金属粒子9と錫含有合金10との接合界面に形成される被膜11としてはPdSn、PdSnなどの金属間化合物が形成される。 For example, in the metal particle-containing layer 6, when the first and second bonded materials 1 and 2 are both copper, the metal particles 9 are palladium particles, and the tin or tin-containing alloys 5 and 10 are tin, An intermetallic compound such as Pd 3 Sn or PdSn 4 is formed as the coating 11 formed at the bonding interface between the metal particles 9 and the tin-containing alloy 10.

被膜11の厚さは1μm以上10μm以下の範囲であることが望ましい。   The thickness of the coating 11 is preferably in the range of 1 μm to 10 μm.

錫含有層5は、錫又は錫を50重量%以上含有する錫合金から構成される層であり、錫以外の材料の含有は20重量%以下、さらには10重量%以下であることが望ましい。またこの層では金属粒子9の含有量は金属粒子含有層6の金属粒子9含有量以下である層とする。   The tin-containing layer 5 is a layer composed of tin or a tin alloy containing 50 wt% or more of tin, and the content of materials other than tin is preferably 20 wt% or less, and more preferably 10 wt% or less. In this layer, the content of the metal particles 9 is a layer that is not more than the content of the metal particles 9 in the metal particle-containing layer 6.

錫含有層5の厚さとしては10μm以上200μm以下の範囲であることが望ましい。この範囲であると接合部の変形能を保持できるからである。   The thickness of the tin-containing layer 5 is desirably in the range of 10 μm to 200 μm. This is because the deformability of the joint can be maintained within this range.

前記錫合金の具体例としては、錫とゲルマニウムからなりゲルマニウムを0.2重量%含む合金、錫と銀からなり銀を4重量%以上10重量%未満含む合金、錫とアルミニウムからなりアルミニウムを2.4重量%含む合金等が挙げられる。   Specific examples of the tin alloy include an alloy composed of tin and germanium containing 0.2% by weight of germanium, an alloy composed of tin and silver containing 4% by weight to less than 10% by weight, and an alloy composed of tin and aluminum containing 2 aluminum. An alloy containing 0.4% by weight is included.

第2の接合界面層7は少なくとも錫と第2被接合材2の構成元素との間の金属間化合物または固溶体から構成される層であり、その厚さは1μm以上20μm以下の範囲であることが望ましい。この範囲であると第2の接合界面層7と第2被接合材との接合を維持できるからである。第2の接合界面層7の具体例としてはCuSn、CuSn、CuSnなどが挙げられる。 The second bonding interface layer 7 is a layer composed of at least an intermetallic compound or a solid solution between tin and a constituent element of the second bonded material 2, and has a thickness in the range of 1 μm to 20 μm. Is desirable. This is because within this range, the bonding between the second bonding interface layer 7 and the second bonded material can be maintained. Specific examples of the second bonding interface layer 7 include Cu 3 Sn, Cu 5 Sn, Cu 6 Sn 5 and the like.

第1の接合界面層8は少なくとも錫と第1被接合材1の構成元素との間の金属間化合物または固溶体から構成される層であり、その厚さは1μm以上20μm以下の範囲であることが望ましい。この範囲であると第1の接合界面層8と第1被接合材との接合を良好に維持できるからである。第1の接合界面層8の具体例としてはCuSn、CuSn、CuSnなどの合金相が単層もしくは複層で構成される反応層、あるいは、これらの単層・複層中にAgSn、PdSnなどの化合物が混在した複合化した反応層が挙げられる。 The first bonding interface layer 8 is a layer composed of at least an intermetallic compound or a solid solution between tin and the constituent elements of the first bonded material 1, and the thickness thereof is in the range of 1 μm to 20 μm. Is desirable. This is because within this range, the bonding between the first bonding interface layer 8 and the first material to be bonded can be favorably maintained. Specific examples of the first bonding interface layer 8 include a reaction layer in which an alloy phase such as Cu 3 Sn, Cu 5 Sn, Cu 6 Sn 5 or the like is composed of a single layer or a plurality of layers, or these single layers / multilayers A composite reaction layer in which compounds such as Ag 3 Sn and PdSn 4 are mixed is used.

本実施形態の接合体において、複数の金属粒子9間に存在する錫又は錫を50重量%以上含有する錫合金10、鉛含有層5をはじめ接合層に含まれる鉛の含有量については、0.1wt%以下とすることが望ましい。   In the joined body of the present embodiment, the content of lead contained in the joining layer including the tin alloy 10 containing 50 wt% or more of tin or tin existing between the plurality of metal particles 9 and the lead-containing layer 5 is 0. It is desirable to set it to 1 wt% or less.

本実施形態に係る接合体はどのような方法により得ても良いが、例えば本発明に係る接合方法にて得ることができる。   The joined body according to the present embodiment may be obtained by any method, for example, by the joining method according to the invention.

図3は接合方法の一実施形態を説明するための断面概略図である。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining an embodiment of the joining method.

