JP2013018003A - 金属接合構造とその製造方法 - Google Patents

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nickel
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English (en)
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Shinichi Fujiwara
伸一 藤原
Isamu Yoshida
勇 吉田
Shiro Yamashita
志郎 山下
Takuto Yamaguchi
拓人 山口
Hiroshi Koyama
洋 小山
Eiji Sakamoto
英次 坂本
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

【課題】
金属間化合物を形成せず、電気伝導性、熱伝導性、長期信頼性に優れた、銅とニッケルの接合を形成する。
【解決手段】
ニッケル部材と銅部材との超音波接合において、前記銅部材および前記ニッケル部材の銅−ニッケル界面付近の結晶粒径を小さくするような条件で超音波接合を行う。結晶粒径が小さくなった界面付近の銅により、ニッケルの表面汚染膜を破ることが可能になり、前記銅−ニッケル界面で超音波接合で接合することができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は銅とニッケルの接合構造体および超音波接合方法に関する。
銅は熱伝導性や電気伝導性に優れた延性材料であり、配線材料をはじめとして広く使用されている。一方、ニッケルは銅より硬く耐酸化性に優れる特長を有しており、空気中でも500℃程度までは耐酸化性を維持できる。そのため、耐食性めっきなどに広く使われている。銅とニッケルの複合体としてはプリント基板の配線が知られており、銅配線上にニッケルをめっきプロセスにて形成し、はんだぬれ性を確保するための金薄層を有する表面酸化を抑制した構成となっている。
上述のめっきプロセスで銅とニッケルの複合体を形成する場合、銅配線上に数十ミクロン厚以上のニッケルを形成するためには長時間めっきを行う必要があり、また形成できる厚みにも限界があり、厚みが厚くなるにつれてニッケルの膜質もばらついてくる。そのため、100ミクロンを超えるような厚みの銅とニッケルの複合体をめっきプロセスで形成するのは非常に困難である。
また、いずれか一方の金属を溶融させて接合を試みる場合、銅の融点が1085℃、ニッケルの融点が1455℃であるため、少なくとも1085℃以上に加熱する必要がある。仮に接合できた場合でも、銅の線膨張係数は17.0ppm/℃、ニッケルの線膨張係数は13.3ppm/℃と差があるため、冷却過程で接合部に亀裂が発生することが懸念される。
これらの課題を解決する接合方法として、金属同士を固相接合する超音波接合が有力である。超音波接合は接触させた金属同士を加圧した状態で超音波を印加することにより金属表面を擦り合わせ、各々の金属表面の酸化膜等の汚染層を機械的に除去し、金属の新生面を露出・接触させることで接合するといわれている金属接合方法である。この超音波接合は、半導体デバイスの金ワイヤと金もしくはアルミニウムのパッド、パワーデバイスのアルミニウムワイヤとアルミニウムもしくは銅パッド、自動車等の銅製ワイヤハーネスの接合などに適用されているが、接合対象は金、アルミニウム、銅などに限られている。これは、超音波接合では接合金属間の硬度差や表面汚染層が接合信頼性に大きく影響することため、硬度差の異なる金属では十分な接合が難しいという背景がある。
銅とニッケルの超音波接合に関して、特許文献１では厚さ25ミクロンの非晶質合金薄体上に3ミクロン厚の銅めっきをした部材と、500ミクロン厚の銅板に3ミクロンのニッケルめっきをした部材を超音波接合した例が挙げられている。特許文献２では半導体素子と銅リードフレームの接合において接合界面薄膜を形成し超音波接合する発明であり、接合界面薄膜の一例としてニッケルが挙げられている。
特開昭62-167040号公報 特開2009-38139号公報
