JP2007044754A - 金属板接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノ金属ペーストを用いて金属板の間を接合させる際に、未接合部分を残すことなく接合面全域を適正に接合する。
【解決手段】金属ナノ粒子，金属ナノ粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材，加熱により有機分散材と反応する分散材捕捉材，および加熱により前記分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散する揮発性有機成分の混合組成になるナノ金属ペーストを用いて金属板の間を面接合する際に、まず常温状態でナノ金属ペーストを一方の被接合金属板の接合面に均一厚さに塗布し、次のプレ加熱工程では塗布したナノ金属ペーストの表面と相手側の被接合金属板との間を離間させた状態で熱を加えてナノ金属ペーストの有機成分を揮散させ、このプレ加熱工程に続く加圧接合工程では、ナノ金属ペーストの塗布面に相手側の被接合金属板を重ねた上で金属板間に加圧力を加えてナノ金属粒子同士およびナノ金属粒子と被接合金属板とを融合／溶着させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてパワー半導体モジュールの組立工程で部品間の接合に適用するナノ金属ペーストを用いた金属板接合方法に関する。

まず、本発明の実施対象となる頭記のパワー半導体モジュールについて、その従来例の組立構造を図５に示す。図において、１は放熱用銅ベース、２はアルミナなどのセラミック板２ａの両面に導体パターン（銅箔）２ｂ，２ｃを被着形成して前記銅ベース１の上に搭載，接合した絶縁基板（例えば、Direct Bonding Copper基板）、３は絶縁基板２の上面導体パターン（回路パターン）２ｃにマウントした半導体チップ（例えば、ＩＧＢＴ）、３ａは半導体チップ３の電極面にメタライズしたＮｉ／Ａｕメッキ膜、４は半導体チップ３の上面電極とこれに対応する導体パターン２ｃとの間に配線した接続リード（銅箔，アルミ箔など）、５は導体パターン２ｃに接合して引出した外部導出リードであり、銅ベース１／絶縁基板２の導体パターン２ｂ，絶縁基板２の導体パターン２ｃ／半導体チップ３，半導体チップ３の上面電極／接続リード４，絶縁基板２の導体パターン２ｃ／リード４，５の間をそれぞれ半田６で接合（マイクロソルダリング）してモジュールを組立てている。

ところで、前記した半導体モジュールの各部品間を接合する半田について、昨今では環境保全の問題からＳｎ−Ｐｂ系の共晶半田を鉛フリー半田（例えばＳｎ−Ａｇ系半田）に代替する転換が進められている。しかしながら、鉛フリー半田は共晶半田に比べて融点が高く、また熱履歴による金属間化合物の成長により半田接合部への応力集中が大きくなり、さらに過電流により半導体チップに半田融点を超える熱が発生した場合には半田接合部で溶融，切断，短絡などの事故が発生するおそれがあるなど、このことが原因で半導体モジュールのパワーサイクル寿命，信頼性が低下する問題がある。
一方、最近になり金属ナノ粒子に関する研究が進み、半導体デバイスの製造技術分野でも金属ナノ粒子の量子サイズ効果による低温焼結現象および高い表面活性を利用した低温焼成形の導電性ペースト（以下、「ナノ金属ペースト」と称する）が開発，市販されており、このナノ金属ペーストを使って基板上に微細な回路パターンを形成する、あるいは従来のマイクロソルダリングに代えて電極間を接合するなどの応用技術が提唱されている（例えば、特許文献１，２、非特許文献１参照）。

このナノ金属ペーストは、金属ナノ粒子，金属ナノ粒子が常温で凝集するのを抑制してナノ粒子を独立分散状態に保持する有機分散材，加熱により有機分散材と反応して金属ナノ粒子を裸にする分散材捕捉材、および加熱により前記分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散（ガス化）する揮発性有機成分を混合した組成になる。
そして、このナノ金属ペーストを用いて金属板（バルク金属）間を接合する従来の接合方法では、一方の金属板の接合面にナノ金属ペーストをスクリ−ン印刷法などにより均一厚さに塗布し、この上に相手側の金属板を重ね合わせた状態で外部から加熱，加圧力を加えて接合を行うようにしている。なお、加熱，加圧に伴う金属ナノ粒子，および金属ナノ粒子と被接合金属板との融合／溶着メカニズム，およびそのキュアー条件，接合強度，耐熱温度等の特性については、先記の特許文献１，２および非特許文献１に詳しく述べられている。