まず第2被接合材2表面に、シート状に加工した錫または錫を50重量%以上含有する錫合金を用いた錫含有層12、錫含有層12表面に融点が300℃以上であって錫と共晶を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子14を含有する金属粒子層13、金属粒子層13表面に第1被接合材1が配置されるよう、第2被接合材2、錫含有層12、金属粒子層13、及び第1被接合材1の積層体を形成する。図3では便宜上各層を離して記載したが、実際には各々が接するように積層する。   First, a tin-containing layer 12 using a tin alloy containing 50% by weight or more of tin processed into a sheet shape on the surface of the second material to be joined 2, and the surface of the tin-containing layer 12 has a melting point of 300 ° C. or higher and tin And a metal particle layer 13 containing a plurality of metal particles 14 made of a metal material capable of forming a eutectic, a second material to be bonded 2, and a tin-containing material so that the first material to be bonded 1 is disposed on the surface of the metal particle layer 13 A laminated body of the layer 12, the metal particle layer 13, and the first bonded material 1 is formed. In FIG. 3, the layers are illustrated separately for the sake of convenience, but in actuality, the layers are stacked so as to be in contact with each other.

次に前記積層体を積層方向(図中の矢印方向)に加圧して、もしくは加圧せずに、加熱して第1被接合材1と第2被接合材2とを接合する。   Next, the first bonded material 1 and the second bonded material 2 are bonded by pressurizing the stacked body in the stacking direction (the arrow direction in the figure) or without applying pressure.

加熱は、シート材の加熱を第1ステップとして行い、金属粒子をシート材の上層部に配置させるような向きに組合せることが好ましい。この時、望ましくは0ppm(実質的には酸素濃度の検出限界以下でほぼ無酸素と見なせる1〜5ppmの値)以上1000ppm以下の酸素濃度に保った雰囲気の中で210〜255℃の範囲、より好ましくは210〜235℃の範囲温度範囲で加熱する。   The heating is preferably performed in such a direction that the sheet material is heated as the first step and the metal particles are arranged in the upper layer portion of the sheet material. At this time, it is desirably in the range of 210 to 255 ° C. in an atmosphere maintained at an oxygen concentration of 0 ppm (substantially 1 to 5 ppm which can be regarded as almost oxygen-free below the detection limit of oxygen concentration) and 1000 ppm or less. Preferably it heats in the range temperature range of 210-235 degreeC.

なお加熱に際しては、接合部が210〜235℃の範囲にある時間が0.5〜5分以内となるよう適宜温度上昇条件を調整する。   In heating, the temperature rise condition is appropriately adjusted so that the time during which the joint is in the range of 210 to 235 ° C. is within 0.5 to 5 minutes.

被接合材の母材がセラミックである場合、表面の金属が酸化し難い金属材料でメタライズされていることが望ましい。その場合接合材料を部材表面上で直接加熱溶融できるからである。   When the base material of the material to be joined is ceramic, it is desirable that the metal on the surface is metalized with a metal material that is difficult to oxidize. In this case, the bonding material can be directly heated and melted on the surface of the member.

被接合材やメタライズ金属材料が銅などのように表面に酸化物が形成されている場合には、水素、メタノール蒸気、エタノール蒸気、プロパノール蒸気等のアルコール蒸気、蟻酸、酢酸等の酸蒸気、アンモニアや水素等の還元性ガスなどを用いた還元処理によって部材表面の酸素量を低下させることが望ましい。   When the material to be joined or metallized metal material has an oxide formed on the surface, such as copper, hydrogen vapor, alcohol vapor such as methanol vapor, ethanol vapor, and propanol vapor, acid vapor such as formic acid and acetic acid, ammonia It is desirable to reduce the amount of oxygen on the surface of the member by reduction using a reducing gas such as hydrogen.

接合体が、ヒートシンクを有する半導体デバイスである場合、シート材の加熱接合後に第二ステップとしてリフロー加熱を行うが、リフロー加熱では窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化雰囲気中または酸素濃度が0ppm以上1000ppm以下の低酸素雰囲気中で行うことによって接合面の信頼性が増す。   When the joined body is a semiconductor device having a heat sink, reflow heating is performed as a second step after heat joining of the sheet material. In reflow heating, in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen gas, argon gas, or the oxygen concentration is 0 ppm or more and 1000 ppm. By performing in the following low oxygen atmosphere, the reliability of the joint surface is increased.

