JP2007330980A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大接合面積でも良好な接合を実現する接合方法を提供すること。
【解決手段】金属板１の上面に、金属微粒子３を構成要素とし、縞状、格子縞状または網状の溝によって構成されるトンネル７を有する接合材凹凸膜を形成し、該接合材凹凸膜に金属板２を重ね、トンネル７が消失しないような第一の圧力範囲内の圧力を金属板１、２間に印加しつつ第一の温度範囲内の温度に第一の時間だけ保持した後、前記第一の圧力範囲よりも高い第二の圧力範囲内の圧力を金属板１、２間に印加しつつ前記第一の温度範囲よりも高い第二の温度範囲内の温度に第二の時間だけ保持して金属板１、２間の接合を完成させることを特徴とする接合方法を構成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は接合方法に関し、特に、２つの金属面を、金属を主成分とする接合材で接合する接合方法に関する。

従来の、２つの金属面を、金属を主成分とする接合材で接合する接合方法には、たとえば、下記特許文献１に記載されたようなものがある。この接合方法は、常温付近で融合することが知られている数ｎｍの金属微粒子を有機材料からなる有機被覆膜で被覆して常温では融合しないようにしたものを有機溶媒に分散させてなる接合材ペーストを用いる。このような接合材ペーストを２つの金属面の間に挟んで、溶媒を蒸発させ、有機被覆膜を分解させるための比較的低い温度にまで加熱し、同時に金属微粒子の融合を促すために圧力を印加する。このようにして、ひとたび接合層が形成されると、接合層は接合温度より遙かに高い、微粒子金属の融点までその強度を保持する。
国際公開番号ＷＯ ２００５／０９５０４０ Ａ１号公報

しかし、上記の接合方法において、接合面積が広くなると、次のような問題が発生する。すなわち、有機被覆膜が印加した熱によって分解すると金属微粒子同士の融合が起こるが、その発生は微小領域ごとにランダムに開始するので、有機物が十分に分解し、接合領域の外部へと飛散する前に経路が閉ざされ、最終的には炭化物が接合層に残ってしまう領域が確率的に発生し、これが接合強度や導電性に悪影響を与えることが起こりうる。そこで、このようなことが起こらないようにすることが重要な課題となる。

本発明は、この課題を解決し、大接合面積でも良好な接合を実現する接合方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明においては、２つの金属面の一方に、金属微粒子と溶媒とを構成成分とする接合材ペーストを塗布し、縞状、格子縞状または網状の溝を有する接合材凹凸膜とした後、この金属面に他の金属面を重ね、前記溝が消失しないような第一の圧力範囲内の圧力を前記２つの金属面間に印加しつつ第一の温度範囲内の温度に第一の時間だけ保持し、さらに、前記第一の圧力範囲よりも高い第二の圧力範囲内の圧力を前記２つの金属面間に印加しつつ前記第一の温度範囲よりも高い第二の温度範囲内の温度に第二の時間だけ保持して接合を完成させる。

有機物の分解生成物が接合領域外部へと飛散する経路が確保されている接合材凹凸膜を形成し、加圧・加熱工程を、その飛散経路が閉ざされないような第一の加圧・加熱工程と、それよりも高圧高温の第二の加圧・加熱工程との２回に分けて実施することにより、大接合面積でも良好な接合を実現する接合方法を提供することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

［第一の実施の形態］
図１〜図４は、本発明の第一の実施の形態である接合方法の工程を説明するための断面図である。図中、１と２は接合される２つの金属板、３は金属微粒子、４は有機溶媒で、５は金属微粒子３と有機溶媒４とを構成要素とする接合材ペースト、６はマスクスクリーンであるスクリーン印刷用のメッシュである。なお、金属微粒子３の粒径が１ｎｍ以上１μｍ以下であると、常温でも相互融合してしまう場合があり、そのような場合には、金属微粒子３の表面を高級アルコールなどの有機物による有機被覆膜（図示せず）で覆うことにより、融合を防ぐ。また、図中、金属板１の上面を、請求項で述べている２つの金属面の一方とし、金属板２の下面を２つの金属面の他方とする。

図１、図２は、金属面の一方（金属板１の上面）に、金属微粒子３と溶媒（ここでは有機溶媒４であるが、無機溶媒である水や有機無機混合溶媒であってもよい）とを構成成分とする接合材ペースト５を、縞状、格子縞状または網状の溝を有する接合材凹凸膜の状態に塗布する凹凸膜塗布工程を説明するための断面図である。

まず、図１に示すように、金属板１の上面にメッシュ６を置き、その上から金属微粒子３を含んだ接合材ペースト５を乗せ、スキージ（図示せず）によってメッシュ表面を掃引し、膜厚が均一になるように塗布を行う。