上記のように半導体モジュールの部品間接合手段として、従来の半田接合に代えてナノ金属ペーストを用いて接合することにより、低温加熱による接合で耐熱性，伝熱性，接合強度の面で優れた高信頼性の確保が期待できる。
特開２００１−２２５１８０号公報 特開２００４−２１３０３７１号公報 小田 正明，「ナノ金属粒子」，エレクトロニクス実装学会誌，２００２年，ｖｏｌ５，No６，ｐ５２３−５２８

ところで、発明者等は、図５に示した半導体モジュールの部品間接合について前記ナノ金属ペーストの適用性，およびその接合法について様々な実験，検証を行ったところ、先記した従来方法のように被接合金属板の接合面に塗布したナノ金属ペーストに相手側の被接合金属板を重ね合わせ、この状態で加熱，加圧力を加えて接合を行った場合には接合面の中央部分に未接合の欠陥が発生することが知見された。
そこで、このような接合欠陥の発生原因について究明したところ、その発生要因が次の点にあることが明らかになった。すなわち、金属ナノ粒子の粒子間，および金属ナノ粒子と被接合金属板とを適正に融合／溶着（焼結）させるには、金属ナノ粒子を独立分散状態に保持している分散材と分散材捕捉材との反応に加えて、この反応物質を捕捉した揮発性物質を揮散させて接合面域から排除し、金属ナノ粒子を裸の状態にしてその表面活性を高めるようにすることが必要条件となる。

しかしながら、接合工程の開始当初からナノ金属ペーストの塗布面を挟んで両側から被接合金属板を重ね合わせた状態で加熱，加圧力を加えると、接合面の中央面域では前記有機成分が接合界面に封じ込められまま周囲への揮散（ガス化）が阻害される。また、加熱による有機成分の揮散には周囲雰囲気中の酸素との反応も関与していることが確認されているが、被接合金属板の間に封じ込められた有機成分は酸素との接触反応が進まないために、結果として金属板間の接合面の中央部分では金属ナノ粒子の融合／溶着が十分に進行せずに未接合部分が残るようになる。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的はナノ金属ペーストを用いて被接合金属板の間を接合させる場合に、未接合部分を残すことなく接合面全域を適正に接合てきるように改良した金属板接合方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、金属ナノ粒子，金属ナノ粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材，加熱により有機分散材と反応する分散材捕捉材，および加熱により前記分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散する揮発性有機成分の混合組成になるナノ金属ペーストを用いて金属板の間を面接合する接合方法を、次記工程に分けて行うものとする。すなわち、
最初の工程では常温状態でナノ金属ペーストを一方の被接合金属板の接合面に均一厚さに塗布し、次のプレ加熱工程では塗布したナノ金属ペーストの表面と相手側の被接合金属板との間を離間させた状態で、外部より熱を加えてナノ金属ペーストの有機成分を揮散させ、このプレ加熱工程に続く加圧接合工程では、ナノ金属ペーストの塗布面に相手側の被接合金属板を重ねた上で金属板間に加圧力を加えてナノ金属粒子同士およびナノ金属粒子と被接合金属板とを融合／溶着させるようにし（請求項１）、またそのプレ加熱工程，加圧接合工程は具体的に次記のような態様で行うものとする。
（１）前記の加圧接合工程で、加圧力をゼロから最大圧力まで連続的，ないし段階的に増加させて金属ナノ粒子の融合／溶着を進行させるようにする（請求項２）。
（２）ナノ金属ペーストを塗布した被接合金属板，および相手側の被接合金属板を対面させて加圧接合治具の下側加圧板，上側加圧板にそれぞれセットし、プレ加熱工程では被接合金属板に塗布したナノ金属ペーストの表面と相手側の被接合金属板との間に隙間を残した状態でナノ金属ペーストの有機成分を蒸散させるように加熱し、続く加圧接合工程では上側加圧板を下降して被接合金属板を重ね合わせ、この状態で外部から加圧板に加圧力を加えてナノ金属粒子を融合／溶着させる（請求項３）。
（３）前項（２）の金属板接合方法に用いる加圧接合用治具を、固定の下側加圧板と、下側加圧板の上方に対峙して上下可動に案内支持した上側加圧板と、上側加圧板を下側押圧板に向けて付勢する押圧バネと、常温では上側加圧板を上昇位置に拘束保持し、所定のプレ加熱温度に達したところで前記拘束を解除して上側加熱板をバネ付勢により下降させる熱動式ストッパ手段とから構成する（請求項４）。
（４）前項（３）の熱動式ストッパ手段として、下側加圧板と上側加圧板に結合した高さ調整ボルトの先端との間に、ナノ金属ペーストの有機成分が揮散する加熱温度で軟化，融解する温度特性の溶融スペーサを介挿する（請求項５）。
（５）前項（４）の溶融スペーサとして、油脂系ワックス，熱可塑性樹脂，はんだ等のように所定の加熱温度で溶融する材質を用いる（請求項６）。