上記の通り、銅とニッケルの超音波接合については記載されているが、特許文献１および特許文献２ともに数ミクロンの薄膜ニッケルと銅の超音波接合例であり、また詳細な接合条件や接合方法は記載されていない。薄膜ニッケルの超音波接合の場合は、薄膜ニッケルが形成されている母材の硬さに接合性が大きく左右されるため、接合を安定して実施することが困難であり、また荷重や超音波振幅などの接合パワーを大きくすると薄膜ニッケルが破断し、母材と銅の接合体となる可能性がある。母材と銅の接合体となった場合は実使用環境下で化合物が成長するなどの界面形態の変化が生じ、信頼性低下の可能性がある。また、バルク材のニッケルと銅の接合の場合は、バルクのニッケルの硬度が支配的となるため、母材硬度に依存する薄膜ニッケルと銅の接合とは異なる接合条件となる。
図１２は5ミクロンのニッケルめっきを施した１mm厚の銅板上に1mm厚の銅を超音波接合した際の接合部断面観察結果である。本接合実験では初期荷重110N、最高荷重230N、接合時間0.7秒、超音波ツール振幅22ミクロン、超音波周波数は30kHzで行った。図１２に示すように銅母材上に形成した薄膜ニッケルへ銅の接合を試みた場合、薄膜ニッケルの破断が発生し、銅母材と銅が直接接合される箇所が発生することが確認できる。
本発明は、ニッケルまと銅との接合において、ニッケルと銅との接合界面近傍の粒径を微細化させ、超音波接合したことを特徴とする。
本発明によれば、銅とニッケルを直接接合できるため電気伝導や熱伝導に優れた接合体であること、固相接合であり接合温度が低いため接合後の界面に発生する応力が小さくなること、全率固溶系の銅とニッケルの接合であるため界面に化合物が形成されないこと、化合物が形成されないため接合後の熱負荷条件下で信頼性低下が発生しにくいという効果を奏する。
本発明の接合実験におけるニッケル板と銅板の超音波接合前後の斜視図である。 本発明の接合実験における超音波接合後の接合部断面模式図である。 本発明の接合実験で用いたL9直交表に基づく実験条件と引張り強さである。 本発明の接合実験における接合後のニッケルと銅の接合界面の観察結果である。 本発明の接合実験における接合前の銅母材の電子後方散乱回折像である。 本発明の接合実験における接合前のニッケル母材の電子後方散乱回折像である。 本発明の接合実験における接合後の銅とニッケル接合部近傍の電子後方散乱回折像である。 本発明の接合実験における200℃保持熱処理と-40/125℃温度サイクル試験後の引張り強度の変化グラフである。 本発明の第一の適用例であるパワーモジュールの外観図である。 本発明の第一の適用例であるパワーモジュールの断面図（図９中A断面）である。 本発明の第二の適用例である銅バンプとニッケル層接合部の断面図である。 ニッケルめっき付銅板と銅を超音波接合した場合の接合部断面観察結果である。
以下、本発明実施の形態を説明する。
図１は本発明の接合実験におけるニッケル板と銅板の超音波接合前後の斜視図である。１はニッケル、２は銅、３は超音波ツール圧痕、１０は超音波ツール、１１は超音波ツール先端突起である。ニッケル１はニッケルもしくはニッケルを主成分とするニッケル合金であればよい。銅２は銅もしくは銅を主成分とする銅合金であればよい。図１において、ニッケル１および銅２は板状に描画したが、円盤状や柱状、立方体など、非接合体面がそれぞれ銅とニッケルであれば部材お形状は規定しない。すなわち、ニッケル１は接合面にニッケルが存在すれば、銅やアルミニウム、鉄などの金属や、セラミックやガラスなどの無機物上にニッケルが形成された2層以上の複合体でもよい。同様に銅２は接合面に銅が存在すれば、アルミニウムや鉄、亜鉛、銀、金などの金属やセラミックなどの無機物上に銅が形成された2層以上の複合体でもよい。
今回の実験では、ニッケル１は純度９９．９％のニッケルを、銅２はC1020R 硬度1/2Hの純銅を用い、ニッケル１および銅２ともに幅10mm×奥行25mm×厚さ0.5mmの板状試験片を用いた。ニッケル１および銅２の表面粗さRyは0.5ミクロン以下であった。試験片の接合面をイソプロピルアルコールで洗浄後、超音波ツール先端に突起を有する超音波ツール１０にて、超音波接合を行った。超音波ツール１０は加圧面積2mm×2mmである。超音波接合後は超音波ツール圧痕３を銅２上に有する接合体が完成する。図１においては、ニッケル１を下に、銅２を超音波ツール１０側に図示したが、ニッケル１側から加振してもかまわない。
