JP2007067058A - Method of manufacturing electronic component aggregation and electronic component aggregation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機樹脂基板あるいはセラミックス基板に配線パターンを形成した印刷配線板、半導体装置、その他のチップ部品等の電子部品の金属端子を他の電子部品の金属端子に接合する場合、あるいはその電子部品の内部の金属端子同士を接合する場合に、金属超微粒子を焼結させることで接合する方法、および、その方法で金属端子同士を接合された印刷配線板や半導体装置などの電子部品に関する。 The present invention relates to a case where a metal terminal of an electronic component such as a printed wiring board having a wiring pattern formed on an organic resin substrate or a ceramic substrate, a semiconductor device, or another chip component is joined to a metal terminal of another electronic component, or the electronic The present invention relates to a method of joining metal terminals by sintering metal ultrafine particles when joining the metal terminals inside the parts, and an electronic component such as a printed wiring board or a semiconductor device in which the metal terminals are joined together by the method.
従来、半導体装置や印刷配線板などの電子部品を製造する際には、階層的に順次金属端子同士を電気的に接合する処理を繰り返す必要があった。例えばシリコン基板同士を、両者の金属端子同士を電気的に接合することで一体化したシリコン基板複合体を製造する。次に、そのシリコン基板複合体の金属端子をセラミックス基板上の金属端子に電気的に接合して一体化した半導体装置を製造する。続いて、その半導体装置の金属端子を、有機樹脂基板の金属端子に電気的に接合して一体にしたマルチチップモジュールを製造する。更に、そのマルチチップモジュールの金属端子を有機樹脂基板から成る印刷配線板の金属端子に電気的に接合し一体にしたパッケージ基板を製造する。 Conventionally, when manufacturing electronic components such as semiconductor devices and printed wiring boards, it has been necessary to repeat the process of electrically joining metal terminals in a hierarchical manner. For example, a silicon substrate composite in which silicon substrates are integrated by electrically joining both metal terminals to each other is manufactured. Next, a semiconductor device in which the metal terminal of the silicon substrate composite is electrically joined to the metal terminal on the ceramic substrate and integrated is manufactured. Subsequently, the multi-chip module in which the metal terminal of the semiconductor device is electrically joined to the metal terminal of the organic resin substrate to be integrated is manufactured. Further, a package substrate is manufactured by electrically joining the metal terminals of the multichip module to the metal terminals of a printed wiring board made of an organic resin substrate.
従来は、これらの製造工程の初めに接合する金属端子同士は高温はんだ合金で接合し、最後の製造工程で接合する金属端子同士は低温はんだ合金で接合し、その中間の製造工程で接合する金属端子同士は、中間的な温度の融点を有するはんだ合金で接合する。このようにすることで後の金属端子同士のはんだ接合処理により先に接合した金属端子同士の接合部の接合信頼性を損なわないようにしていた。 Conventionally, metal terminals to be joined at the beginning of these manufacturing processes are joined with a high-temperature solder alloy, metal terminals to be joined at the last manufacturing process are joined with a low-temperature solder alloy, and metal is joined in an intermediate manufacturing process. The terminals are joined with a solder alloy having an intermediate temperature melting point. By doing in this way, it was made not to impair the joint reliability of the junction part of the metal terminals joined previously by the soldering process of subsequent metal terminals.
後の金属端子同士の接合の製造工程が先に接合した金属端子同士の接合を損なわないようにするための解決策は、焼結温度が低い金属超微粒子の焼結による金属接合で金属端子同士を接合することである。その焼結温度が低くても、焼結を終えた金属接合部分は、その金属の融点程度の高温までの耐熱性を有するようになるため、次の製造工程における金属端子同士の低い温度による接合処理で加熱する温度に十分耐えることができるようになるからである。このため、焼結温度が低い金属超微粒子の焼結による金属接合により、被接合物の金属端子同士を強固な金属接合で接合する技術が望まれていた。 The solution to prevent the manufacturing process of joining the metal terminals later from damaging the joining of the metal terminals joined first is metal joining by sintering metal ultrafine particles having a low sintering temperature. Is to join. Even if the sintering temperature is low, the sintered metal joint part has a heat resistance up to the high temperature of the melting point of the metal, so the metal terminals in the next manufacturing process are joined at a low temperature. This is because it can sufficiently withstand the heating temperature in the treatment. For this reason, the technique which joins the metal terminals of a to-be-joined object by firm metal joining by metal joining by sintering of metal ultrafine particles with a low sintering temperature was desired.
ところで、金属超微粒子を利用して金属接合を行う技術として、以下のような例が知られている。 By the way, the following examples are known as techniques for performing metal bonding using metal ultrafine particles.
第1の従来例として、特許文献1には、アルコールと混合したアルミニウムあるいは銅の超微粉を金属板上に塗布し、その上からもう一方の金属材を加熱・加圧し、超微粉を焼結することで2つの金属材を接合させる技術が開示されている。
As a first conventional example,
第2の従来例として、特許文献2には、超微粒子を2つの被接合材の間に設置し、不活性ガス雰囲気中あるいは真空中で、加熱・加圧し超微粒子を焼結させることで2つの被接合材を接合する技術が開示されている。
As a second conventional example,
第3の従来例として、特許文献3には、第1の接続箇所と第2の接続箇所を接触させ、その接続箇所に金属超微粒子を吹き付け固着させることで第1の接続箇所と第2の接続箇所を電気的に接続させる技術が開示されている。
As a third conventional example,
第4の従来例として、特許文献4には、2つの金属の被接合面を、Ar原子をスパッタリングし、それにより金属面を清浄化するとともに金属超微粒子を生成し堆積させ、その被接合面同士を加圧することで2つの金属を接合する技術が開示されている。
As a fourth conventional example,
第5の従来例として、特許文献5には、被接合物の金属端子にNi層を設け、この上に有機溶媒に分散させたAg又はAuの金属超微粒子を塗布し、大気中で300℃以上に加熱し、有機物の炭素を酸化して除去し、加熱してAg層を形成した他の被接合物の金属端子と重ねることで、被接合物同士を金属超微粒子を介して接合する技術が開示されている。
As a fifth conventional example, in
第6の従来例として、特許文献6には、有機物で被覆された金属超微粒子を第1の被接合物と第2の被接合物の間に挟んで第1の被接合物と第2の被接合物を加圧し、200℃程度の温度で金属超微粒子を被覆している有機物を蒸発させるとともに金属超微粒子を焼結させ、第1と第2の被接合物を金属接合する技術が開示されている。
As a sixth conventional example, in
第7の従来例として、特許文献7には、銀の金属超微粒子を用いることが開示されている。銀は大気圧中で25℃における酸化物の生成に要する酸化の標準自由エネルギー(エリンガム図で示される)が酸素分子1モルあたり−30kジュール程度であり、酸化されにくいため、銀の金属超微粒子は焼結させ易い。特許文献7に開示された技術では、平均粒径5nmの銀の金属超微粒子を印刷配線板の金属端子上に配置し300℃で3分加熱して、印刷配線板の金属端子を半導体パッケージのバンプと接合するようにしている。
As a seventh conventional example,
また、第8の従来例として、特許文献8には、以下のような金属端子の接合方法が開示されている。第1の金属端子上に、平均粒径が1〜10nmの、金属塩を還元して形成したAg,AuまたはPbの金属超微粒子であって、周囲を有機性陰イオンの被覆層で被覆した複合金属超微粒子を金属粒子と混在させた金属ペーストを調整し、その金属ペーストにより高さ約2μmの金属ペーストボールを形成する。続いて、その金属ペーストボール上に第2の金属端子を重ねて、200〜250℃で30分間の熱風炉により低温焼成を行うことで被覆層を離脱或いは分解して消滅させ、同時に金属超微粒子を溶融結合させることで、第1、第2の金属端子をその間の金属超微粒子により接合する。 Further, as an eighth conventional example, Patent Document 8 discloses the following method for joining metal terminals. Ag, Au, or Pb ultrafine metal particles formed by reducing a metal salt having an average particle diameter of 1 to 10 nm on the first metal terminal, and the periphery is covered with a coating layer of organic anions A metal paste in which composite metal ultrafine particles are mixed with metal particles is prepared, and a metal paste ball having a height of about 2 μm is formed from the metal paste. Subsequently, a second metal terminal is stacked on the metal paste ball, and the coating layer is removed or decomposed and disappeared by performing low-temperature firing in a hot air oven at 200 to 250 ° C. for 30 minutes. By melting and bonding, the first and second metal terminals are joined by ultrafine metal particles therebetween.
しかしながら、これら従来の技術には以下の欠点があった。 However, these conventional techniques have the following drawbacks.
第1の従来例は、金属超微粒子をアルコールと混合するが、この作業を大気中で行う場合は、銅の金属超微粒子でも、室温でも1時間ほど大気中に曝すと厚さが0.5nm以上の酸化皮膜が形成され、それが後の焼結を妨げるようになる。この従来例では、銅の金属超微粒子を焼結させるために、真空中で200℃程度の加熱と加圧の保持時間を10分以上必要としていた。これは、銅の金属超微粒子の表面に酸化皮膜が存在するため、その酸化皮膜の成分の酸素を銅材料中に拡散させることで消滅させる時間が必要となることから、この時間を要したと考えられる。 In the first conventional example, ultrafine metal particles are mixed with alcohol. However, when this operation is performed in the atmosphere, even if the ultrafine metal particles of copper are exposed to the atmosphere for about 1 hour at room temperature, the thickness is 0.5 nm. The above oxide film is formed, which hinders subsequent sintering. In this conventional example, in order to sinter the ultrafine metal particles of copper, a heating and pressurization holding time of about 200 ° C. in a vacuum is required for 10 minutes or more. This is because an oxide film exists on the surface of the copper ultrafine particles of copper, and it takes time to dissipate by diffusing oxygen as a component of the oxide film into the copper material. Conceivable.