次に、図２に示すように、メッシュ６を外すと、有機溶媒４は通常の印刷インク同様、メッシュ６があった場所（６’で示す）にも流れ出るが、金属微粒子３は有機溶媒４とは比重が１桁近く高いので、いくら接合材ペースト５の粘度を調整しても、その大半はそのままの位置に残り、図に示すような厚みの差が生じる。このようにして、縞状、格子縞状または網状の溝を有する接合材凹凸膜が形成される。メッシュがあった場所６’は接合材凹凸膜における上記の溝となっていて、メッシュ６が、たとえば平行線状であれば縞状の溝が形成され、メッシュ６が、たとえば直交格子状であれば格子縞状の溝が形成され、メッシュ６が、たとえば正六角形の網目を持つ網状（蜂の巣状）であれば網状の溝が形成される。

次に、図２に示した状態の金属板１の上面に、接合材凹凸膜を挟み込むように金属板２を重ねた状態を図３に示す。この状態は、接合材凹凸膜が塗布されている金属面に、他の金属面を密着させた状態である。なお、ここでは、有機溶媒４が既に蒸発飛散した状態を示した。

この有機溶媒４の蒸発飛散を図２に示した状態において行わせると、有機溶媒が無くなる時間が短くなり好都合な場合もある。すなわち、図２に示した状態において、接合材凹凸膜に含まれる少なくとも１成分（たとえば有機溶媒４）が飛散しうる第三の温度範囲内の温度に第三の時間だけ保持する予備加熱工程を実施してもよい。

図３において、２つの金属板１、２の間に出来たトンネルを７とする。トンネル７は上記の溝によって構成されている。上記の溝は、縞状、格子縞状または網状であるので、必ず、接合材凹凸膜の周縁にまで通じている。従って、有機溶媒４の蒸発飛散はトンネル７を経由して円滑に進行する。

次に、従来技術においては、単一工程で加圧と加熱をし接合形成を完了してしまうが、本発明に係る接合方法においは、それを第一の加圧・加熱工程と第二の加圧・加熱工程との２回に分けて実施する。

まず、第一の加圧・加熱工程として、上記溝で構成されたトンネル７が消失しないような第一の圧力範囲内の圧力を前記２つの金属面間に印加しつつ第一の温度範囲内の温度に第一の時間だけ保持する。すなわち、上記溝が潰れずに残る程度の圧力を印加してトンネル７を残し、接合材凹凸膜中の有機物（たとえば金属微粒子３の有機被覆膜）が分解する温度に保持して、有機物の分解を促す。この第一の加圧・加熱工程において、ほぼ気体となる有機物の分解生成物は、接合材凹凸膜の周縁にまで通じているトンネル７を経由して、容易に膜外に達することができる。

そして、有機物がたとえ残ったとしても、完成した接合層の特性に影響を与えない程度の量までに減少した時点で、第二の加圧・加熱工程として、前記第一の圧力範囲よりも高い第二の圧力範囲内の圧力を前記２つの金属面間に印加しつつ前記第一の温度範囲よりも高い第二の温度範囲内の温度に第二の時間だけ保持する。これによって、高い圧力と高い温度を印加して、図４に示したような接合層９を完成させる。

このように、第一の加圧・加熱工程に続く第二の加圧・加熱工程によって、残渣有機物や炭化物に邪魔されずに接合層９を形成することができ、従来技術に比べて高い接合強度の接合を得ことができる。

ここで、上述したように、金属微粒子３の粒径が１ｎｍ以上１μｍ以下であると、常温でも相互融合してしまう場合がある。そのような場合には、金属微粒子３の表面を高級アルコールなどの有機物による有機被覆膜（図示せず）で覆うことにより融合を防ぐ。金属微粒子３が１μｍよりも大きい場合には、常温で相互融合する心配がないので、有機被覆膜は必ずしも必要でないが、金属板表面の接合が形成されるためには、有機物が金属板との界面に残存し、その有機物が金属板表面の金属酸化膜によって酸化され、逆に金属酸化膜が金属にまで還元されることが好ましく、この場合にも、トンネル７は接合強度向上のために有効な働きをする。

有機溶媒４には、このような金属微粒子３が分散しやすく、さらに扱いやすいように沸点が常温よりも比較的高いものが選ばれる。好適な溶媒としては、たとえばシクロヘキサンなどが知られている。

しかし、有機溶媒４がなくなった状態で、金属板１上の金属微粒子３の塊と金属板２とを接触させると、金属板２の表面で金属微粒子３に触れない領域が出来てしまう可能性がある。とくに有機被覆膜に覆われた金属微粒子を用いる場合、この有機被覆膜が分解する際に金属板表面の金属酸化膜を還元する作用があるが、それを受けられない領域が発生する場合もあり、その場合の対策としては、あらかじめ金属板２の表面にも一定量の接合材ペースト５を塗布しておく。すなわち、第一の加圧・加熱工程の前に、接合材ペースト５を、金属板２の表面にも塗布する工程を設ける。

ここで、金属微粒子は、たとえば平均粒径が１０ｎｍ程度のＡｇである。Ａｇは、たとえ表面に酸化物が形成されてしまっていたとしても、１８０℃程度の温度で分解して酸素とＡｇになるため、高温加熱による金属表面の酸化を心配する必要がない。その他、酸化されないＡｕ、有機物が酸化される際に金属酸化物が金属にまで還元されるＣｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈなどが好適金属として知られている。すなわち、金属微粒子の構成金属元素が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈのいずれかであることが好ましい。