図２は本発明の接合実験における超音波接合後の接合部断面模式図である。１はニッケル、２は銅、３は超音波ツール圧痕、４は銅/ニッケル接合部である。図２は図１の超音波ツール圧痕３を含むような接合部断面模式図である。ニッケル１および銅２の材質については図１の説明と同様であるため省略する。図２に示すように、銅２上に超音波ツール圧痕３が形成され、超音波ツール圧痕３直下のニッケル１と銅２の界面で銅/ニッケル接合部４が形成されてニッケル１と銅２は金属接合される。銅とニッケルは全率固溶体と呼ばれる化合物を形成しない組み合わせである。そのため、実使用環境等で熱負荷がかかった場合でも信頼性を低下させる要因になりやすい化合物が形成されないため初期接合で信頼性が確保された場合、長期信頼性を確保しやすい。
図３に本発明の接合実験で用いたL9直交表に基づく実験条件と引張り強さを示す。本接合実験では初期荷重10,30,50N（2.5MPa,7.5MPa,12.5MPa）、最高荷重70,100,120N（17.5MPa,25MPa,30MPa）、接合時間0.3,0.5,0.8秒、超音波ツール振幅10.7,16.2,21.5ミクロンとし、各条件で接合強さを引張試験で評価した。なお、初期荷重は超音波の印加を開始する荷重、超音波周波数は30kHzである。図３に示すように、最も接合条件の低いNo.1の条件（初期荷重10N、最高荷重70N、接合時間0.3秒、超音波ツール振幅10.7ミクロン）においても、引張り強さ70Nで接合できることが確認された。図３より、接合時に荷重を増加させ（初期荷重より最高荷重を大きくする）、超音波接合時の銅２の変形による接合面積の増加に合わせて荷重を増やすことにより、接合が可能となった。すなわち、初期荷重を2.5〜12.5MPa,最高荷重を17.5〜30MPa,また、接合時間を0.3〜0.8秒、超音波ツール振幅を10.7〜21.5ミクロンでは、銅とニッケルは超音波接合が可能である。
図４は本発明の接合実験における接合後のニッケルと銅の接合界面の観察結果である。図４の試験片は初期荷重30N、最高荷重120N、接合時間0.8秒、超音波ツール振幅21.5ミクロンの条件で接合を行った。図４に示すように、銅とニッケルの界面はほぼボイドなく接合されており、接合界面に化合物層もみられない。また、銅側の結晶粒がニッケル側に比べて微細化していることがわかる。
図５は接合前の銅母材の電子後方散乱回折像である。図５より、接合前の銅の粒径はおよそ12ミクロンであることがわかる。図６は接合前のニッケル母材の電子後方散乱回折像である。図６より接合前のニッケルの粒径はおよそ18ミクロンであることがわかる。
図７は接合後の銅とニッケルの接合界面の電子後方散乱回折像である。図７から銅とニッケルの接合界面近傍の銅は結晶粒径が2.9ミクロンと、母材粒径の12ミクロンと比較して24％に微細化していることがわかる。しかし、接合界面から50ミクロン程度はなれた銅の粒径は14ミクロンであり、母材粒径と同等とみなすことができる。一方、銅とニッケル界面近傍のニッケル粒径は12ミクロンであり、初期のニッケル粒径18ミクロンから67％と微細化していることがわかる。これらより、ニッケルと銅の超音波接合においては、荷重と超音波の印加により接合界面のニッケルおよび銅（特に銅）が微細化し、酸化膜等の表面汚染膜を除去することで接合が行われていると考えられる。この結晶粒微細化は銅とニッケル界面近傍で塑性流動が生じている可能性がある。
従来は、銅（モース硬度3）は柔らかいため、超音波を印加しても硬いニッケル（モース硬度4）の酸化膜等の表面汚染膜を破ることができず、銅とニッケルとは超音波接合に向いていないと考えられていた。しかし今回の実験では、界面近傍の銅が微粒子化することにより、塑性流動が起き、銅およびニッケルの表面汚染膜を破ることができたと考えられる。銅側では、表面の結晶粒径は、内部の結晶粒径の半分よりも小さくとなっているが、ニッケル側では、表面の表面の結晶粒径は、内部の結晶粒径の半分よりも大きい。
このように、バルクの銅とニッケルは接合界面近傍の金属粒、特に銅を微細化させる荷重・保持時間・超音波振幅条件で接合すると接合が可能であることを本実験で明らかにした。よってニッケルが１〜10ミクロン程度と薄い場合でも、接合界面近傍の金属粒、特に銅側を微細化できる接合条件であれば本実験と同様な接合が実現できる。