第2の従来例では、銅の金属超微粒子を粉末のままで用い、加熱温度400℃で加圧し30分以上保持する必要があった。このように、銅の金属超微粒子ではその表面に酸化皮膜が形成され易いので、酸化皮膜が分解しその酸素が銅の母材に拡散する時間が銅の金属超微粒子の焼結に要する時間となることから、その時間だけ、銅の金属超微粒子を用いた金属同士の接合に時間を要するという問題があった。 In the second conventional example, it was necessary to use copper metal ultrafine particles as powders, pressurize them at a heating temperature of 400 ° C. and hold them for 30 minutes or more. As described above, since an oxide film is easily formed on the surface of copper ultrafine metal particles, the time required for the oxide metal film to decompose and the oxygen to diffuse into the copper base material is the time required for sintering the copper metal ultrafine particles. Therefore, there is a problem that it takes time to join the metals using the ultrafine metal particles of copper for that time.
第3の従来例は、金属超微粒子は、超微粒子生成室に配置された貯蔵部の金属を蒸発させることで酸化皮膜の無い金属超微粒子を形成する。そして、その金属超微粒子と搬送ガスとの混合気体を作り、その気体を搬送管で搬送し、その先端の直径約70μmの細いノズルから金属超微粒子と搬送ガスの混合気体を金属パッドとリード線の接合部に噴射させ金属超微粒子を堆積させることで金属超微粒子が焼結して成る金属塊を形成し、それにより金属パッドとリード線を接合していた。しかし、金属超微粒子の表面の活性が高いため、金属超微粒子がこれを噴出するノズルの開口部の内側に容易に付着し、付着した金属超微粒子に他の金属超微粒子が付着・焼結して堆積物を形成し、それがノズルの開口を塞ぎやすい。そのため、そのノズルを頻繁に交換しなければならないという欠点があった。 In the third conventional example, the ultrafine metal particles form ultrafine metal particles having no oxide film by evaporating the metal in the storage unit disposed in the ultrafine particle generation chamber. Then, a mixed gas of the metal ultrafine particles and the carrier gas is formed, the gas is conveyed by a carrier tube, and the gas mixture of the metal ultrafine particles and the carrier gas is transferred from a thin nozzle having a diameter of about 70 μm to the metal pad and the lead wire. The metal ultrafine particles were deposited by spraying onto the joints to form a metal lump formed by sintering the ultrafine metal particles, thereby joining the metal pad and the lead wire. However, since the surface activity of the metal ultrafine particles is high, the metal ultrafine particles easily adhere to the inside of the nozzle opening from which the other metal ultrafine particles adhere and sinter. A deposit is formed, which tends to block the nozzle opening. For this reason, the nozzle has to be frequently replaced.
第4の従来例は、金属の被接合面を、Ar原子をスパッタリングし、それにより金属面を清浄化するとともに金属超微粒子を生成し堆積させるが、その金属面に堆積する金属超微粒子の粒径を適切な径にコントロールすることが難しいという問題があった。すなわち、金属の被接合面に堆積された金属超微粒子は、その粒径が小さいと速やかに焼結し平坦な金属面に変化してしまい、平坦な金属面になると焼結の活性を失ってしまう問題があった。他方、粒径の大きい金属超微粒子が存在すると、その金属超微粒子は、その焼結に多くの時間を要し、その金属超微粒子の焼結時間に律速されることにより金属の被接合面同士を接合する時間に長時間を要するという問題があった。 In the fourth conventional example, Ar atoms are sputtered on the surface to be joined of metal, thereby cleaning the metal surface and generating and depositing ultrafine metal particles. The ultrafine metal particles deposited on the metal surface are deposited. There was a problem that it was difficult to control the diameter to an appropriate diameter. In other words, the ultrafine metal particles deposited on the surface to be joined of the metal quickly sinter and change to a flat metal surface when the particle size is small, and lose the sintering activity when the metal surface becomes flat. There was a problem. On the other hand, if there are metal ultrafine particles having a large particle size, the metal ultrafine particles take a long time to sinter, and are controlled by the sintering time of the metal ultrafine particles. There is a problem that it takes a long time to bond the two.
第5の従来例および第7の従来例では、Agを用いるため、銀はマイグレーションを生じ、銀を用いた接合部分とその近くの配線パターンとの間の絶縁性を悪くするという問題があった。 In the fifth conventional example and the seventh conventional example, since Ag is used, migration of silver occurs, and there is a problem that the insulation between the joint portion using silver and the wiring pattern in the vicinity thereof deteriorates. .
第6の従来例では、銅の金属超微粒子を脂肪酸錯体などの有機物で被覆した状態で第1の被接合物と第2の被接合物の間に挟んで、200℃程度の温度に加熱することで金属超微粒子が焼結する際に、金属超微粒子の表面の一部に残留した脂肪酸錯体を、金属超微粒子の焼結構造内に閉じ込める。金属超微粒子の焼結構造内に閉じ込められた脂肪酸錯体は、焼結の進行に伴い炭化し、その炭素が金属超微粒子の焼結構造内に残留しそれ以上の焼結を妨げるため焼結構造の機械的強度を弱めるという問題があった。 In the sixth conventional example, copper ultrafine particles of copper are covered with an organic substance such as a fatty acid complex, and are sandwiched between a first object to be bonded and a second object to be bonded, and heated to a temperature of about 200 ° C. Thus, when the ultrafine metal particles are sintered, the fatty acid complex remaining on a part of the surface of the ultrafine metal particles is confined in the sintered structure of the ultrafine metal particles. The fatty acid complex trapped in the sintered structure of ultrafine metal particles is carbonized as the sintering proceeds, and the carbon remains in the sintered structure of ultrafine metal particles, preventing further sintering. There was a problem of weakening the mechanical strength.
第8の従来例は、被覆層を離脱或いは分解して消滅させる必要があるため、第1、第2の金属端子間に金属ペーストボールの表面を露出させ、そこに露出した金属ペーストボールの表面の露出した金属超微粒子の被覆層を離脱或いは分解して消滅させてその表面の金属超微粒子を焼結させることで2つの金属端子を接合していた。 In the eighth conventional example, it is necessary to remove or disassemble the coating layer so that the surface of the metal paste ball is exposed between the first and second metal terminals, and the surface of the metal paste ball exposed there The exposed metal ultrafine particle coating layer was removed or decomposed to disappear, and the metal ultrafine particles on the surface were sintered to join the two metal terminals.
しかし、第8の従来例では、金属超微粒子集合の閉じた空間内に金属超微粒子の被覆層が閉じ込められると、その被覆層の有機物の分解生成物の炭素の逃げ場が無く金属接合部に残留してしまうため、その炭素が金属超微粒子の集合の金属接合を弱くしてしまい金属超微粒子の集合の内部の金属接合が弱いという欠点があった。そのため、金属超微粒子の集合の体積に対する露出表面の面積を大きくする必要から、2つの金属端子間に金属ペーストボールを設置することで、その直径と高さをほぼ同じ大きさの形状にしていた。すなわち、その直径の高さに対する比が10倍程度に大きい層状の金属超微粒子層を焼結させることによる緻密な金属層による金属端子同士の強固な金属接合が行えない欠点があった。 However, in the eighth conventional example, when the coating layer of the ultrafine metal particles is confined in the closed space of the aggregate of ultrafine metal particles, there is no escape space for the carbon of the decomposition product of the organic matter of the coating layer and remains in the metal joint. As a result, the carbon weakens the metal bonding of the set of ultrafine metal particles, and the metal bond inside the set of ultrafine metal particles is weak. For this reason, since it is necessary to increase the area of the exposed surface with respect to the volume of the aggregate of ultrafine metal particles, a metal paste ball is installed between the two metal terminals, so that the diameter and height thereof are approximately the same size. . That is, there is a defect that the metal terminals cannot be firmly bonded to each other by the dense metal layer by sintering the layered ultrafine metal particle layer whose ratio of the diameter to the height is about 10 times larger.
更に、第8の従来例では、200〜250℃の温度で30分間の熱風炉により焼成する必要があり、処理温度も高く、処理時間も長時間を要するという欠点があった。また、第8の従来例で用いられている鉛については、鉛の融点が327℃と低く、また、その平均粒径が1〜10nmと小さいために鉛の超微粒子の融点が200℃以下になり、200℃以上では溶融した鉛超微粒子の表面の酸化皮膜が裂け内部の鉛が露出して接合することで鉛超微粒子同士が金属接合すると考えられる。そのため、第8の従来例では、鉛以外の、融点が400℃以上の金属で、酸化皮膜が形成され易い、酸化の標準自由エネルギーが酸素分子1モルあたり−100kジュール以下の金属による超微粒子の場合は、その金属に形成される酸化皮膜が焼結を妨害するため、その金属超微粒子の焼結には、より高い温度とより長い時間を要する問題があった。 Further, in the eighth conventional example, it is necessary to perform firing in a hot air oven at a temperature of 200 to 250 ° C. for 30 minutes, the processing temperature is high, and the processing time is long. The lead used in the eighth conventional example has a lead melting point as low as 327 ° C., and the average particle size is as small as 1 to 10 nm. Thus, at 200 ° C. or higher, the oxide film on the surface of the melted lead ultrafine particles is split, and the lead inside is exposed and joined, so that it is considered that the lead ultrafine particles are metal-bonded. Therefore, in the eighth conventional example, ultrafine particles of metals other than lead, which have a melting point of 400 ° C. or more, are easy to form an oxide film, and have a standard free energy of oxidation of −100 kJ or less per mole of oxygen molecule. In this case, since the oxide film formed on the metal hinders the sintering, there is a problem that the sintering of the ultrafine metal particles requires a higher temperature and a longer time.