この製造方法において、錫含有層12は厚さが10μm以上1000μm以下の範囲であることが望ましい。錫含有層12は錫または錫を50重量%以上含有する錫合金から構成される層であり、これ以外の材料の含有は20重量%以下であることが望ましい。錫含有層12の厚さとしては10μm以上1000μm以下の範囲であることが望ましい。この範囲であるとリフロー加熱時の溶融が数分で完了するからである。この錫含有層12は、金属粒子層13を形成する前に、予めめっき法、蒸着法、ペーストリフロー法、あるいは、合金シート材を用いた加熱によって形成されることが好ましい。これは、本実施形態によって得られる接合体の接合部分に変形能を付与するために、錫含有層を一定の厚み以上で確保することが容易となるためである。   In this manufacturing method, the tin-containing layer 12 desirably has a thickness in the range of 10 μm to 1000 μm. The tin-containing layer 12 is a layer composed of tin or a tin alloy containing 50 wt% or more of tin, and the content of other materials is preferably 20 wt% or less. The thickness of the tin-containing layer 12 is desirably in the range of 10 μm to 1000 μm. This is because the melting during the reflow heating is completed within a few minutes if it is within this range. This tin-containing layer 12 is preferably formed in advance by plating, vapor deposition, paste reflow, or heating using an alloy sheet material before forming the metal particle layer 13. This is because it becomes easy to secure the tin-containing layer with a certain thickness or more in order to impart deformability to the joint portion of the joined body obtained by the present embodiment.

前記錫合金の具体例としては、錫とゲルマニウムからなりゲルマニウムを0.2重量%含む合金、錫と亜鉛からなり亜鉛を4重量%以上11重量%未満含む合金、錫とアルミニウムからなりアルミニウムを2.4重量%以下含む合金等が挙げられる。   Specific examples of the tin alloy include an alloy composed of tin and germanium containing 0.2% by weight of germanium, an alloy composed of tin and zinc and containing 4% by weight to less than 11% by weight, and an alloy composed of tin and aluminum containing 2 aluminum. Examples include alloys containing up to .4% by weight.

近年、リフロー加熱による合金膜の形成も注目されている。このため、これらの合金を粒径が20〜50μmの粉末とし、得られた粉末をロジンをイソプロピルアルコールに1:4から1:9の範囲の割合で溶解させた後に0.1重量%の臭素系活性剤を添加したフラックスと混練りして得られるぺーストとして第2被接合材2の上に塗布し1〜3分間リフロー加熱することにより、錫含有層12を得ることができる。   In recent years, the formation of alloy films by reflow heating has attracted attention. For this reason, these alloys are made into a powder having a particle size of 20 to 50 μm, and the obtained powder is dissolved in isopropyl alcohol at a ratio of 1: 4 to 1: 9, and then 0.1% by weight of bromine. The tin-containing layer 12 can be obtained by applying onto the second material to be bonded 2 as a paste obtained by kneading with a flux to which a system activator is added, and reflow heating for 1 to 3 minutes.

この製造方法において、金属粒子層13は、複数の金属粒子14が集合してなる層である。金属粒子14は平均粒径が100μm以上800μmμm以下の範囲である粒子であることが粒子を瞬時に溶融させることが無く望ましい。   In this manufacturing method, the metal particle layer 13 is a layer formed by aggregating a plurality of metal particles 14. The metal particles 14 are preferably particles having an average particle diameter in the range of 100 μm or more and 800 μm μm or less because the particles are not melted instantaneously.

金属粒子14の形状は球形、塊状、ドーナツ状のリング、ワッシャー、円筒状のペレットなどの形状であっても良い。金属粒子の表面形態など特に限定されないが、表面に凹凸を有することが、金属間化合物被膜の生成量を高くし接合強度を高くすることができ望ましい。   The shape of the metal particles 14 may be a spherical shape, a lump shape, a donut-shaped ring, a washer, a cylindrical pellet, or the like. Although the surface form of the metal particles is not particularly limited, it is desirable that the surface has irregularities because the amount of intermetallic compound coating produced can be increased and the bonding strength can be increased.

金属粒子14は300℃以上の融点を有し、かつ錫と共晶または固溶体を作り得る金属又は合金を用いる。300℃以上の融点を有し、かつ錫と共晶または固溶体を作り得る金属又は錫と固溶体を形成する金属を用いた合金が適しており、具体例として、汎用的な第2被接合材としての銅よりも線膨張率の小さいゲルマニウム、モリブデン、白金、パラジウム、バナジウム、チタン、ジルコニウムなどの金属よりなる金属粒子、これらの金属に銀あるいは亜鉛を組み合わせた合金よりなる金属粒子あるいはこれらの金属に銀あるいは亜鉛を付着させた金属粒子が挙げられる。   The metal particles 14 are made of a metal or alloy having a melting point of 300 ° C. or higher and capable of forming a eutectic or solid solution with tin. An alloy using a metal having a melting point of 300 ° C. or more and capable of forming a eutectic or solid solution with tin or a metal forming a solid solution with tin is suitable. As a specific example, as a general-purpose second bonded material Metal particles made of metals such as germanium, molybdenum, platinum, palladium, vanadium, titanium, zirconium, etc., which have a smaller linear expansion coefficient than copper, metal particles made of alloys of these metals with silver or zinc, or these metals Examples include metal particles to which silver or zinc is attached.

