JP2015000986A - Joining material and joint structure - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joint structure in which a low melting point phase having 200°C or lower solid phase temperature can be eliminated in a short time at the process temperature equal to the conventional temperature and by such a heating process that shorter-time compression is not necessitated and consequently which has high heat resistance.SOLUTION: Since the joint structure is joined by using a joining material, which comprises a Sn-Bi alloy, Cu and Zn and satisfies relationships: 0.6Y≤X, 0.2Z≤Y, and 0.03X≤Z≤0.1X when the content of the Sn-Bi alloy is X wt.%, that of Cu is Y wt.% and that of Zn is Z wt.%, the low melting point phase having 200°C or lower solid phase temperature can be eliminated in the short time and consequently the joint structure has high heat resistance.

Description

本発明は、電力用半導体装置における配線接続など、耐熱性が要求される接合材料に関するものである。   The present invention relates to a bonding material that requires heat resistance, such as wiring connection in a power semiconductor device.

電力用半導体装置において、半導体素子の電極と外部導体との接続は、アルミワイヤによる固相接合からはんだ接合に置き換わってきている。このはんだ接合の接合材料としては、例えば、Sn−Ag系はんだが用いられている。   In the power semiconductor device, the connection between the electrode of the semiconductor element and the external conductor has been replaced with the solder bonding from the solid phase bonding by the aluminum wire. For example, Sn-Ag solder is used as a bonding material for this solder bonding.

しかしながら、電力用半導体装置における半導体素子は、Siだけでなく、GaNやSiCといった高温環境でも動作が可能なものが使われ始めている。これらGaNやSiCを用いた半導体素子は、半導体素子の電極と外部導体との接続に、例えば200℃〜250℃といった耐熱性が求められる。しかしながら、鉛フリーはんだの一例であるSn−Ag系はんだでは、動作温度に対する融点差を確保できないことから、このような耐熱性を実現できていない。   However, semiconductor elements that can operate in high-temperature environments such as GaN and SiC are beginning to be used as semiconductor elements in power semiconductor devices. These semiconductor elements using GaN or SiC are required to have a heat resistance of, for example, 200 ° C. to 250 ° C. for connection between the electrode of the semiconductor element and the external conductor. However, Sn—Ag solder, which is an example of lead-free solder, cannot achieve such heat resistance because it cannot ensure a melting point difference with respect to operating temperature.

耐熱性を確保した鉛フリーはんだ材料を実現するために、例えば特許文献1では、合金層を形成した接合材料を形成している。図6(a)、(b)は、特許文献1に開示された接合材料の形成過程を示す図である。   In order to realize a lead-free solder material that ensures heat resistance, for example, in Patent Document 1, a bonding material in which an alloy layer is formed is formed. 6 (a) and 6 (b) are diagrams showing a process of forming a bonding material disclosed in Patent Document 1. FIG.

特許文献1では、図6(a)に示すように、Sn−Bi系合金粒子51とCu粒子52を準備した後、Sn−Bi系金属粒子51の融点以上のプロセス温度で90分以上加熱することにより、図6(b)に示すように、Cu粒子52の外周が合金層54で覆われた接合材料53を形成している。   In patent document 1, as shown to Fig.6 (a), after preparing Sn-Bi type alloy particle 51 and Cu particle 52, it heats for 90 minutes or more at the process temperature more than the melting | fusing point of Sn-Bi type metal particle 51. Thereby, as shown in FIG. 6B, the bonding material 53 in which the outer periphery of the Cu particles 52 is covered with the alloy layer 54 is formed.

このような接合材料53は、固相温度250℃以上の合金層54同士の接合により層間接続が行われているため、耐リフロー試験(例えば230℃)でも合金層54が溶融せず、高い耐熱性を有する。   In such a bonding material 53, since the interlayer connection is performed by bonding the alloy layers 54 having a solid phase temperature of 250 ° C. or higher, the alloy layer 54 does not melt even in a reflow resistance test (for example, 230 ° C.), and has high heat resistance. Have sex.