本接合体の特長は、銅とニッケルをはんだや導電性樹脂などを用いずに直接金属接合できるため電気伝導や熱伝導に優れた接合体であること、接合部は接合界面の摩擦熱による温度上昇のみの固相接合であり、金属を溶融させて接合する接合方法に比べて接合温度が低いため接合後の界面に発生する応力が小さくなること、全率固溶系の銅とニッケルの接合であるため界面に化合物が形成されないこと、接合界面に化合物が形成されないため接合後の使用環境下で信頼性低下が発生しにくいことである。
既述のように、使用環境下における信頼性低下は発生しにくいと考えられたため、200℃の高温放置および-40/125℃温度サイクル試験後の引張強度の評価を行った。図８は本発明の接合実験における200℃保持熱処理と-40/125℃温度サイクル試験後の引張り強度の変化グラフである。なお図８は初期荷重30N、最高荷重120N、接合時間0.8秒、超音波ツール振幅21.5ミクロンの条件で接合を行った試験片を熱処理し、引張強度を測定したものである。図８に示すように200℃保持熱処理1000時間および-40/125℃温度サイクル試験1000サイクル行った後でも引張強度の変化はみられない。使用環境を想定した信頼性試験で強度低下が見られなかったことから、銅とニッケルの接合構造体は初期接合で良好な接合ができた場合は、信頼性低下が発生しにくいことが確認できた。また、200℃保持熱処理1000時間および-40/125℃温度サイクル試験1000サイクル行った後の各々のサンプルの接合部断面を観察したところ、初期接合と同様な良好な接合界面が確認され、化合物の形成もみられなかった。
図９は銅とニッケルの超音波接合体をパワーモジュールに適用した際の実施例、図１０は図９中A-Aのパワーモジュールの断面図である。２１は冷却フィン付ベース、２２は絶縁基板、２３は基板上配線、２４は半導体素子、２５は外部接続用リード、２６ははんだである。図９および図１０には示していないが、基板上配線２３と半導体素子２４は金属ワイヤによって電気的に接続されている。基板上配線２３は最表面がニッケルもしくはニッケルを主成分とする構成とする。ただし、基板上配線２３の最表面に１ミクロン厚以下の金や銀や錫、錫系はんだが形成されていてもかまわない。また外部接続用リード２５は基板上配線２３側の面が銅もしくは銅を主成分とする構成とする。基板上配線２３と外部接続用リード２５とが、超音波接続されている。基板上配線２３の表面に金や銀や錫、錫系はんだが形成されている場合には、超音波接合により、金や銀や錫、錫系はんだが破れて、銅とニッケルが接合される。
基板上配線２３と半導体素子２４ははんだで接合される場合が多い。そのため、はんだのぬれ性や接合後の界面化合物の成長抑制を考慮すると、基板上配線２３の表層はニッケル上に１ミクロン以下の金が形成された構造となる可能性がある。一方外部接続用リード２５は大電流を流すため母材は銅が用いられるのが主流であるため、外部接続用リード２５と基板上配線２３の接合は銅とニッケル（１ミクロン厚以下の金がある場合あり）の接合となり、本発明の超音波接合を適用することで接合することが可能となる。これにより、基板上配線２３上に新たなプロセスを付加することなく半導体素子２４と外部接続用リード２５を接合することができる。また、外部接続用リード２５を他の部材にはんだで接続するために、表面に金や銀や錫、錫系はんだを形成した場合も、同様である。本接合を適用した場合の利点は、銅とニッケルをはんだや導電性樹脂などを用いずに直接金属接合できるため電気伝導や熱伝導に優れたリード/基板上配線接合が可能となること、接合部は接合界面の摩擦熱による温度上昇のみの固相接合であり、金属を溶融させて接合する接合方法に比べて接合温度が低いため接合後の界面に発生する応力が小さく、また基板へ対する熱負荷も小さいこと、全率固溶系の銅とニッケルの接合であるため界面に化合物が形成されず接合後の使用環境下で信頼性低下が発生しにくいことである。