上記の接合方法によれば次記の効果を奏する。すなわち、ナノ金属ペーストの塗布工程に続くプレ加熱工程では、相手側の被接合金属板をナノ金属ペーストの表面から離間して両者間に隙間を確保した状態で加熱し、分散材と分散材捕捉材との反応，およびその反応物質を捕捉した揮発性有機成分を前記の隙間を通じて周囲に揮散させる。したがって、分散材との反応物質，および該反応物質を捕捉した揮発性有機成分は、従来方法のように被接合金属板の間に封じ込められることがなく、また周囲雰囲気の酸素成分との反応により揮発性有機成分の揮散を促進させて金属ナノ粒子の表面活性を高めることができる。
これにより、続く加圧接合工程で被接合金属板間に加圧力を加えることより、被接合金属板の接合面全域で金属ナノ粒子の融合／溶着が有機成分に阻害されることなく進行し、接合面域に未接合部分を残すことなく被接合金属板の間を適正に接合できる。

また、この場合に加圧力をゼロから連続ないし段階的に増加させることにより、金属ナノ粒子の融合／溶着と残りの有機成分の揮散が効果的に同時進行させて未接合の発生を効果的に防げるようになる。すなわち、図５に示した絶縁基板のようにセラミック板に導体パターン（銅箔）を被着した被接合金属板では、セラミックと銅箔との熱膨張係数差からプレ加熱工程を含めて外部からの加熱により反りが生じる。したがってこの状態で被接合金属板に低い加圧力を加えると、最初は反りの生じた被接合金属板の中央面域が金属ナノ粒子に圧接してこの面域が接合され、ここから被接合金属板の反りに抗して加圧力を高めていくと金属ナノ粒子／被接合金属板の溶着範囲が金属板の中央部分から外周側に向けて広がるようになり、これに伴い加熱分解したナノ金属ペーストの有機成分は接合面域の中央に取り残されることなく、接合面域の外周側に移行して周囲に揮散消滅するようになる。

これにより、上記の金属板接合方法をパワー半導体モジュールの部品間接合部に適用することで、２００℃〜３００℃程度の低い接合温度で高い耐熱性，熱放散性と併せて接合部の信頼性向上が図れる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図５に示したパワー半導体モジュールに対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
まず、図１は本発明によるナノ金属ペーストを用いた金属板間の接合工程を表す図で、その接合工程はナノ金属ペーストの塗布工程（＃１）と、プレ加熱工程（＃２）と加圧接合工程（＃３）とに分けて行うようにしている。ここで、ナノ金属ペースト塗布工程＃１では、二枚の被接合金属板のうち、一方の金属板の接合面にナノ金属ペーストをスクリーン印刷法などにより均一厚さに塗布するものとし、ここでは図５に示した銅ベース１と絶縁基板２との接合を例に、図２（ａ）に示した銅ベース１の上面にナノ金属ペースト７（例えば、非特許文献１に開示されているナノ金属ペースト（例えば、商品名：ナノペースト），ハリマ化成（株））を厚さ１０〜５００μｍの範囲で均一厚さに塗布する。

次のプレ加熱工程＃２では、図２（ａ）のようにナノ金属ペースト７を塗布した銅ベース１を接合治具（接合治具の詳細構造については後述する）の下側加圧板８の上にセットし、絶縁基板２は導体パターン２ｂを下に向けて上側加圧板９にセットした上で、ナノ金属ペースト７の表面と導体パターン２ｂとの間に適正な隙間ｇ（例えば、２０μｍ以上）を確保した状態で接合治具とともに加熱炉に搬入し、加熱温度８０〜１６０℃（前記した「ナノペースト」の製品仕様に基づく）で数分〜数十分間加熱する。これにより、常温状態で金属ナノ粒子を独立分散状態に保持していたナノ金属ペーストの分散材が分散材捕捉材との反応により捕捉され、さらに分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉した揮発性有機成分が加熱により熱分解し、前記隙間ｇを通じて周囲に揮散するようになる。その結果、金属ナノ粒子が裸の状態になって表面活性が高まり、金属ナノ粒子の粒子間が結合して単体膜を形成すると同時に、銅ベース１との間でも金属ナノ粒子の融合／溶着が進むようになる。