特開2002−94242号公報JP 2002-94242 A

しかしながら、特許文献1の接合材料53は、合金層54を形成するために90分以上の加熱が必要である。長時間の加熱が必要な理由は、CuとSnの相互拡散の速度が遅いためである。この課題を解決する手段としては、拡散速度を上げるために、プロセス温度を例えば300℃以上に高温化することや、1MPa以上で加圧しながら加熱することが考えられるが、いずれの方法も、Sn−Bi系合金粒子51やCu粒子52へ負荷がかかるため、望ましくない。   However, the bonding material 53 of Patent Document 1 requires heating for 90 minutes or more in order to form the alloy layer 54. The reason why the heating for a long time is necessary is that the interdiffusion speed of Cu and Sn is slow. As means for solving this problem, in order to increase the diffusion rate, it is conceivable that the process temperature is increased to, for example, 300 ° C. or higher, or heating is performed while pressurizing at 1 MPa or higher. This is not desirable because a load is applied to the Bi-based alloy particles 51 and the Cu particles 52.

本発明は、高いプロセス温度を必要とせず、かつ加圧を必要としない加熱プロセスにより、高い耐熱性を有する接合構造体を実現することを目的とする。   An object of this invention is to implement | achieve the joining structure which has high heat resistance by the heating process which does not require high process temperature and does not require pressurization.

上記課題を解決するために、本発明に係る接合材料は、不可避不純物を除いてSn−Bi合金及びCu及びZnで構成され、Sn−Bi合金の含有率をXwt%とし、Cuの含有率をYwt%とし、Znの含有率をZwt%とした場合に、0.6Y≦X、0.2Z≦Y、0.03X≦Z≦0.1X、の関係を満たすことを特徴とする。   In order to solve the above problems, the bonding material according to the present invention is composed of Sn—Bi alloy and Cu and Zn, excluding inevitable impurities, and the content ratio of Sn—Bi alloy is X wt%, and the Cu content is When Ywt% is set and the Zn content is Zwt%, the relationship of 0.6Y ≦ X, 0.2Z ≦ Y, 0.03X ≦ Z ≦ 0.1X is satisfied.

本発明の接合材料によれば、高いプロセス温度を必要とせず、かつ加圧を必要としない加熱プロセスにより、高い耐熱性を有する接合構造体を実現することが可能になる。   According to the bonding material of the present invention, it is possible to realize a bonded structure having high heat resistance by a heating process that does not require high process temperature and does not require pressurization.

(a)本発明の実施の形態1の接合構造体の概略図、(b)本発明の実施の形態1の接合構造体の製造方法のフローチャート(A) Schematic of the junction structure of Embodiment 1 of the present invention, (b) Flow chart of the method for manufacturing the junction structure of Embodiment 1 of the present invention. Sn−Biの二元系状態図Sn-Bi binary phase diagram 本発明の実施の形態1において判明したSn−Bi合金、Cu、Znの関係を示す図The figure which shows the relationship of Sn-Bi alloy, Cu, and Zn discovered in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1の接合構造体の概略断面図Schematic sectional view of the bonded structure according to Embodiment 1 of the present invention. 本実施の形態1の構成と従来例との効果を比較するための表を示す図The figure which shows the table | surface for comparing the effect of the structure of this Embodiment 1, and a prior art example. (a)、(b)特許文献1に開示された接合材料の形成過程を示す図(A), (b) The figure which shows the formation process of the joining material disclosed by patent document 1

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1にかかる接合構造体は、図1(a)に示すように、第一の導体1と第二の導体3とを接合材料2で接合したものである。
(Embodiment 1)
The joined structure according to the first embodiment of the present invention is obtained by joining a first conductor 1 and a second conductor 3 with a joining material 2 as shown in FIG.

まず、本発明の実施の形態1にかかる接合材料の構成を説明する。本実施の形態1にかかる接合材料2は、例えば、電力用半導体装置における大電流に対応した配線接続や、電子回路基板の部品実装または配線形成に用いられるものである。本実施の形態1の接合材料2は、主に、合金、溶剤、活性剤で構成される。本実施の形態1の接合材料2は、これら合金、溶剤、活性剤を調製して、接合部材の形状によって粘度調整することで構成されるが、必要に応じてロジンやチクソ剤を添加し、接合材料にチクソ性を持たせてもよい。   First, the configuration of the bonding material according to the first embodiment of the present invention will be described. The bonding material 2 according to the first embodiment is used, for example, for wiring connection corresponding to a large current in a power semiconductor device, component mounting on an electronic circuit board, or wiring formation. The bonding material 2 of the first embodiment is mainly composed of an alloy, a solvent, and an activator. The bonding material 2 of the first embodiment is prepared by preparing these alloys, solvents, and activators, and adjusting the viscosity according to the shape of the bonding member, but adding rosin or a thixotropic agent as necessary, The bonding material may be thixotropic.