さらには、シート材にアルミニウムや亜鉛などの酸化し易い元素を含む場合には、集束イオンビーム、レーザービーム、電子線などのエネルギー密度の高いビームを断続的に粒子表面に照射することによって深さが2μmから粒径の1/5以下の凹凸を付け表面積を増大させることが望ましい。このとき深さが2μmを下回ると表面積の増加の効果は薄れ、粒径の1/5を超えると粒子表面が突起を有する構造となりやすく好ましくない。さらに、照射間隔は5μmから粒子の直径の1/5の範囲にあることが好ましく、この幅の範囲より小さいと、接合時に空孔を多発させやすく、また、この範囲より大きいと表面積の増加の効果がなくなる。このとき、ガリウムイオンを用いた集束イオンビームは、チャネリングコントラストの鮮明な画像を照射と共に得られやすいことから、深さを制御しながら粒子表面に加工を施すことができ好ましい。   Furthermore, when the sheet material contains an easily oxidizable element such as aluminum or zinc, the depth is obtained by intermittently irradiating the particle surface with a beam having a high energy density such as a focused ion beam, a laser beam, or an electron beam. It is desirable to increase the surface area by providing irregularities with a particle size of 2 μm to 1/5 or less of the particle size. At this time, if the depth is less than 2 μm, the effect of increasing the surface area is diminished. Furthermore, the irradiation interval is preferably in the range of 5 μm to 1/5 of the diameter of the particle. If the width is smaller than this range, vacancies are likely to occur at the time of joining, and if it is larger than this range, the surface area increases. No effect. At this time, a focused ion beam using gallium ions can be easily obtained together with irradiation with a clear image of channeling contrast. Therefore, it is preferable that the particle surface can be processed while controlling the depth.

また、亜鉛粒子又は亜鉛を含有する亜鉛含有粒子は錫単独もしくは錫を50重量%以上含有する合金が溶融した際に銅と接する界面に亜鉛リッチな金属間化合物被膜が形成され、この相が接合強度を高める働きをもつ。亜鉛含有粒子の組成としては亜鉛30重量%と残部銅、亜鉛35重量%と残部銅、亜鉛30重量%とニッケル1重量%と残部銅などが挙げられる。   In addition, zinc particles or zinc-containing particles containing zinc have a zinc-rich intermetallic compound film formed at the interface that contacts copper when tin alone or an alloy containing 50 wt% or more of tin is melted. Has the function of increasing strength. Examples of the composition of the zinc-containing particles include 30% by weight of zinc and the remaining copper, 35% by weight of zinc and the remaining copper, 30% by weight of zinc, 1% by weight of nickel and the remaining copper.

亜鉛を含有する金属を用いる場合は、加熱により温度が上昇し酸化するため、濡れ性や強度等に影響を及ぼしやすい。このため亜鉛を含む金属粒子の調製、特に溶融・混合工程は、得られるハンダ材の含有酸素量が100ppm(重量比)以下となるように窒素やアルゴンなどの非酸化雰囲気を用いて酸化を防止しながら行うことが好ましい。   When a metal containing zinc is used, the temperature rises and oxidizes due to heating, which easily affects wettability and strength. Therefore, the preparation of metal particles containing zinc, especially the melting / mixing process, prevents oxidation using a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon so that the amount of oxygen contained in the resulting solder material is 100 ppm (weight ratio) or less. However, it is preferable to carry out.

原料として用いる錫、亜鉛に含まれる酸素を減少させるには、これらの溶融原料に、融点が低く酸素と反応し易いリンやマグネシウム等を脱酸素剤として添加する方法がある。これにより、脱酸素剤と溶融原料中の酸素が化合してスラグとして溶融原料表面に浮遊し、容易に除去することができる。脱酸素剤の使用量は原料の0.01〜0.1重量%程度が好ましい。このような方法で脱酸素した原料を用いると、含有酸素量が30ppm以下に減少した接合用粒子を調製することができる。   In order to reduce oxygen contained in tin and zinc used as raw materials, there is a method in which phosphorus, magnesium, etc. having a low melting point and easily reacting with oxygen are added as oxygen scavengers to these molten raw materials. As a result, the oxygen scavenger and oxygen in the molten raw material combine to float on the surface of the molten raw material as slag and can be easily removed. The amount of the oxygen scavenger used is preferably about 0.01 to 0.1% by weight of the raw material. When the raw material deoxygenated by such a method is used, bonding particles whose oxygen content is reduced to 30 ppm or less can be prepared.