そして、前記のプレ加熱工程＃２に引き続いて加圧接合工程＃３に移行すると、この加圧接合工程では図２（ｂ）で示すように上側加圧板９が下降して絶縁基板２の導体パターン２ａを銅ベース１に重ね合わせ、この状態で炉内温度を２００〜３５０℃に高めるとともに、治具に加圧力Ｆ（１〜５０ＭＰａ）を加えて銅ベース１，絶縁基板２をナノ金属ペースト７（この時点では金属ナノ粒子が表面活性の状態になっている）へ上下から圧接させた状態に保持する。これにより、銅ベース１，絶縁基板２の導体パターン２ｂとの間で金属ナノ粒子との融合／溶着が進行して銅ベース１／絶縁基板２の間が金属接合される。
なお、この加圧接合工程では、上側加圧板９に加圧手段として例えば加圧アクチュエータを装備して加圧力Ｆを加えるようにし、その加圧力Ｆは先述のようにゼロから所定の最大加圧力まで連続的，ないしは段階的に増加させて接合を行うことができる。

また、銅ベース１に絶縁基板２を接合した後は、前記と同様な手順，接合方法で絶縁基板２の上にマウントした半導体チップ３（図５参照）を接合し、さらにその上に接続リード４，外部リード５を接合して半導体モジュールを組立てる。図３は絶縁基板２に半導体チップ３を接合した組立体に対して、その上面側の接合箇所にナノ金属ペースト７を塗布して接続リード４，外部リード５を接合する際のプレ加熱工程状態を表しており、この状態では上側加圧板９にセットした接続リード４，外部リード５と下側加熱板８の上にセットした組立体との間を離間して両者の間に隙間ｇを保持している。なお、図中で７ａは既に接合が終了したナノ金属ペーストによる接合部、１０は半導体チップ３の上面電極に接合したヒートスプレッダを表している。
次に、加熱炉に搬入して前記のプレ加熱工程，およびこれに続く加圧接合工程を連続的に行うようにした半導体モジュールの量産態勢に対応したモジュール組立用接合治具の実施例を図４に示す。なお、図４は銅ベース１の上に絶縁基板２，および半導体チップ３を順に接合した組立体に対して、その上に接続リード４を接合する図３に対応した状態を表している。

図４において、８，９は先記した下側加圧板，上側加圧板、１１は上側加圧板９を貫通して下側加圧板８に植設した締め付けボルト（図中には１本のボルトが描かれているが、実際の構造では複数本のボルトが加圧板の周域に分散して配備されている）、１２は加圧接合工程で上側加圧板９に加圧力Ｆを加えるよう締め付けボルト１２の軸上に嵌挿した皿バネ（付勢バネ）、１３は上側加圧板９に接続リード４をセットする保持具である。
また、上記の治具をプレ加熱工程（上側加圧板９を図３に示した上昇位置に保持）の状態から加圧接合工程（上側加圧板９を下降して加圧力を加える）に移行させる熱動式ストッパ手段として、上側加圧板９に螺合した高さ調整ボルト１４、該高さ調整ボルト１４の先端に対向して下側加圧板８の上面に形成した凹状の窪み８ａ、および窪み８ａの中にセットして上側加圧板９を上昇位置に支える溶融スペーサ１５を備えている。ここで、溶融スペーサ１５は油脂系ワックス，熱可塑性樹脂，はんだ等のように常温では固相を呈し、炉内温度が上昇して所定のプレ加熱温度になると軟化，溶融する材質のものを使用する。

次に、上記構成の接合治具を用いて行う接合手順および動作について説明する。まず、前記窪み８ａの中に所定の温度特性をもった溶融スペーサ１５を挿入した上で、下側加圧板８，上側加圧板９に半導体モジュール組立体の接合部品を図示のようにセットし、この状態で絶縁基板２，半導体チップ３の上面電極にあらかじめ塗布したナノ金属ペースト７の表面と接続リード４の接合面との間に２０μｍ以上の適当な隙間を確保するように高さ調整ボルト１４を調整する。なお、この状態では皿バネ１２の加圧力Ｆが上側加圧板９，高さ調整ボルト１４を介して溶融スペーサ（固相）１５で担持されている。
次に、前記の組立状態で接合治具を加熱炉に搬入してプレ加熱を行う。ここで、炉内での加熱によりナノ金属ペースト７の有機成分が反応，揮散する状態になると、炉内温度を感知して前記溶融スペーサ１５が軟化，溶融し始める。これにより、皿バネ１２の加圧力Ｆを受けた高さ調整ボルト１４の先端が溶融スペーサ１５の中に没入して上側加圧板９が下降し、これに伴い接続リード４の接合面がナノ金属ペースト７の上に重なってその接合面間に加圧力Ｆが作用するようになる。その結果、先記のように金属ナノ粒子の融合／溶着により接続リード４が絶縁基板２の銅体パターン，半導体チップ３の上面電極に金属接合されることになる。