また、金属板１、２の少なくとも表面における構成金属元素としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどが好ましい。

さらに、これら金属微粒子のほか、酸化銀または炭酸銀の粒子を含んだ接合材を用いると、これらも１８０〜１９０℃にてＡｇとなり酸素を発生するので、有機物（たとえば有機被覆膜）が酸化されガス化して、トンネル７を通って飛散するための支援になる。このように、接合材ペースト５が、第一の温度範囲にて酸素を放出して金属となるような物質を含有していることが、有機物の酸化を促進するのに有効である。

あるいは、第一の加圧・加熱工程を大気中もしくは酸素を大気よりも多く含む気体中で、大気もしくは該気体の圧力を、たとえば、大気圧と、その数分の１の圧力との間で往復変動させながら実施して、トンネル７を通して、有機物の酸化に必要な酸素を供給し、ガス化した炭素酸化物の飛散を支援するようにしてもよい。

［第二の実施の形態］
次に、第二の実施の形態を、図５、図６を用いて説明する。

本実施の形態の要点は、第一の実施の形態とは異なる方法で、２つの金属板１、２の間の接合材の膜に、有機物の分解ガスが外部へ飛散できるように、図３に示したようなトンネル７を形成する点にある。

本実施の形態では、図５に示すように、接合材ペースト５を金属板１の上面に平坦に塗布し、接合材ペースト５が流動性を保っている間に、図６に示すように、押し型８を接合材ペースト５の塗布膜に押し当てて、塗布膜に厚みの差を付ける。押し型８の表面が、前記縞状、格子縞状または網状の溝とは反対の凹凸を有するようにしておけば、このようにして形成した接合材凹凸膜は、前記縞状、格子縞状または網状の溝を有している。

上記以降の工程は、第一の実施の形態に準じる。

このような工程、すなわち、接合材ペースト５を金属面の一方に平坦に塗布した後、接合材ペースト５の膜に、前記縞状、格子縞状または網状の溝とは反対の凹凸の表面を有する押し型を押し当てる工程の方が、作業が効率的である場合もある。

本発明に係る接合方法は、半導体実装工程に有効利用される。この場合に、半導体チップの裏面金属電極が金属板１または２に相当する。

第一の実施の形態の工程を説明する断面図である。 第一の実施の形態の工程を説明する断面図である。 第一の実施の形態の工程を説明する断面図である。 第一の実施の形態の工程を説明する断面図である。 第二の実施の形態の工程を説明する断面図である。 第二の実施の形態の工程を説明する断面図である。

符号の説明

１、２：金属板、３：金属微粒子、４：有機溶媒、５：接合材ペースト、６：メッシュ、６’：メッシュがあった場所、７：トンネル、８：押し型、９：接合層。

Claims (10)

1. 金属微粒子を２つの金属面の間に介在させ、加圧かつ加熱して前記２つの金属面の間の接合を完成させる接合方法において、
   前記金属面の一方に、前記金属微粒子と溶媒とを構成成分とする接合材ペーストを塗布し、縞状、格子縞状または網状の溝を有する接合材凹凸膜とする凹凸膜塗布工程と、
   前記接合材凹凸膜が形成されている金属面に、前記金属面の他方を重ね、前記溝が消失しないような第一の圧力範囲内の圧力を前記２つの金属面間に印加しつつ第一の温度範囲内の温度に第一の時間だけ保持する第一の加圧・加熱工程と、
   前記第一の加圧・加熱工程後に、前記第一の圧力範囲よりも高い第二の圧力範囲内の圧力を前記２つの金属面間に印加しつつ前記第一の温度範囲よりも高い第二の温度範囲内の温度に第二の時間だけ保持する第二の加圧・加熱工程とを有することを特徴とする接合方法。
2. 前記凹凸膜塗布工程と前記第一の加圧・加熱工程との間に、前記接合材凹凸膜を、該接合材凹凸膜に含まれる少なくとも１成分が飛散しうる第三の温度範囲内の温度に第三の時間だけ保持する予備加熱工程を有することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記金属微粒子の粒径が１ｎｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
4. 前記金属微粒子の構成金属元素が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
5. 前記金属微粒子が有機被覆膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
6. 前記接合材ペーストが、前記第一の温度範囲にて酸素を放出して金属となるような物質を含有していることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
7. 前記第一の加圧・加熱工程が、大気中もしくは酸素を大気よりも多く含む気体中で、大気もしくは該気体の圧力を変動させながら実施されることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
8. 前記凹凸膜塗布工程が、前記接合材ペーストを、マスクスクリーンを通して、前記金属面の一方に塗布する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
9. 前記凹凸膜塗布工程が、前記接合材ペーストを前記金属面の一方に平坦に塗布した後、該接合材ペーストの塗布膜に、前記縞状、格子縞状または網状の溝とは反対の凹凸の表面を有する押し型を押し当てる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
10. 前記第一の加圧・加熱工程の前に、前記接合材ペーストを、前記金属面の他方にも塗布する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。

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