金属粒子14は、ロジンをイソプロピルアルコールに1:4から1:9の範囲の割合で溶解させた後に0.1重量%の臭素系活性剤を添加したフラックスと、錫と亜鉛9重量%と残部錫からなる合金粉末(粒径20〜40μm)と一緒に混練りしペーストとして調整する。なお、フラックスは、化学的作用及び物理的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合して調製しても良い。得られたペーストを錫含有層12の上に厚さ200〜800μmの範囲で塗布し、さらにその上に第1被接合材1を載せリフロー加熱する。また、亜鉛又は亜鉛含有粒子を用いる時には比較的プロセス温度を下げることができ、210℃〜235℃での加熱温度が適当である。   The metal particles 14 consist of a flux in which rosin is dissolved in isopropyl alcohol in a ratio of 1: 4 to 1: 9, and then 0.1% by weight of a bromine-based activator is added, 9% by weight of tin and zinc, and the balance It is kneaded with tin alloy powder (particle size 20-40 μm) to prepare a paste. Note that the flux may be prepared by blending various substances as necessary to efficiently express the chemical action and the physical action. The obtained paste is applied on the tin-containing layer 12 in a thickness range of 200 to 800 μm, and the first material to be bonded 1 is placed thereon and reflow-heated. Further, when zinc or zinc-containing particles are used, the process temperature can be relatively lowered, and a heating temperature of 210 ° C. to 235 ° C. is appropriate.

金属粒子層13は、上記の金属粒子14を錫含有合金粒子とフラックスと一緒に混練りしたペーストを用いた加熱によって得られるほか、厚さ200〜800μmのシートに加工した亜鉛9重量%と残部錫合金中に金属粒子14を加圧により埋め込み、この金属粒子14が埋め込まれたシートと第1被接合材1との間にロジンをイソプロピルアルコールに1:4から1:9の範囲の割合で溶解させ0.1重量%の臭素系活性剤を添加したフラックスを滴下した後に、リフロー加熱210℃〜255℃によって得ることもできる。金属粒子層13の厚さは250μm以上900μm以下であることが望ましい。   The metal particle layer 13 is obtained by heating using a paste obtained by kneading the metal particles 14 together with tin-containing alloy particles and a flux, and 9% by weight of zinc processed into a sheet having a thickness of 200 to 800 μm and the balance. Metal particles 14 are embedded in the tin alloy by pressurization, and rosin is added to isopropyl alcohol in a ratio of 1: 4 to 1: 9 between the sheet in which the metal particles 14 are embedded and the first bonded material 1. It can also be obtained by reflow heating 210 ° C. to 255 ° C. after dropping a flux to which 0.1 wt% bromine-based activator has been dissolved. The thickness of the metal particle layer 13 is desirably 250 μm or more and 900 μm or less.

本実施形態の接合体および接合方法は、鉛を含有しない汎用性の高い材料であり、現状の製品の組立製造工程において用いられている装置及び設備を利用して部品の接合が行える。従って、従来の錫−鉛はんだの代替物として使用することができ、温度上昇を伴う電気機器や、パワー半導体デバイス及びこれを用いた装置において、接合形成に適している。   The joined body and joining method of this embodiment are highly versatile materials that do not contain lead, and can join parts using equipment and equipment used in the current product assembly manufacturing process. Therefore, it can be used as an alternative to the conventional tin-lead solder, and is suitable for junction formation in electrical equipment with increased temperature, power semiconductor devices, and apparatuses using the same.

例えば、パワー半導体デバイスは、パワー素子として、トランジスタ、サイリスタ、GTOサイリスタ、ダイオード、MOSFETなどを用いており、パワートランジスタモジュール等のパワーモジュールやパワーIC等のようなデバイス中の接合及びデバイスが組み込まれた装置における接合形成に用いることができる。   For example, power semiconductor devices use transistors, thyristors, GTO thyristors, diodes, MOSFETs, and the like as power elements, and junctions and devices in devices such as power modules such as power transistor modules and power ICs are incorporated. It can be used for forming a junction in an apparatus.

本実施形態の接合体及び接合方法は、精細なハンダ接合にも十分対応でき、500μm以下の狭い間隔を有する細線状の金属部材のハンダ接合に対応できる。接合する部材の材質に応じて、部材に予め金属プリコートをメッキや圧着法等によって施してもよく、プリコートの組成やプリコート方法は適宜選択することができる。この時、用いる接合材料としてシート材の代わりに線形300〜800μmの合金ワイヤーを適宜切って接合面に並べ用いすることができる。例えば、パワー半導体デバイスのセラミック板のはんだ材と接する側にあらかじめニッケル/金フラッシュめっき・錫めっきなどのめっき層や、タングステン粒子やチタン粒子を配合したペーストを塗布加熱し形成される金属層を貼り付けることで、幅1mm以下の電極部の接合強度を高めることもできる。   The joined body and joining method of the present embodiment can sufficiently cope with fine solder joining, and can cope with solder joining of thin metal members having a narrow interval of 500 μm or less. Depending on the material of the member to be joined, a metal precoat may be applied to the member in advance by plating, pressure bonding, or the like, and the precoat composition and precoat method can be appropriately selected. At this time, instead of the sheet material, a linear 300 to 800 μm alloy wire can be appropriately cut and used on the bonding surface as the bonding material to be used. For example, a plating layer such as nickel / gold flash plating or tin plating or a metal layer formed by applying and heating a paste containing tungsten particles or titanium particles is applied to the side of the power semiconductor device that contacts the solder material. By attaching, the bonding strength of the electrode portion having a width of 1 mm or less can be increased.