本発明の課題は、かかる従来の問題を解決することにあり、金属端子の接合を、長時間を要することなく大きな接合強度で実現できるようにすることにある。 An object of the present invention is to solve such a conventional problem, and to enable metal terminal bonding to be realized with high bonding strength without requiring a long time.
本発明は、金属端子同士を、特に、酸化皮膜が形成され易い、酸化の標準自由エネルギーが酸素分子1モルあたり−100kジュール以下で、融点が400℃以上の金属からなる金属超微粒子を焼結させて金属結合する技術である。 The present invention sinters metal terminals, particularly metal ultrafine particles made of a metal having a standard free energy of oxidation of -100 kJ or less per mol of oxygen molecule and a melting point of 400 ° C. or more, in which an oxide film is easily formed. This is a technology for metal bonding.
すなわち、酸化皮膜が形成されている金属超微粒子を第1の金属端子上に配置し、次に、その酸化皮膜を還元して除去し純粋な金属超微粒子に関して理論的に予想されるまでの活性度で、金属超微粒子の焼結機能を発現させ、次に、第2の金属端子を、その金属超微粒子を間に挟んで第1の金属端子に重ね合わせ、金属超微粒子を焼結させることで第1の金属端子に第2の金属端子を金属接合させる技術である。 That is, the metal ultrafine particles on which the oxide film is formed are arranged on the first metal terminal, and then the oxide film is reduced and removed, and the activity up to the theoretical expectation for pure metal ultrafine particles is achieved. The second metal terminal is superimposed on the first metal terminal with the metal ultrafine particle in between, and the metal ultrafine particle is sintered. In this technique, the second metal terminal is bonded to the first metal terminal.
そのため、本発明では、第1の金属端子と第2の金属端子の間に、銅、鉄、ニッケル、コバルト、チタンなどの、融点が400℃以上あり、特に、大気圧中で25℃における酸化物の生成に要する酸化の標準自由エネルギー(エリンガム図で示される)が酸素分子1モルあたり−100kジュール以下であって酸化皮膜が形成され易い金属からなる金属超微粒子を挟んで、第1の金属端子と第2の金属端子を、金属超微粒子を介して金属接合する。その金属超微粒子には、印刷配線板あるいは半導体装置のような電子部品の加工条件に合わせた適切な粒径のものを用いる。そして、先ず、その金属超微粒子を第1の金属端子に配置した後、金属超微粒子の酸化皮膜を、適切な温度と時間以内で還元させることで、第1の金属端子の表面に、その後に焼結する活性を残した金属超微粒子の層を形成する。次に、その金属超微粒子の層の表面に第2の金属端子を重ね合わせ、焼結を生じる適切な温度で金属超微粒子を焼結させることで、第1、第2の金属端子を金属超微粒子によって金属接合させるようにしている。 Therefore, in the present invention, the melting point of copper, iron, nickel, cobalt, titanium, or the like between the first metal terminal and the second metal terminal is 400 ° C. or higher, and in particular, oxidation at 25 ° C. under atmospheric pressure. The first metal is sandwiched between metal ultrafine particles made of a metal that has a standard free energy of oxidation (shown in the Ellingham diagram) required for the production of the product and is less than −100 kJoules per mole of oxygen molecules and an oxide film is easily formed. The terminal and the second metal terminal are metal-bonded via ultrafine metal particles. As the metal ultrafine particles, those having an appropriate particle size in accordance with the processing conditions of an electronic component such as a printed wiring board or a semiconductor device are used. First, after the ultrafine metal particles are disposed on the first metal terminal, the oxide film of the ultrafine metal particles is reduced within an appropriate temperature and time, so that the surface of the first metal terminal is thereafter A layer of ultrafine metal particles that retains the activity of sintering is formed. Next, the second metal terminal is superposed on the surface of the layer of the metal ultrafine particles, and the metal ultrafine particles are sintered at an appropriate temperature at which sintering occurs, whereby the first and second metal terminals are made to be metal ultrafine. Metal particles are joined by fine particles.
本発明によれば、第1の電子部品の第1の金属端子の表面に、粒子の直径が0.5nmから70nmの金属超微粒子を分散した液体を吐出し、前記液体の媒体を蒸発させることで厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの10倍以上の金属超微粒子層を形成するとともに、前記金属超微粒子層における前記金属超微粒子の表面の酸化皮膜を、還元性ガスにより、前記金属超微粒子の粒径により定まる焼結時間よりも短い時間で還元する第1の工程と、次に、前記金属超微粒子層を形成した前記第1の金属端子に対向させて第2の電子部品の第2の金属端子を接触させ加熱し加圧することで、前記第1の金属端子及び第2の金属端子同士を、その間の前記金属超微粒子を焼結させることで金属接合させる第2の工程とを有することを特徴とする電子部品の集合体の製造方法が提供される。 According to the present invention, a liquid in which ultrafine metal particles having a particle diameter of 0.5 nm to 70 nm are dispersed is discharged onto the surface of the first metal terminal of the first electronic component, and the liquid medium is evaporated. And forming a metal ultrafine particle layer whose diameter in a direction perpendicular to the thickness direction is 10 times or more of the thickness, and forming an oxide film on the surface of the metal ultrafine particle in the metal ultrafine particle layer with a reducing gas, A first step of reducing in a time shorter than a sintering time determined by the particle size of the ultrafine metal particles, and then a second electronic component facing the first metal terminal on which the ultrafine metal particle layer is formed A second step of bringing the first metal terminal and the second metal terminal into contact with each other by sintering the metal ultrafine particles therebetween by bringing the second metal terminal into contact and heating and pressurizing. An electron characterized by having Method for producing a collection of goods are provided.
本発明によればまた、第1の電子部品の第1の金属端子と第2の電子部品の第2の金属端子を接合させた接合部分を有する電子部品の集合体であって、該接合部分が、対向する前記第1、第2の金属端子の間に粒子の直径が0.5nmから70nmの金属超微粒子を焼結させて成る、厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの10倍以上の金属層を有することを特徴とする電子部品の集合体が提供される。 According to the present invention, there is also provided an electronic component assembly having a joint portion obtained by joining the first metal terminal of the first electronic component and the second metal terminal of the second electronic component, the joint portion. However, between the first and second metal terminals facing each other, a metal ultrafine particle having a particle diameter of 0.5 nm to 70 nm is sintered, and the diameter perpendicular to the thickness direction is 10 mm. There is provided an assembly of electronic components characterized in that it has double or more metal layers.
本発明によれば更に、第1の電子部品の第1の金属端子と第2の電子部品の第2の金属端子を接合させた接合部分を有する電子部品の集合体であって、該接合部分が、対向する前記第1、第2の金属端子の間に、銅あるいは銅成分が50原子%以上の銅合金からなる、粒子の直径が0.5nmから70nmの金属超微粒子を焼結させて成る、厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの10倍以上の金属層を有することを特徴とする電子部品の集合体が提供される。 According to the present invention, there is further provided an assembly of electronic components having a joint portion obtained by joining the first metal terminal of the first electronic component and the second metal terminal of the second electronic component, the joint portion. However, between the first and second metal terminals facing each other, ultrafine metal particles having a particle diameter of 0.5 nm to 70 nm made of copper or a copper alloy having a copper component of 50 atomic% or more are sintered. There is provided an assembly of electronic components characterized by having a metal layer having a diameter in a direction perpendicular to the thickness direction of 10 times or more of the thickness.
本発明によれば、例えば銅について言えば、その金属超微粒子を分散液に分散させた状態で、第1の電子部品の第1の金属端子の表面に配置し、分散液を蒸発させることで銅の金属超微粒子層を形成し、その銅の金属超微粒子層の上に第2の電子部品の第2の金属端子を重ね、金属超微粒子を、銅の融点より低い温度で焼結することで、第1、第2の金属端子を銅の金属超微粒子に金属接合させるようにしたことにより、第1の金属端子と第2の金属端子を金属超微粒子に、短時間かつ低温度でしかも大きな接合強度で金属結合させることができる。 According to the present invention, for example, for copper, the metal ultrafine particles are disposed on the surface of the first metal terminal of the first electronic component while being dispersed in the dispersion, and the dispersion is evaporated. Forming a copper ultrafine particle layer of copper, superimposing the second metal terminal of the second electronic component on the copper ultrafine particle layer, and sintering the ultrafine metal particles at a temperature lower than the melting point of copper. The first and second metal terminals are bonded to the ultrafine metal particles of copper so that the first metal terminals and the second metal terminals are made into ultrafine metal particles in a short time and at a low temperature. Metal bonding can be performed with high bonding strength.