上記の説明で判るように、図４の接合治具に熱動式ストッパ手段として高さ調整ボルト１４，溶融スペーサ１５を装備しておくことで、接合治具に加圧力調整用の複雑なアクチュエータ機構を装備することなしに、接合治具をそのまま加熱炉に搬入してプレ加熱工程および加圧接合工程を連続して行うことができる。

本発明による金属板接合方法の接合工程を表すフローチャート図 半導体モジュールの銅ベース／絶縁基板間の接合に適用する本発明実施例の説明図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ図１のプレ加熱，加圧接合に対応する工程状態を表す図 半導体モジュールの組立体／接続リードの接合に適用する実施例のプレ加熱工程の状態を表す図 図２，図３の接合工程で使用する本発明の実施例による接合治具の構成図 本発明の接合方法を適用する半導体モジュールの従来における組立構造図

符号の説明

１ 銅ベース
２ 絶縁基板
３ 半導体チップ
４ 接続リード
５ 外部リード
７ ナノ金属ペースト
８ 接合治具の下側加圧板
９ 接合治具の上側加圧板
１２ 接合治具の加圧用皿ばね
１４ 高さ調整ボルト
１５ 溶融スペーサ

Claims (6)

1. 金属ナノ粒子，金属ナノ粒子が常温で凝集するのを抑制する有機分散材，加熱により有機分散材と反応する分散材捕捉材，および加熱により前記分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散する揮発性有機成分の混合組成になるナノ金属ペーストを用いて金属板の間を面接合する金属板接合方法であって、
   常温で前記ナノ金属ペーストを一方の被接合金属板の接合面に均一厚さに塗布する工程と、塗布したナノ金属ペーストの表面と相手側の被接合金属板との間を離間させた状態で、熱を加えてナノ金属ペーストの有機成分を揮散させるプレ加熱工程と、プレ加熱工程に引き続き被接合金属板を重ねた上で金属板間に加圧力を加えてナノ金属粒子同士およびナノ金属粒子と被接合金属板とを融合／溶着させる加圧接合工程からなることを特徴とする金属板接合方法。
2. 請求項１記載の金属板接合方法において、加圧接合工程では、加圧力をゼロから最大圧力まで連続的，ないし段階的に増加させることを特徴とする金属板接合方法。
3. 請求項１または２記載の金属板接合方法において、ナノ金属ペーストを塗布した被接合金属板，および相手側の被接合金属板を対面させて加圧接合治具の下側加圧板，上側加圧板にそれぞれセットし、プレ加熱工程では被接合金属板に塗布したナノ金属ペーストの表面と相手側の被接合金属板との間に隙間を残した状態でナノ金属ペーストの有機成分を蒸散させるように加熱し、続く加圧接合工程では上側加圧板を下降して被接合金属板を重ね合わせ、この状態で外部から加圧板に加圧力を加えてナノ金属粒子を融合／溶着させることを特徴とする金属板接合方法。
4. 請求項３記載の金属板接合方法に用いる加圧接合用治具が、固定の下側加圧板と、下側加圧板の上方に対峙して上下可動に案内支持した上側加圧板と、上側加圧板を下側押圧板に向けて付勢する押圧バネと、常温では上側加圧板を上昇位置に拘束保持し、所定のプレ加熱温度に達したところで前記拘束を解除して上側加熱板をバネ付勢により下降させる熱動式ストッパ手段とからなることを特徴とする加圧接合用治具。
5. 請求項４記載の加圧接合用治具において、熱動式ストッパ手段として、下側加圧板と上側加圧板に結合した高さ調整ボルトの先端との間に、ナノ金属ペーストの有機成分が揮散する加熱温度で軟化，融解する温度特性のスペーサを介挿したことを特徴とする加圧接合用治具。
6. 請求項５記載の加圧接合用治具において、スペーサが、油脂系ワックス，熱可塑性樹脂，はんだ等の材質であることを特徴とする加圧接合用治具。

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