図4は、本実施形態に係る接合体を適用可能なパワー半導体デバイスの一例を示す断面図である。このデバイスは例えば銅からなるヒートシンク21、金属回路板23、セラミック板24、金属回路板25、半導体ペレット28が積層された構造である。ヒートシンク21と金属回路板23との間がはんだ接合されており接合層22がある。また金属回路板25と半導体ペレット28との間もソルダーレジスト26を使用してはんだのオーバーフローによる短絡を抑制し接合されておりはんだ接合層27がある。本実施形態の接合層、接合方法ははんだ接合層22、はんだ層27の形成に適用可能であるが、特に従来低温系のはんだが用いられるはんだ層22に適用されることが望ましい。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a power semiconductor device to which the joined body according to this embodiment can be applied. This device has a structure in which a heat sink 21 made of copper, a metal circuit board 23, a ceramic board 24, a metal circuit board 25, and a semiconductor pellet 28 are laminated. The heat sink 21 and the metal circuit board 23 are joined by soldering and there is a joining layer 22. The metal circuit board 25 and the semiconductor pellet 28 are also joined by using a solder resist 26 to suppress a short circuit due to solder overflow, and there is a solder joint layer 27. The bonding layer and bonding method of the present embodiment can be applied to the formation of the solder bonding layer 22 and the solder layer 27, but it is particularly preferable that the bonding layer and the bonding method be applied to the solder layer 22 in which a conventional low-temperature solder is used.

以下、実施例を記載する。   Examples will be described below.

(実施例1〜30及び比較例1〜3)
酸素濃度100ppm以下の窒素雰囲気中で、純度99.98%の錫、純度99.98%の銀、純度99.98%のニッケル、ゲルマニウム、白金、バナジウム、パラジウム、チタン、ジルコニウム、純度99.99%の亜鉛、アルミニウムを用い表1の実施例1〜30、及び、比較例1〜3の組合せを有するように各接合用の金属粒子及びシート材を作成した。金属粒子についてはアトマイズ法によって得られた粒子を、他の金属やハロゲンで汚染されていない容器内に窒素封入で保存した。また、アルミニウムを含むシート材と組み合わせると酸化の影響が顕在化しやすいため、実施例14、実施例15、実施例16でそれぞれ用いる金属粒子表面にガリウムイオンを用いた集束イオンビームによって2箇所以上の凹凸を20〜50μmピッチで粒子表面の20%以上達するまで設けた後、他の金属やハロゲンで汚染されていない容器内に窒素封入で保存した。
(Examples 1-30 and Comparative Examples 1-3)
In a nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of 100 ppm or less, tin with a purity of 99.98%, silver with a purity of 99.98%, nickel with a purity of 99.98%, germanium, platinum, vanadium, palladium, titanium, zirconium, purity 99.99 Metal particles and sheet materials for joining were prepared so as to have the combinations of Examples 1 to 30 and Comparative Examples 1 to 3 in Table 1 using% zinc and aluminum. As for the metal particles, the particles obtained by the atomization method were stored in a container not contaminated with other metals or halogens by nitrogen sealing. Further, when combined with a sheet material containing aluminum, the effects of oxidation are likely to be manifested. Therefore, the focused ion beam using gallium ions on the surface of the metal particles used in Example 14, Example 15, and Example 16 is used in two or more locations. The unevenness was provided at a pitch of 20 to 50 μm until reaching 20% or more of the particle surface, and then stored in a container not contaminated with other metals or halogens by nitrogen sealing.

次にシート材を第2被接合材であるヒートシンク(寸法:40mm×75mm×3mmt)としての銅板に載せ表面温度255〜265℃で加熱した。加熱前には、ロジン12重量wt%を含むイソプロピルアルコールを溶剤とし、臭素系活性剤を0.1重量%添加したフラックスを0.01cc/cmの割合になるようヒートシンク上に滴下し錫合金層を形成し易くした。 Next, the sheet material was placed on a copper plate as a heat sink (dimensions: 40 mm × 75 mm × 3 mmt) as a second material to be joined, and heated at a surface temperature of 255 to 265 ° C. Before heating, a flux of isopropyl alcohol containing 12% by weight of rosin as a solvent and 0.1% by weight of a bromine-based activator was dropped onto the heat sink to a rate of 0.01 cc / cm 2 and tin alloy was added. Made the layer easier to form.