本発明によればまた、還元性ガス、例えば水素の大気圧水素プラズマあるいは水素原子を多量に含む還元性ガスにより金属超微粒子の表面の酸化皮膜をその焼結速度よりも速く還元させて除去し、次に、焼結の活性がある状態の金属超微粒子を焼結させるようにしたことにより、第1、第2の金属端子同士を強固に金属接合させることができる。 According to the present invention, the oxide film on the surface of the metal ultrafine particles can be reduced and removed faster than the sintering rate by a reducing gas such as atmospheric hydrogen plasma of hydrogen or a reducing gas containing a large amount of hydrogen atoms. Next, the first and second metal terminals can be strongly bonded to each other by sintering the ultrafine metal particles having a sintering activity.
[本発明の原理]
本発明は、第1の金属端子上に金属、例えば銅の金属超微粒子(いわゆるナノ粒子)による、厚さ方向に直角な方向の直径がその厚さの10倍以上ある金属超微粒子層を配置し、その金属超微粒子の表面の酸化皮膜を還元性気体の存在下で生起されたプラズマあるいは原子状水素の雰囲気により還元し酸化皮膜が除去された生の金属表面を露出させ、第1の金属端子上の金属超微粒子層に第2の金属端子を重ねて、第1、第2の金属端子をその金属超微粒子を焼結させることで直径が厚さの10倍以上ある扁平な構造で緻密な金属層を形成することにより接合するという着想に基づいている。しかし、この場合、第1の金属端子上の金属超微粒子の粒径が小さいと、それは還元後に速やかに焼結し平坦な金属面に変化してしまい、平坦な金属面になると焼結の活性を失ってしまう。他方、粒径の大きい金属超微粒子が存在すると、その金属超微粒子は、その焼結に多くの時間を要し、その金属超微粒子の焼結時間に律速されることにより金属の被接合面同士を接合する時間に長時間を要する。このように、金属端子間に金属超微粒子を介在させることで金属接合させることは容易ではない。
[Principle of the present invention]
In the present invention, a metal ultrafine particle layer having a diameter in the direction perpendicular to the thickness direction of 10 times or more of a metal, such as copper metal ultrafine particles (so-called nanoparticles), is disposed on the first metal terminal. Then, the oxide film on the surface of the metal ultrafine particles is reduced by plasma or atomic hydrogen atmosphere generated in the presence of a reducing gas to expose the raw metal surface from which the oxide film has been removed, and the first metal is exposed. The second metal terminal is overlapped on the metal ultrafine particle layer on the terminal, and the first and second metal terminals are sintered with the metal ultrafine particles, so that the diameter is more than 10 times as thick as the flat structure. This is based on the idea of joining by forming a simple metal layer. However, in this case, if the particle size of the metal ultrafine particles on the first metal terminal is small, it will sinter quickly after reduction and change to a flat metal surface. Will be lost. On the other hand, if there are metal ultrafine particles having a large particle size, the metal ultrafine particles take a long time to sinter, and are controlled by the sintering time of the metal ultrafine particles. It takes a long time to join. Thus, it is not easy to perform metal bonding by interposing metal ultrafine particles between metal terminals.
上記の問題点に対し、本発明は、金属、例えば銅の金属超微粒子の焼結温度は、その金属超微粒子の粒径が小さくなるとともに低下し、また、その焼結温度は金属超微粒子の粒径が小さくなることにより低下する融点により十分低い温度になることを利用している。 In contrast to the above problems, the present invention is such that the sintering temperature of ultrafine metal particles of metal, such as copper, decreases as the particle size of the ultrafine metal particles decreases, and the sintering temperature of the ultrafine metal particles is low. The fact that the temperature becomes sufficiently low due to the melting point that decreases as the particle size decreases is utilized.
本発明は、図1に示すように、特に、融点が400℃で、大気圧中で25℃における酸化物の生成に要する酸化の標準自由エネルギー(エリンガム図で示される)が酸素分子1モルあたり−100kジュール以下であって酸化皮膜が形成され易い金属の金属超微粒子3による、厚さ方向に直角な方向の直径がその厚さの10倍以上ある金属超微粒子層3bを、印刷配線板あるいは半導体装置などの電子部品の金属端子2aと別の電子部品の金属端子(図示せず)との間に設置し、両者を接合する。この種の金属は、銅、鉄、ニッケル、コバルト、チタンなどが考えられる。また、標準自由エネルギーが−100kジュールを越える銀や金の金属超微粒子3についても、薄い酸化皮膜の存在により生の金属に比べて焼結速度が低下しているが、その酸化皮膜を還元除去することで焼結の速度を速め、それらの金属超微粒子を電子部品の金属端子間に介在させた速やかな焼結によりその金属端子同士を接合することができる。これらの金属超微粒子3は、製造する電子部品の加工条件に合わせた焼結機能を有する適切な粒径のものを用いる。そして、先ず、その金属超微粒子3を、電子部品の金属端子(第1の金属端子)2aに配置した後に、その酸化皮膜を焼結が進行しない適切な温度と時間以内で還元させることで、金属端子2aの表面に焼結の活性を有する金属超微粒子3の層3bを形成する。ここで、金属超微粒子層3bのサイズを厚さ及び直径で表しているが、これは金属超微粒子層3bが扁平な円形に近い形状になり易いからである。そこで、仮に金属超微粒子層3bが矩形状になるような場合にはその幅のサイズが直径として表される。
In the present invention, as shown in FIG. 1, in particular, the standard free energy of oxidation (shown in the Ellingham diagram) required for the formation of an oxide at a melting point of 400 ° C. and atmospheric pressure at 25 ° C. A metal
次に、図2に示すように、金属超微粒子層3bを別の電子部品の金属端子(第2の金属端子)2bと重ね合わせて加圧し、焼結を生じる適切な温度と時間をかけて、2つの金属端子2a,2b間の金属超微粒子3を焼結させることで2つの金属端子2a,2bを金属接合させる。
Next, as shown in FIG. 2, the metal
例えば、1気圧25℃での酸化の標準自由エネルギーが酸素分子1モルあたり約−300kジュールである銅の金属超微粒子3を用いる場合は、その金属超微粒子3の直径が2nmから70nmのものを分散液3aに分散させる。この分散液3a中の銅の金属超微粒子3には、その表面に厚さが1nm程度の酸化皮膜が形成される。その酸化皮膜が銅の金属超微粒子3同士の結合を妨げるので、個々の銅の金属超微粒子3が分散液3a中で焼結せず、独立して存在するよう良く分散される。
For example, when using copper
次に、その分散液3aを、図1に参照番号8で示すディスペンサーやインクジェットプリンタ等により、第1の絶縁基板(樹脂シート)5−1上の銅の第1の金属端子2aに吐出し、その分散液3aを乾燥させ、厚さ方向に直角な方向の直径が10μmから100μm程度で厚さが0.1μmから1μm程度、すなわち直径が厚さの10倍以上の銅の金属超微粒子層3bを形成する。
Next, the
次に、銅の金属超微粒子3の表面を、水素、アンモニア、一酸化炭素等の還元性原料ガスを用いた大気圧プラズマの還元性ガス4に接触させる。還元性ガス4としては、この他に、還元性原料ガスを加熱した触媒体に接触させて、その表面での接触分解反応を利用して分解することで原子状水素を多量に生成し、その原子状水素を大気圧のアルゴンガスや窒素ガスに混入させて形成した還元性ガスを用いても良い。このように原子状水素を混入させた還元性ガスも、還元性の大気圧プラズマによる還元性ガス4と同じく還元力が強いので、以下の処理で用いることができる。これらの還元性ガス4により、金属超微粒子3の表面に付着した炭素成分を、メタンガスなどのガスに変えることで除去する。また、この還元性ガス4は、これと同時に、銅の金属超微粒子3の酸化皮膜を、酸化皮膜が除去された後の銅の金属超微粒子3の焼結速度よりも速い速度で還元することができる。また、この工程では、減圧環境においてアルゴンガスのスパッタ処理を行うことによっても、銅の金属超微粒子3の表面の炭素成分と酸化皮膜を同時に除去することができる。
Next, the surface of the copper
最後に、図2に示すように、そのようにして焼結の活性を有する銅の金属超微粒子層3b上に、第2の絶縁基板5−2上の100℃から300℃に加熱した第2の金属端子2bを重ねて加圧することで、第1の金属端子2aと第2の金属端子2bの間の銅の金属超微粒子3を焼結させ、それにより第1の金属端子2aと第2の金属端子2bを強固に金属接合させる。
Finally, as shown in FIG. 2, the second ultra-fine
ここで、金属超微粒子3の焼結速度は、金属超微粒子3の粒径と温度により定まり、その温度は、金属超微粒子3の融点よりも低い温度で焼結する。金属超微粒子3の焼結時間tは、非特許文献1に開示されている実験結果に良く合う以下の式(1)により計算できる。
Here, the sintering speed of the metal
t=(3kBT*N)/(64πE*D) (1) t = (3k B T * N ) / (64πE * D) (1)
式(1)において、Tは温度である。また、Nは焼結後の体積の金属超微粒子3の原子数で、銅の金属超微粒子3の場合は、N=(4π/3)R3/(0.0118nm3)(Rは焼結後の銅の金属超微粒子3の半径)である。tは経過時間である。Eは気体と接する表面自由エネルギーであり、銅の金属超微粒子3の場合は、1670erg/cm2である。kBはボルツマン定数1.38*10−23 (J/deg)である。また、Dは拡散係数であり、以下の式(2)であらわされる。
In Formula (1), T is temperature. N is the number of atoms of the
D=Doexp(−Q/(kB*NA*T)) (2)
但し、NAはアボガドロ数6.02*1023 (/mol)である。
D = Doexp (-Q / (k B * N A * T)) (2)
However, N A is Avogadro's number 6.02 * 10 23 (/ mol) .