図１１は本発明の第二の適用例である銅バンプとニッケル層接合部の断面図である。３０は半導体素子、３１は半導体電極、３２は銅バンプ、４０は基板、４１は基板上配線、４２はニッケル層、５０はアンダーフィルである。銅バンプ３２はニッケル層４２側の銅バンプ３２の最表面が銅もしくは銅を主成分とする構成であれば、バンプ自体は複合体で形成されていてもかまわない。例えば、ニッケルバンプの外周に銅が形成されている構造などが挙げられる。ニッケル層４２は銅バンプ３２側のニッケル層４２の最表面がニッケルもしくはニッケルを主成分とする構成とする。ただし、ニッケル層４２の最表面に１ミクロン厚以下の金が形成されていてもかまわない。基板４０は樹脂基板、セラミック基板、シリコン基板などであればよい。基板上配線４１は各基板で一般的に使用されている構成であり、例えば樹脂基板の場合であれば基板上配線４１は銅が挙げられる。本適用例では、基板上配線４２上に銅バンプ３２を超音波接続する接合構造となり、フリップチップ接合などに広く適用することができる。銅バンプ３２とニッケル層４２を超音波接合後、外周をアンダーフィル５０で封止することで本構造が完成する。
本接合を適用した場合の利点は、銅とニッケルをはんだや導電性樹脂などを用いずに直接金属接合できるため電気伝導や熱伝導に優れたバンプ接合が可能となること、接合部は接合界面の摩擦熱による温度上昇のみの固相接合であり、はんだなどを溶融させて接合する接合方法に比べて接合温度が低いため接合後の界面に発生する応力が小さく、また基板へ対する熱負荷や、基板やパッケージの反りも抑制できること、全率固溶系の銅とニッケルの接合であるため界面に化合物が形成されず接合後の使用環境下で信頼性低下が発生しにくいこと、硬質バンプであるため半導体素子と基板間のギャップを確保することができることである。本実施例では半導体素子３０と基板４０の接合を例にとって記載したが、パッケージと基板間の接合においても同様に適用可能である。
１ ニッケル
２ 銅
３ 超音波ツール圧痕
４ 銅/ニッケル接合部
１０ 超音波ツール
１１ 超音波ツール先端突起
２１ 冷却フィン付ベース
２２ 絶縁基板
２３ 基板上配線
２４ 半導体素子
２５ 外部接続用リード
２６ はんだ
３０ 半導体素子
３１ 半導体電極
３２ 銅バンプ
４０ 基板
４１ 基板上配線
４２ ニッケル層
５０ アンダーフィル

Claims (8)

  1. ニッケル部材と銅部材とを超音波接合する接合構造の製造方法において、
    前記銅部材の銅−ニッケル界面付近の結晶粒径を小さくし、その後に、前記銅部材と前記ニッケル部材とを、前記銅−ニッケル界面で接合することを特徴とする接合構造の製造方法。
  2. 請求項１において、
    前記銅部材は、銅または銅を主成分とする合金であり、
    前記ニッケル部材は、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金であることを特徴とする接合構造の製造方法。
  3. 請求項１または２において、
    初期荷重が2.5〜12.5MPa、最高荷重が17.5〜30MPaの荷重をかけながら接合することを特徴とする接合構造の製造方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
    前記銅部材内の、超音波接合により微細化された前記界面近傍の粒径が微細化前の粒径の５０％以下であることを特徴とする接合構造の製造方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
    前記ニッケル部材または銅部材は、その表面に、はんだを用いて他の部材を接続するための金、銀、錫または錫系はんだが形成されおり、
    当該ニッケル部材または銅部材の表面の金、銀、錫または錫系はんだを破って、前記超音波によるニッケル部材と銅部材との接合が行われることを特徴とする接合構造の製造方法。
  6. ニッケル部材と銅部材とが接合された接合構造において、
    前記銅部材の銅−ニッケル界面付近の結晶粒径が、前記銅部材内部の結晶粒径の５０％以下であることを特徴とする接合構造。
  7. 請求項６において、
    前記ニッケル部材の銅−ニッケル界面付近の結晶粒径が、前記ニッケル部材内部の結晶粒径の５０〜１００％であることを特徴とする接合構造。
  8. 請求項６または７において、
    前記銅部材は、銅または銅を主成分とする合金であり、
    前記ニッケル部材は、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金であることを特徴とする接合構造。
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