次に前述の得られた金属粒子を、ロジン25重量%をイソプロピルアルコールに溶解させ0.1重量%の臭素系活性剤を添加したフラックスと混練りしペースト状に調整した。また、実施例1、実施例4、実施例11、実施例17〜19、実施例22、実施例25〜30については、錫と亜鉛9重量%と残部錫からなる合金粉末(粒径20〜40μm)と一緒に混練りしペーストとして調整した。いずれの実施は例についても得られたペーストを錫含有層の上に厚さ200〜800μmの範囲で塗布し、さらにその上に被接合面が金属層にてメタライズされたセラミックよりなる第1被接合材を載せリフロー加熱した。このときのリフロー加熱はピーク温度でコントロールし、表に示すリフローピーク温度225〜255℃の範囲で最大1分間加熱させ、接合材料を一体化し接合体を得た。   Next, the obtained metal particles were kneaded with a flux in which 25% by weight of rosin was dissolved in isopropyl alcohol and 0.1% by weight of a bromine-based activator was added to prepare a paste. Moreover, about Example 1, Example 4, Example 11, Examples 17-19, Example 22, and Examples 25-30, the alloy powder (particle diameter 20 ~) which consists of tin, zinc 9weight%, and remainder tin. 40 μm) and kneaded together to prepare a paste. In any of the examples, the paste obtained in the examples was applied on the tin-containing layer in a thickness range of 200 to 800 μm, and further the first coated layer made of ceramic whose surface to be joined was metallized with a metal layer. The bonding material was placed and reflow heated. The reflow heating at this time was controlled by the peak temperature, and the reflow peak temperature in the range of 225 to 255 ° C. shown in the table was heated for a maximum of 1 minute to integrate the joining materials to obtain a joined body.

得られた実施例1の接合体の接合層の断面をSEM−EDXで分析したところ、図2に示されるように、接合体4の第1、2被接合材1、2間に存在する600μmの厚さの接合層3には、第2被接合材2側に厚さ5μm、組成が99.9重量%以上である錫含有層5と、第1被接合材1側に被膜11を含む粒径が500μmの亜鉛30%重量部と銅残部からなる金属粒子9が分散した金属粒子含有層6と、前記第2被接合材2と前記錫含有層5との間に介在する組成がCuSn、厚さが5μmの接合界面層7(金属間化合物層)と、前記第1被接合材1と前記金属粒子含有層6との間に介在する組成CuZn厚さ2μmの接合界面層8(金属間化合物層)とが存在した。金属粒子9の周囲には組成CuSnとCuZnが混在した厚さ3μmの金属間化合物の被膜11が存在した。 When the cross section of the bonding layer of the obtained bonded body of Example 1 was analyzed by SEM-EDX, as shown in FIG. 2, 600 μm existing between the first and second bonded materials 1 and 2 of the bonded body 4. The bonding layer 3 having a thickness of 5 μm on the second bonded material 2 side includes a tin-containing layer 5 having a composition of 99.9% by weight or more, and a coating 11 on the first bonded material 1 side. The composition interposed between the metal particle-containing layer 6 in which metal particles 9 consisting of 30% by weight of zinc having a particle size of 500 μm and the remainder of copper are dispersed, and the second material to be joined 2 and the tin-containing layer 5 is Cu. 5 Sn 6 , composition Cu 5 Zn 8 having a thickness of 2 μm, which is interposed between the bonding interface layer 7 (intermetallic compound layer) having a thickness of 5 μm and the first material to be bonded 1 and the metal particle-containing layer 6. There was a bonding interface layer 8 (intermetallic compound layer). Around the metal particles 9, there was an intermetallic compound coating 11 having a thickness of 3 μm in which the compositions Cu 5 Sn 6 and Cu 5 Zn 8 were mixed.

また、いずれの実施例にも前記第2被接合材2と前記錫含有層5との間に金属間化合物もしくは固溶体層からなる接合界面層7、前記第1被接合材1と前記金属粒子含有層6との間に金属間化合物もしくは固溶体層からなる接合界面層8とが存在した。また、金属粒子9の周囲には錫と金属化合物金属粒子含有元素を含む金属間化合物若しくは固溶体からなる被膜11が存在した。   Further, in any of the examples, a bonding interface layer 7 made of an intermetallic compound or a solid solution layer between the second bonded material 2 and the tin-containing layer 5, the first bonded material 1 and the metal particle containing Between the layer 6, there was a bonding interface layer 8 made of an intermetallic compound or a solid solution layer. In addition, a coating 11 made of an intermetallic compound or a solid solution containing an element containing tin and a metal compound metal particle was present around the metal particle 9.