式(2)の拡散係数は、表面拡散係数あるいは粒界拡散係数が用いられる。銅の金属超微粒子3では、粒界拡散係数を用いるのが妥当と考えられ、その拡散係数は、振動数因子Do=0.1cm2/sec、粒界拡散の活性化エネルギーQは105kJ/molである。
As the diffusion coefficient of equation (2), a surface diffusion coefficient or a grain boundary diffusion coefficient is used. It is considered appropriate to use the grain boundary diffusion coefficient for the copper
図3に、本発明者により式(1)を銅の金属超微粒子3に適用して計算した焼結時間tを、銅の金属超微粒子3の半径R毎に示す。但し、このRは、焼結以前の複数の銅の金属超微粒子3が結合した結果の体積の半径と解し、焼結時間は、その体積の銅の金属超微粒子3の形成に要する時間と解することができる。そのため、この焼結を開始する元の銅の金属超微粒子3の半径はおおむねその半分程度と考え、図3に示すRは、焼結する以前の銅の金属超微粒子3の直径にあたると考える。すなわち、直径dの金属超微粒子8つが焼結し直径2dの金属超微粒子が形成される時間が式(1)で計算される焼結時間tと考える。そこで、以下ではこのRを金属超微粒子の直径d(焼結する以前の金属超微粒子の直径)と呼んで説明を行う。
FIG. 3 shows the sintering time t calculated by applying the formula (1) to the copper
図3から、温度Tが100℃から300℃の範囲では、元の銅の金属超微粒子3の直径dが10nm程度の場合、200℃では1秒程度で焼結するが100℃では1000倍の1000秒かかり、温度により焼結時間に大きな開きがあることがわかる。また、同じ200℃の温度でも、金属超微粒子3の直径が大きくなると、直径dが20nmでは7秒、d=40nmでは50秒、d=70nmでは280秒かかるというように、直径dにより焼結時間に大きな開きがある。
From FIG. 3, when the temperature T is in the range of 100 ° C. to 300 ° C., when the diameter d of the original
このグラフから、銅の金属超微粒子3の焼結速度は、温度が200℃と300℃では100倍の速度差があり、温度が100℃と300℃では10万倍の速度差があることがわかる。このような温度による焼結の速度差を利用することで、比較的低温で、銅の金属超微粒子3の粒径とその温度により定まる焼結時間以内の時間で銅の金属超微粒子3の酸化皮膜を還元させる。そして、比較的高温に加熱することで、銅の金属超微粒子3の粒子径とその温度により定まる焼結時間以上の時間で焼結させる。この焼結の際の温度を上げることで速やかに焼結させることができる。
From this graph, the sintering speed of the copper
[第1の実施例]
本発明の第1の実施例として、多層の印刷配線板を製造する場合を説明する。第1の実施例では、表面に酸化皮膜が形成され易い銅の金属超微粒子を用い、図4に示す多層印刷配線板1を、以下の製造方法で製造する。
[First embodiment]
As a first embodiment of the present invention, a case where a multilayer printed wiring board is manufactured will be described. In the first embodiment, the multilayer printed
(1)先ず、直径2nmから70nmの銅の金属超微粒子3を、エチルアルコールやトルエンなどの有機溶剤や水を主成分とする分散液中に分散させて保持した分散液3a(図1参照)を製造する。この銅の金属超微粒子3は、分散液3a中で厚さが1nm程度の酸化皮膜が形成された状態で存在する。その酸化皮膜が金属超微粒子3同士の焼結を妨げることで、分散液3a中で個々の金属超微粒子3が独立し良く分散された状態を保つことができる。
(1) First, a
(2)次に、20μmから60μm程度の厚さが10mmから600mm程度のガラスエポキシやポリイミド樹脂などから成る樹脂シート5上に、銅めっきによる配線パターン6と、樹脂シート5の表裏に形成された直径が50μmから200μmで厚さが10μmから50μm程度の銅めっきの金属端子2と、その表裏の金属端子2を接続するように、樹脂シート5を貫通する直径が50μmから200μmの孔に銅めっきで金属柱7を形成する。
(2) Next, on the
(3)次に、樹脂シート5を塩酸で洗浄することで、金属端子2の表面の酸化膜を溶解し除去する。しかし、この銅の金属端子2の表面は、その塩酸中に溶解している酸素成分で酸化されるため、厚さが1nm程度の薄い酸化皮膜が残る。
(3) Next, the
(4)次に、複数の樹脂シート5を、水素を含む大気圧プラズマあるいは原子状水素混入ガスなどの還元性ガス4(図1参照)に曝すことで、その樹脂シート5の金属端子2表面の有機物を還元し除去するとともに、金属端子2表面の1nm程度の薄い酸化皮膜を還元する。
(4) Next, the surface of the
(5)次に、還元性ガス4の雰囲気中で、各樹脂シート5を赤外線ランプなどで約100℃に加熱し、樹脂シート5の金属端子2上に、銅の金属超微粒子3を分散させた分散液3aをディスペンサーあるいはインクジェット装置などの吐出装置8(図1参照)により吐出させ、吐出された分散液3aを速やかに蒸発させ乾燥させる。そして、露出した銅の金属超微粒子3表面の酸化皮膜を還元性ガス4により還元させる。こうして、各樹脂シート5の直径が50μmから200μmの金属端子2上に、分散剤を含まない銅の金属超微粒子3のみによる厚さが200nm以下の層状の銅の金属超微粒子層3bを形成する。
(5) Next, in the atmosphere of the reducing
ここで、還元性ガス4の雰囲気中での、銅の金属超微粒子3の還元時間は、図3に従って、銅の金属超微粒子3の焼結以前の直径dにより定まる焼結時間以内の時間で還元処理をする。すなわち、樹脂シートを100℃に加熱し、直径dが2nmの場合は1秒以内で還元し、直径dが10nmでは100秒以内、直径dが70nmでは20000秒以内で還元する。あるいは、その直径dが2nmの場合は、樹脂シート5を約100℃に加熱し、その還元時間は約1秒以内で済ます。直径dが10nmの場合は、樹脂シート5を150℃に加熱し、その還元時間は約10秒以内で済ます。直径dが70nmの場合は、樹脂シート5を220℃に加熱し、その還元時間は約10秒以内で済ます。
Here, the reduction time of the copper
樹脂シート5の金属端子2上において銅の金属超微粒子3の所定の還元時間を過ぎた後には、その樹脂シート5を室温以下に冷却された金属定板などに接するなどの冷却手段で冷却させる。これにより、銅の金属超微粒子3の焼結速度を低下させることができる。
After a predetermined reduction time of the copper
また、この処理は、図1に示すように、銅の金属超微粒子3の直径dにより定まる焼結時間以内の時間で、数度繰り返すことで、数度に分けて銅の金属超微粒子3層を重ね、厚さが約0.5μmから5μmの銅の金属超微粒子層3bを形成しても良い。
In addition, as shown in FIG. 1, this treatment is repeated several times within a sintering time determined by the diameter d of the copper
(6)次に、還元性ガス4の雰囲気中で、あるいは、大気圧の水素ガス雰囲気中、窒素ガス中、あるいは真空中で、図4に示すように、各樹脂シート5を、銅の金属超微粒子3を配置した金属端子2同士を対向させて押し当てる。また、隣り合う樹脂シート5間にはプリプレグ9を挿入して積層し、約170℃に加熱し加圧しつつ30分から1時間程度保持することで、プリプレグ9の樹脂成分を溶融させ、樹脂シート5同士をプリプレグ9で接着する。その積層工程において、同時に、隣り合う樹脂シート5の金属端子2同士を、その間の銅の金属超微粒子3を焼結させることで金属接合させる。樹脂シート5同士の積層温度170℃における、銅の金属超微粒子3の焼結時間は、銅の金属超微粒子3の直径により定まる焼結時間以上の時間をかけることで焼結させることができる。すなわち、その直径が2nmの場合の焼結時間は100分の1秒以上であり、直径が10nmの場合の焼結時間は10秒以上であり、直径が70nmの場合の焼結時間は約1000秒(20分)以上である。
(6) Next, in the atmosphere of the reducing
ここで、樹脂シート5をプリプレグ9により積層する温度と加工時間で、銅の金属超微粒子3が十分良く焼結するために、銅の金属超微粒子3の直径は70nm以下であることが望ましい。他方、銅の金属超微粒子3の直径が2nm未満になると、その融点が300℃以下になって溶融し易くなり、焼結速度が極めて速くなり、焼結を停止させる取り扱いが困難になるため、銅の金属超微粒子3の直径は2nm以上であることが望ましい。以上から、銅の金属超微粒子3の直径は2nmから70nmまでの範囲が望ましい。
Here, the diameter of the copper
このようにして、対向し合う直径が50μmから200μmの金属端子2同士を銅の金属超微粒子3が焼結した厚さ5μm以下の金属層で、その直径が50μm以上あり、結局、その直径が厚さの10倍以上ある金属層を介して金属接合させることで、各層の配線パターン6が多層に電気接続する配線構造を有する多層印刷配線板1を得ることができる。
In this way, a metal layer having a thickness of 5 μm or less obtained by sintering the copper
ここで、本実施例の金属端子2は、厚さが10μm程度の銅めっきの金属端子のパターンの上に、銅の金属超微粒子を厚さ10μmまで設置し焼結することで形成しても良い。その場合は、200℃に加熱した金属端子のパターンの上に粒径が2nmの銅の金属超微粒子3の分散液をインクジェット装置などの高速吐出装置により100分の1秒で吐出する。分散液が200℃の金属端子に着弾して蒸発し、その金属超微粒子3の表面の酸化皮膜が還元されると、この粒径では、約100分の1秒で焼結する。そのため、50分の1秒間隔で金属端子のパターン上に重ねて分散液を吐出させ、銅の金属超微粒子3の層を焼結させた金属層の厚さを増すことで10μmの厚さまでに金属層を重ねた銅の金属端子2を形成し、それを用いることもできる。
Here, the
また、本実施例では金属超微粒子3の金属として銅を用いたが、銅を主成分とするベリリウムやマンガンや金や亜鉛や錫などの金属との合金、あるいは、銅を主成分とするガリウムやシリコンやゲルマニウなどとの合金等の、融点を銅の融点より低くした銅の合金の金属超微粒子3を用いることもできる。
In this embodiment, copper is used as the metal of the metal
[第1の実施例の効果]
本実施例は、従来、層間の配線接続をビアホールに銅めっきを形成することで得ていた多層印刷配線板を、その銅めっき工程を用いずに、銅の金属超微粒子3を用いることで、銅の配線パターン6と銅めっきによる金属柱7と金属端子2を形成した樹脂シート5を重ね合わせ、対向し合う金属端子2同士を銅の金属超微粒子3を用いて接合した。すなわち、本実施例は、銅の金属超微粒子3がその融点よりも十分低い温度で焼結する現象を利用し、印刷配線板の樹脂シート5を積層する条件において、各樹脂シート5に形成した金属端子2同士を、その間に挟み込んだ銅の金属超微粒子3を焼結させて金属接合することで、多層印刷配線板1の各層の配線パターン6が電気接続された多層の電気配線構造を有する多層印刷配線板1を短時間に得ることができる効果がある。これにより、印刷配線板1の製造コストを低減できる効果がある。ここで、従来、この種の効果を有する印刷配線板としては、銀ペーストを利用して樹脂シートの配線パターンの層間を電気接続した印刷配線板が知られていた。これに対し、本実施例は、従来の印刷配線板の銀ペーストを銅の金属超微粒子3による層に置き換えて製造することで、従来の銀ペーストを用いた電気接続では信頼性が低かった問題を解決している。また、印刷配線板が湿度環境に曝される場合に、それに用いられている銀ペーストの銀がマイグレーションすることにより、その配線間がショートする故障が生じ、信頼性が低いという問題を解決している。本実施例は、これにより、多層印刷配線板1の信頼性を向上させ、車載向けなどの高い安全性を求める情報家電にもこの多層印刷配線板1を使えるようにした産業上の効果がある。
[Effect of the first embodiment]
In this example, a multilayer printed wiring board that has been conventionally obtained by forming copper plating in via holes for wiring connection between layers is obtained by using copper
[第2の実施例]
第2の実施例が第1の実施例と異なる点は、金属超微粒子3として、適切な粒径の銅あるいは銅合金の金属超微粒子3と、それより粒径が小さいが焼結時間が同じ程度である他の金属あるいは合金の金属超微粒子3’(図6に示す)を混在させて用いる点にある。それら異なる種類の金属超微粒子を分散液3aに分散させ、図1、図2で説明したように、その分散液3aを第1の金属端子2aに吐出させ蒸発させることで、異種の金属あるいは合金から構成される金属超微粒子層3bを形成する。次に、還元性ガスによって有機物および酸化皮膜を還元、除去した後、第1の金属端子2aに第2の金属端子2bを重ね合わせ、金属超微粒子層3bを焼結させることにより第1の金属端子2aと第2の金属端子2bを金属接合させる。
[Second Embodiment]
The second embodiment is different from the first embodiment in that the metal
これにより、金属超微粒子層3bが焼結して得られた金属層の密度が高くなり、より強固な金属接合が得られる効果がある。
Thereby, the density of the metal layer obtained by sintering the metal
以下、第2の実施例における金属超微粒子の構成について詳しく説明する。 Hereinafter, the configuration of the ultrafine metal particles in the second embodiment will be described in detail.
第1の金属超微粒子3として、第1の実施例と同様な粒子径の銅の金属超微粒子を用いる。そして、第2の金属超微粒子として、チタンの金属超微粒子を用いる。チタンは銅よりも更に酸化され易い金属であるが、酸素の固容量が大きいため酸化皮膜の酸素がチタン中に拡散して消滅し易い。このため、銅の金属超微粒子3同士の接合面に酸化皮膜が少し残っている場合も、その酸化皮膜の酸素をチタン母材中に拡散することで酸化皮膜を消滅させ、金属超微粒子の焼結を助ける。チタンの焼結速度も、式(1)と式(2)で計算する。その計算のパラメータは、チタンの金属超微粒子の場合は、N=(4π/3)d3/(0.0175nm3)であり、気体と接する表面自由エネルギーEは1650erg/cm2である。また、チタンの粒界拡散係数は詳しいデータが無かったが、銅の場合と同様に、体積拡散係数の半分程度であると考えられ、その拡散係数の振動数因子Doは、1.4cm2/sec、粒界拡散の活性化エネルギーQは、150kJ/mol程度と考えられる。このパラメータで計算したチタンの焼結時間、焼結温度と粒径の関係を図5のグラフに示す。
As the first
図5のグラフから、チタンの金属超微粒子の焼結速度は、プリプレグ9(図4)を積層すると同時に金属超微粒子を焼結させる温度の170℃においては、粒子の直径dが10nmの銅の金属超微粒子3の焼結速度と、粒子の直径dが0.5nmのチタンの金属超微粒子の焼結速度が同じである。同様に、20nmの銅の金属超微粒子3と1nmのチタンの金属超微粒子の焼結速度が同じである。結局、銅の金属超微粒子3と、その20分の1の直径のチタンの金属超微粒子の焼結速度が同等である。このため、図6に示すように、直径が10nmの銅の第1の金属超微粒子3と、その直径の約4分の1の直径のチタンの第2の金属超微粒子3’を、それぞれ同じ数づつ混ぜ合わせることで、銅の金属超微粒子3が最密の面心立方格子状に充填された隙間に、ちょうど収納される直径のチタンの金属超微粒子3‘を混ぜ合わせるようにする。あるいは、直径が10nmの銅の金属超微粒子3の直径の20分の1の0.5nmの直径のチタンの金属超微粒子3’は焼結温度も銅の金属超微粒子3と同じ程度であるが、それを、銅の超微粒子3の体積に対して、0.26倍から0.5倍の体積の分量を混合する。この金属超微粒子の分散液3aを吐出させることで金属超微粒子層3bを形成し、第1の金属端子2aと第2の金属端子2bの間で焼結させることで、第1、第2の金属端子2a、2bを金属接合する。特に、銅の金属超微粒子3の20分の1で焼結温度も同じ程度のチタンの金属超微粒子3’を、銅の超微粒子3の体積に対して、0.26倍の体積量で混合する場合は、金属超微粒子層3bの焼結前の充填率を、銅の金属超微粒子のみの場合では74%の充填率であったのを93%にまで高められることで、焼結で得られる金属層が緻密に形成できる効果がある。
From the graph of FIG. 5, the sintering speed of the ultrafine metal particles of titanium is as follows. At 170 ° C., the temperature at which the ultrafine metal particles are sintered at the same time as the prepreg 9 (FIG. 4) is laminated, the diameter d of copper is 10 nm. The sintering speed of the
なお、本実施例は、銅の金属超微粒子3とチタンの金属超微粒子3’を混ぜ合わせた金属超微粒子層3bにより2つの金属端子同士を接合する場合を示したが、同様に、170℃において焼結速度が同等で大きさの異なる銅合金の金属超微粒子と銅の金属超微粒子3とを混ぜ合わせた金属超微粒子層3bにより2つの金属端子同士を接合することも可能である。
In addition, although the present Example showed the case where two metal terminals were joined by the metal
本実施例の他の変形例として、直径が20nm程度の銅の金属超微粒子3と、その直径が20倍の0.4μmから1μm程度の銅の金属微粒子とを混合した金属超微粒子層3bを第1の金属端子2aに設置して用いても良い。すなわち、その銅粒子の体積に対して0.26倍から0.5倍の銅の金属超微粒子3を混合した金属粒子混合体を、分散液中3aで良く撹拌し、その分散液3aを第1の金属端子2aに吐出し、分散液3aを速やかに乾燥させ、また、金属超微粒子3の酸化皮膜を還元性ガス4で還元させることで、0.4μmから1μmの厚さの金属粒子と金属超微粒子3が混合された金属超微粒子層3bを形成する。その後に、その金属超微粒子層3bの上に加熱した第2の金属端子2bを押し当てることで金属超微粒子層3bを焼結させ、両金属端子2を金属接合させることができる。また、この金属超微粒子層3bの他の形成方法としては、先ず、金属端子2a上に金属超微粒子3のみの分散液3aを吐出し金属超微粒子層3bを形成し、次に、その層の上に、別に用意した分散液3aに分散した0.4μmから1μmの直径の金属微粒子を、単層で設置されるように分散液3aを先に形成した金属超微粒子層3b上に吐出し乾燥させ、また、還元性ガス4で還元して金属微粒子を設置し、その次に、その金属微粒子の単層を覆うように、金属超微粒子3の分散液3aを吐出することで金属超微粒子層3bを形成しても良い。なお、この、異なる直径の金属微粒子を混合した金属超微粒子層3bを焼結して得た金属層には有機物が混入しないので、従来の金属ペーストにより形成された金属層とは異なり、その金属接合の強度が強い効果がある。
As another modification of the present embodiment, a metal
[第2の実施例の効果]
大きさが4倍から20倍程度異なる第1の金属超微粒子あるいは金属微粒子と、第2の金属超微粒子を混ぜ合わせた金属超微粒子層3bにより、直径が大きい方の金属超微粒子あるいは金属微粒子が最密に設置された隙間にちょうど収納される直径の小さな金属超微粒子が設置され、充填率が高められ焼結粒子間の隙間を小さくした金属超微粒子層3bが得られ、これを焼結すると容易に緻密な金属層が得られる効果がある。この金属超微粒子層3bにより第1の金属端子2aと第2の金属端子2bを金属接合させることで金属超微粒子層3bを焼結して得た金属層を緻密な構造に形成でき、その金属接合の強度を高めることができる。
[Effect of the second embodiment]
Due to the metal
[第3の実施例]
第3の実施例は、図7に示すように、表面が酸化され易い銅やニッケルなどの金属端子2を形成した複数の半導体チップ12を製造し、隣接する半導体チップ12が縦横の長さが10μm□程度、すなわち、直径が10μm程度の銅の金属端子2同士をそれと同じ材質の銅の金属超微粒子3を焼結させて得た厚さが1μm以下の金属層により接合することで複数の半導体チップ12をマルチチップ型に構成した半導体装置13である。
[Third embodiment]
In the third embodiment, as shown in FIG. 7, a plurality of semiconductor chips 12 having