各実施例の接合体について反りの発生具合を調査し、現行の錫−鉛共晶はんだと比べて30%以内のA判定、30〜70%のものをB判定、70%以上のもの、あるいは、クラックの発生したものをC判定として評価した結果を表1に示す。

Figure 2006068765
Investigating the occurrence of warping of the joined body of each example, A judgment within 30% compared to the current tin-lead eutectic solder, B judgment of 30-70%, 70% or more, or Table 1 shows the results of evaluating the occurrence of cracks as C determination.
Figure 2006068765

接合体の一実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows one Embodiment of a conjugate | zygote. 接合体の接合層の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the joining layer of a conjugate | zygote. 接合方法の一実施形態を説明するための断面概略図。The cross-sectional schematic for demonstrating one Embodiment of the joining method. パワー半導体デバイスの一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of a power semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・第1被接合材
2・・・第2被接合材
3・・・接合層
4・・・接合体
5・・・錫含有層
6・・・金属粒子含有層
7・・・第2の接合界面層
8・・・第1の接合界面層
9・・・金属粒子
10・・・錫又は錫合金
11・・・被膜
12・・・錫含有層
13・・・金属粒子層
14・・・金属粒子
21・・・ヒートシンク
22・・・接合層
23・・・金属回路板
24・・・セラミック板
25・・・金属回路板
26・・・ソルダーレジスト
27・・・はんだ層
28・・・半導体ペレット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st to-be-joined material 2 ... 2nd to-be-joined material 3 ... Joining layer 4 ... Joined body 5 ... Tin containing layer 6 ... Metal particle containing layer 7 ... 1st 2 bonding interface layer 8 ... first bonding interface layer 9 ... metal particles 10 ... tin or tin alloy 11 ... coating 12 ... tin-containing layer 13 ... metal particle layer 14 ..Metal particles 21 ... heat sink 22 ... bonding layer 23 ... metal circuit board 24 ... ceramic board 25 ... metal circuit board 26 ... solder resist 27 ... solder layer 28 ...・ Semiconductor pellets

Claims (3)

少なくとも被接合面が金属材料である第1被接合材と、
少なくとも被接合面が金属材料であり、前記第1被接合材以上の熱膨張率を有する第2被接合材と、
前記第1被接合材と前記第2被接合材とを接合する接合層とを備え、
前記接合層は、
融点が300℃以上であって錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子、前記複数の金属粒子間に存在する錫又は錫を50重量%以上含有する錫合金、および前記錫又は錫合金と前記金属粒子との間に介在し、錫と前記金属粒子構成元素とを含む化合物もしくは固溶体被膜を備え前記第1被接合材側に存在する金属粒子含有層と、
錫または錫を50重量%以上含有する錫合金を用い前記第2被接合材側に存在する錫含有層と、
前記第1被接合材と前記金属粒子含有層との間に介在する、錫と前記第1被接合材構成元素とを含む第1の接合界面層と、
前記第2被接合材と前記錫含有層との間に介在する、錫と第2被接合材構成元素とを含む第2の接合界面層と、
を備えることを特徴とする接合体。
A first material to be bonded, at least a surface to be bonded is a metal material;
A second bonded material having at least a bonded surface made of a metal material and having a thermal expansion coefficient equal to or higher than that of the first bonded material;
A bonding layer for bonding the first bonded material and the second bonded material;
The bonding layer is
A plurality of metal particles made of a metal material having a melting point of 300 ° C. or higher and capable of forming a eutectic composition or a solid solution with tin, a tin alloy existing between the metal particles and a tin alloy containing 50% by weight or more, and A metal particle-containing layer present between the tin or the tin alloy and the metal particles, and comprising a compound or solid solution coating containing tin and the metal particle constituent elements, and present on the first bonded material side;
A tin-containing layer present on the second bonded material side using tin or a tin alloy containing 50 wt% or more of tin;
A first bonding interface layer including tin and the first bonded material constituting element, interposed between the first bonded material and the metal particle-containing layer;
A second bonding interface layer containing tin and a second bonded material constituent element, interposed between the second bonded material and the tin-containing layer;
A joined body comprising:
少なくとも被接合面が金属材料である第1被接合材表面に、融点が300℃以上であって錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子を含有する金属粒子層、前記金属粒子層表面に錫または錫を50重量%以上含有する錫合金を用いた錫含有層、少なくとも被接合面が金属材料であり、前記第1被接合材の熱膨張率以上の熱膨張率を有する第2被接合材が配置されるよう、前記第1被接合材、前記金属粒子層、前記錫含有層、及び前記第2被接合材を積層し積層体を形成する工程と、前記積層体を加熱して前記第1被接合材と前記第2被接合材とを接合する工程とを備えることを特徴とする接合方法。   A metal particle layer containing a plurality of metal particles made of a metal material having a melting point of 300 ° C. or higher and capable of forming a eutectic composition or a solid solution with tin on the surface of the first material to be bonded, at least the surface to be bonded is a metal material; A tin-containing layer using tin or a tin alloy containing 50 wt% or more of tin on the surface of the metal particle layer, at least a bonded surface is a metal material, and has a thermal expansion coefficient equal to or higher than the thermal expansion coefficient of the first bonded material. Laminating the first material to be joined, the metal particle layer, the tin-containing layer, and the second material to be joined to form a laminate, and the lamination. And a step of heating the body to join the first material to be joined and the second material to be joined. 前記金属粒子は表面に凹凸を有する粒子であることを特徴とする請求項2記載の接合方法。   The bonding method according to claim 2, wherein the metal particles are particles having irregularities on the surface.
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