ここで、半導体チップ12は、厚さが50μmから100μm程度のシリコンからなる半導体基板14を含んでいる。半導体基板14の一方の表面(以下、「表面」と言う)には、複数の電極を有する機能素子(デバイス)15が形成されている。機能素子15の側方には、半導体基板14をその厚さ方向に貫通する孔に銅の金属柱7が形成されている。半導体基板14と金属柱7の間の孔の壁面には酸化シリコンからなる絶縁膜16が形成されている。また、半導体基板14の表面には、酸化シリコンから成り、開口17を有するハードマスク18が形成されている。半導体基板14を垂直に見下ろす平面視において、開口17内には機能素子15の電極が存在しており、開口17内の電極と金属柱7は連続した銅の配線パターン6で電気接続されている。絶縁膜16上、開口17内、および、開口17と金属柱7の間のハードマスク18上を含む所定の領域には、タンタルナイライド(TaN)やチタンナイライド(TiN)からなる連続した拡散防止膜(図示せず)が形成されている。
Here, the semiconductor chip 12 includes a semiconductor substrate 14 made of silicon having a thickness of about 50 μm to 100 μm. A functional element (device) 15 having a plurality of electrodes is formed on one surface (hereinafter referred to as “surface”) of the semiconductor substrate 14. On the side of the functional element 15, a
半導体基板14の反対面(以下[裏面]と言う。)には、金属柱7と一体で、裏面から突出した銅の金属端子2が形成されている。
On the opposite surface (hereinafter referred to as “back surface”) of the semiconductor substrate 14, a
以下、本発明の第3の実施例である半導体装置13の製造方法を説明する。 A method for manufacturing the semiconductor device 13 according to the third embodiment of the present invention will be described below.
(1)先ず、第1の実施例と同様に、直径2nmから70nmの銅の金属超微粒子3を分散させて保持した分散液3aを製造する。以下では、直径5nmの銅の金属超微粒子3の場合について説明する。また、この分散液3aは、直径5nmの銅の金属超微粒子の重量26から50に対して、直径100nmの銅の超微粒子の重量を100で混合した分散液を用いても良い。この場合は、第2の実施例と同様に、直径100nmの銅の金属超微粒子3の焼結は遅いが、それを直径5nmの銅の金属超微粒子3が速やかに焼結することで接合するため、これにより、緻密な金属接合をすることができる。
(1) First, in the same manner as in the first embodiment, a
(2)次に、半導体チップ12の裏面の銅の金属端子2を塩酸で洗浄することで、金属端子2の表面の酸化膜を溶解し除去する。しかし、この銅の金属端子2の表面は、その塩酸中に溶解している酸素成分で酸化されるため、厚さが1nm程度の薄い酸化皮膜が残る。
(2) Next, the
(3)次に、この半導体チップ12を、還元性ガス4に曝すことで、半導体チップ12裏面における金属端子2表面の有機物を還元し除去するとともに、その金属端子2表面の1nm程度の薄い酸化皮膜を還元する。ここで、この還元性ガス4は、大気圧で無くとも、例えば100Pa程度に減圧した雰囲気中で、原子状水素を生成して成る還元性ガス4を用いることができる。
(3) Next, the semiconductor chip 12 is exposed to the reducing
(4)次に、還元性ガス4の雰囲気中で、半導体チップ12を約100℃に加熱し、半導体チップ12の裏面の金属端子2上に、銅の金属超微粒子3を分散させた分散液3aをディスペンサーあるいはインクジェット装置などの吐出装置8により吐出させ、吐出された分散液3aを速やかに蒸発させ乾燥させる。そして、露出した銅の金属超微粒子3表面の酸化皮膜を還元性ガス4により還元させる。こうして、半導体チップ12の裏面の直径10μmの金属端子2上に、分散剤を含まない銅の金属超微粒子3のみによる、厚さが1μm以下の200nm程度で、厚さに直角な方向の直径が2μm以上の、すなわち厚さの10倍以上の銅の金属超微粒子層3bを形成する。銅の金属超微粒子3の直径は5nm程度とする。ここで、還元性ガス4の雰囲気中での、銅の金属超微粒子3の還元時間は、10秒以内に還元する。
(4) Next, a dispersion liquid in which the semiconductor chip 12 is heated to about 100 ° C. in the atmosphere of the reducing
(5)次に、図7に示すように、還元性ガス4の雰囲気中で、あるいは、大気圧の水素ガス雰囲気中、窒素ガス中、あるいは真空中で、各半導体チップ12を、その銅の金属超微粒子3の還元後に数十秒以内の時間で重ね合わせ、半導体チップ12裏面の、銅の金属超微粒子3を形成した金属端子2を、下側の半導体チップ12の表面の銅の金属端子2に押し当て、約170℃に加熱し加圧しつつ1秒以上保持する。これにより、隣り合う半導体チップ12の銅の金属端子2同士を、その間の銅の金属超微粒子3を焼結させることで金属接合させる。170℃、その他の温度における、その他の直径の銅の金属超微粒子3の焼結時間は、第1の実施例と同様に、銅の金属超微粒子3の直径により定まる焼結時間以上の時間をかけることで焼結させることができる。
(5) Next, as shown in FIG. 7, each semiconductor chip 12 is made of its copper in an atmosphere of reducing
また、最下層の半導体チップ12は、有機樹脂基板あるいはセラミックス基板のインタポーザ20の表面に重ね、その表面の銅の金属端子2に、最下層の半導体チップ12裏面の銅の金属超微粒子層3bを焼結させることで、半導体チップ12の金属端子2とインタポーザ20の金属端子21を金属接合させる。インタポーザ20の裏面にははんだボール22を設置する。
The lowermost semiconductor chip 12 is overlaid on the surface of the organic resin substrate or
このようにして、複数の半導体チップ12が銅の金属端子2同士を銅の金属超微粒子3の層を介して金属接合することで、複数の半導体チップ12が多層に重ねられた配線構造を有する半導体装置13を得る。
In this way, the plurality of semiconductor chips 12 have a wiring structure in which the plurality of semiconductor chips 12 are stacked in multiple layers by metal bonding the
なお、本実施例で、銅の金属超微粒子3のかわりに、銅を主体とする、例えば銅原子を50原子%以上含む銅合金の金属超微粒子3を用いても良い。ここで、銅を50原子%以上含む銅合金の融点は、ほとんど全て融点が500℃以上ある。例えば、PとCuの合金では、Pが25原子%以下の場合に、その沸点より低い温度で溶融する固体になり、そこで、Pが約16原子%のCu−P共晶合金の融点は約720℃ある。Al−Cu合金では、Alの原子%が約83%のCu−Al共晶合金でも、その融点が548℃であり、Cu−Sb合金では、Sbの原子%が約63%のCu−Sb共晶合金でも、その融点が約530℃である。Cu−Sn合金では、Snを50原子%有するCu−Sn合金の融点が約620℃であり、Cu−Zn合金では、Znを50原子%有するCu−Zn合金の融点が約870℃である。また、Cu−Bi合金では、Biを50原子%有するCu−Bi合金の融点が約830℃であり、Cu−La合金では、Laを50原子%有するCu−La合金の融点が約700℃である。このように、銅を50原子%以上含む銅合金の融点は、ほとんど全て融点が500℃以上あるため、従来は、銅あるいはこれらの銅合金の金属層により半導体チップ12の銅の金属端子2同士を接合しようとすると、これらの金属層を溶融する500℃以上の温度で半導体チップ12を処理することが半導体チップ12の機能素子15の特性を変えてしまうため、それらの銅合金によっては半導体装置13を製造できなかった。
In this embodiment, instead of the copper
本実施例では、銅原子を50原子%以上含む銅合金の金属超微粒子3を用い、粒子の直径が2nmから70nmの金属超微粒子3の中から電子部品の加工条件に応じた粒径の金属超微粒子3を選択し、その金属超微粒子3からなる、金属超微粒子層3bを半導体チップ12の銅の金属端子2に配置する。その後、その金属超微粒子3の酸化皮膜を、その金属超微粒子3の粒径に応じて設定される300℃以下の温度と時間以内で還元させることで、その金属端子2の表面に、その後に焼結する活性を残した金属超微粒子層3bを形成する。次に、その金属超微粒子層3bを、その下の半導体チップ12の銅の配線パターン6の金属端子2の接合領域に押し当て加圧し、金属超微粒子3の粒径に応じて焼結を生じる300℃以下の温度で前記金属超微粒子層3bを焼結させ、上方のチップ部品12の銅の金属端子2とその下のチップ部品の銅の配線パターン6の所定領域の間に、両者を金属接合する厚さが直径の10分の1以下の金属層、例えば、厚さが1μmで直径が10μmの金属層を形成する。こうして、銅合金の金属超微粒子3によって形成した金属層で金属端子2が接合された半導体装置13を製造することができる。なお、ここで、金属端子2あるいは配線パターン6としては、銅の表面にニッケルなどの中間層を介して表面に金めっきを形成したものを用い、その表面に銅合金の金属超微粒子3b層を焼結させることで金属端子2と配線パターン6を金属接合させても良い。
In this example, metal
[第3の実施例の効果]
第3の実施例では、銅の金属超微粒子3を用いて隣り合う半導体チップ12の銅の金属端子2同士を金属接合するので、従来の半導体チップを重ね合わせて金属端子同士を接合するために金属端子上に形成していた金のバンプなどが不要になり、半導体装置13の製造コストを低減できる効果がある。
[Effect of the third embodiment]
In the third embodiment, the
以上、本発明についていくつかの実施例を説明したが、本発明は電子部品、その集合体のみならず、これらを搭載した電子機器にも適用され得ることは言うまでも無い。 As mentioned above, although several Example was described about this invention, it cannot be overemphasized that this invention is applicable not only to an electronic component and its aggregate | assembly but to the electronic device which mounts these.
1 印刷配線板
2,21 金属端子
2a 第1の金属端子
2b 第2の金属端子
3,3’ 金属超微粒子
3a 分散液
3b 金属超微粒子層
4 還元性ガス
5 樹脂シート
5−1 第1の絶縁基板
5−2 第2の絶縁基板
6 配線パターン
7 金属柱
8 吐出装置
9 プリプレグ
12 半導体チップ
13 半導体装置
14 半導体基板
15 機能素子
16 絶縁膜
17 開口
18 ハードマスク
20 インタポーザ
21 はんだボール
DESCRIPTION OF
Claims (9)
次に、前記金属超微粒子層を形成した前記第1の金属端子に対向させて第2の電子部品の第2の金属端子を接触させ加熱し加圧することで、前記第1の金属端子及び第2の金属端子同士を、その間の前記金属超微粒子を焼結させることで金属接合させる第2の工程と、
を有することを特徴とする電子部品の集合体の製造方法。 A liquid in which metal ultrafine particles having a particle diameter of 0.5 nm to 70 nm are dispersed is ejected onto the surface of the first metal terminal of the first electronic component, and the medium of the liquid is evaporated to make a right angle in the thickness direction. Forming a metal ultrafine particle layer having a diameter of 10 times or more as large as the thickness of the metal ultrafine particle and reducing the oxide film on the surface of the metal ultrafine particle in the metal ultrafine particle layer with a reducing gas. A first step of reducing in a time shorter than the sintering time determined by:
Next, the second metal terminal of the second electronic component is brought into contact with the first metal terminal on which the metal ultrafine particle layer is formed, and is heated and pressurized to thereby form the first metal terminal and the first metal terminal. A second step in which two metal terminals are metal-bonded by sintering the metal ultrafine particles therebetween;
A method for producing an assembly of electronic components, comprising:
前記第1、第2の電子部品がそれぞれ、表面に前記第1、第2の金属端子が形成された樹脂シートを有し、
前記第2の工程が、前記第1の金属端子に前記金属超微粒子層を形成した前記樹脂シートとプリプレグを交互に重ね、積層し加熱加圧してプリプレグを硬化させることにより前記樹脂シート同士を接着すると同時に、対向する前記樹脂シートの前記第1、第2の金属端子同士を、その間の前記金属超微粒子を焼結させることで金属接合させる工程であり、
前記電子部品の集合体が印刷配線板である、
ことを特徴とする請求項1記載の電子部品の集合体の製造方法。 The metal ultrafine particles are made of copper or a copper alloy, and the diameter of the particles is 2 nm to 70 nm.
Each of the first and second electronic components has a resin sheet on the surface of which the first and second metal terminals are formed,
In the second step, the resin sheets and the prepreg in which the ultrafine metal particle layer is formed on the first metal terminal are alternately stacked, laminated, and heated and pressed to cure the prepreg, thereby bonding the resin sheets together. At the same time, the first and second metal terminals of the resin sheet facing each other is a step of metal joining by sintering the metal ultrafine particles therebetween,
The assembly of electronic components is a printed wiring board,
The method of manufacturing an assembly of electronic components according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1記載の電子部品の集合体の製造方法。 The metal ultrafine particle layer is formed by mixing the metal ultrafine particles and metal fine particles different in size by 4 times or more from the metal ultrafine particles.
The method of manufacturing an assembly of electronic components according to claim 1.
前記第1の電子部品と第2の電子部品がそれぞれ、表面に前記第1、第2の金属端子が形成された樹脂シートを有し、
前記第1の電子部品と第2の電子部品の接合部分が、前記樹脂シートがプリプレグにより接着されるとともに、対向する前記樹脂シートの前記第1、第2の金属端子同士が、その間の前記金属超微粒子を焼結させることで金属接合され、
前記電子部品の集合体が印刷配線板である、
ことを特徴とする請求項4記載の電子部品の集合体。 The metal ultrafine particles are copper or a copper alloy having a particle diameter of 2 nm to 70 nm,
Each of the first electronic component and the second electronic component has a resin sheet on the surface of which the first and second metal terminals are formed,
The joint portion between the first electronic component and the second electronic component is bonded to the resin sheet by a prepreg, and the first and second metal terminals of the resin sheet facing each other are the metal between them. Metal bonding is achieved by sintering ultrafine particles,
The assembly of electronic components is a printed wiring board,
The assembly of electronic parts as claimed in claim 4.
ことを特徴とする請求項4記載の電子部品の集合体。 The metal layer was formed from two kinds of metal fine particles having a size different by 4 times or more,
The assembly of electronic parts as claimed in claim 4.
次に、選択した粒径の金属超微粒子からなる、厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの10倍以上の金属超微粒子層を第1の電子部品の第1の金属端子に配置した後、当該金属超微粒子の酸化皮膜を、前記選択した粒径に応じて設定される温度と時間以内で還元させることで、前記第1の金属端子の表面に、その後に焼結する活性を残した金属超微粒子層を形成する工程と、
次に、前記金属超微粒子層の表面に第2の電子部品の第2の金属端子を重ね合わせ、前記選択した粒径に応じて設定され焼結を生じる温度で前記金属超微粒子を焼結させることで、前記第1、第2の金属端子を前記金属超微粒子によって金属接合させる工程と、
を有することを特徴とする電子部品の集合体の製造方法。 Selecting ultrafine metal particles having a particle size according to the processing conditions of the electronic component from ultrafine metal particles having a diameter of 2 nm to 70 nm of copper or a copper alloy having a copper component of 50 atomic% or more;
Next, a metal ultrafine particle layer made of metal ultrafine particles having a selected particle diameter and having a diameter in a direction perpendicular to the thickness direction of 10 times or more of the thickness is disposed on the first metal terminal of the first electronic component. Thereafter, the oxide film of the ultrafine metal particles is reduced within a temperature and time set in accordance with the selected particle size, thereby leaving an activity for subsequent sintering on the surface of the first metal terminal. Forming a metal ultrafine particle layer,
Next, the second metal terminal of the second electronic component is superimposed on the surface of the ultrafine metal particle layer, and the ultrafine metal particles are sintered at a temperature that is set according to the selected particle size and causes sintering. Then, the step of metal joining the first and second metal terminals by the metal ultrafine particles,
A method for producing an assembly of electronic components, comprising:
An assembly of electronic components having a joint portion obtained by joining a first metal terminal of a first electronic component and a second metal terminal of a second electronic component, wherein the joint portions are opposed to each other. , Between the second metal terminals, made of copper or a copper alloy having a copper component of 50 atomic% or more, sintered with ultrafine metal particles having a particle diameter of 0.5 nm to 70 nm, and perpendicular to the thickness direction. An assembly of electronic components, comprising a metal layer having a diameter in a specific direction that is 10 times or more the thickness.
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