本実施の形態1の接合材料2における合金は、不可避不純物を除き、Sn−Bi合金、Cu、Znの金属粉体で構成される。詳しくは後述するが、本実施の形態1の接合材料2における合金は、具体的には、Sn−Bi合金の含有率をXwt%とし、Cuの含有率をYwt%とし、Znの含有率をZwt%とした場合、0.6Y≦X、0.2Z≦Y、0.03X≦Z≦0.1Xの関係を満たすことを特徴の1つとしている。   The alloy in the bonding material 2 of the first embodiment is composed of Sn—Bi alloy, Cu, and Zn metal powder, excluding inevitable impurities. As will be described in detail later, the alloy in the bonding material 2 of the first embodiment specifically has a Sn-Bi alloy content of Xwt%, a Cu content of Ywt%, and a Zn content of In the case of Zwt%, one of the characteristics is that the relationships of 0.6Y ≦ X, 0.2Z ≦ Y, and 0.03X ≦ Z ≦ 0.1X are satisfied.

また、詳しくは後述するが、本実施の形態1の接合材料2は、Sn−Bi合金の粒径サイズが0.1μm以上かつ30μm以下であり、Cuの粒子径サイズが0.5μm以上かつ30μm以下であり、Znの粒子径サイズが0.005μm以上かつ10μm以下であることを、特徴の1つとしている。   As will be described in detail later, in the bonding material 2 of the first embodiment, the particle size of the Sn—Bi alloy is 0.1 μm or more and 30 μm or less, and the particle size of Cu is 0.5 μm or more and 30 μm. One of the features is that the particle size of Zn is 0.005 μm or more and 10 μm or less.

本実施の形態1の接合材料2における溶剤は、例えば、オクタノールまたはテルピネオールである。   The solvent in the bonding material 2 of the first embodiment is, for example, octanol or terpineol.

本実施の形態1の接合材料2における活性剤は、例えば、ジグリコール酸、またはセバシン酸などの有機酸である。   The activator in the bonding material 2 of the first embodiment is, for example, an organic acid such as diglycolic acid or sebacic acid.

続いて、本実施の形態1の接合材料を用いた接合構造体の製造方法を、図1(b)を用いて説明する。   Then, the manufacturing method of the joining structure using the joining material of this Embodiment 1 is demonstrated using FIG.1 (b).

図1(b)において、まず、ステップS01で、室温状態で、第一の導体1に接合材料2を供給する。この工程において、接合材料2の供給方法としては、例えば、ディスペンス、印刷工法を用いる。   In FIG. 1B, first, in step S01, the bonding material 2 is supplied to the first conductor 1 at room temperature. In this step, as a method for supplying the bonding material 2, for example, dispensing or a printing method is used.

次に、ステップS02で、室温状態で、接合材料2上に第二の導体3を搭載する。   Next, in step S02, the second conductor 3 is mounted on the bonding material 2 at room temperature.

次に、ステップS03で、接合材料2に含まれるSn−Biの液相温度以上の温度で、第一の導体1及び第二の導体3に接合材料2を濡らした状態で加熱して、接合材料2における各合金の相互拡散反応を促す。具体的には、例えば、230℃で30分間加熱することで、接合材料2における各合金の相互拡散反応を促す。このとき、雰囲気としては大気でも良いが、接合材料2の良好な濡れ性を確保する為には、水素及び窒素の混合雰囲気、或いは、水素雰囲気のような還元雰囲気であることが望ましい。更には、接合時の溶剤や活性剤の揮発による空隙を低減する為に、減圧雰囲気であることが望ましい。その後、同じくステップS03で、各合金の相互拡散反応が促された接合材料2を冷却し、第一の導体1及び第二の導体3を接合材料2で接合することで、接合構造体が製造される。   Next, in step S03, the first conductor 1 and the second conductor 3 are heated in a state in which the bonding material 2 is wet at a temperature equal to or higher than the liquid phase temperature of Sn—Bi contained in the bonding material 2, and bonded. The mutual diffusion reaction of each alloy in the material 2 is promoted. Specifically, for example, the mutual diffusion reaction of each alloy in the bonding material 2 is promoted by heating at 230 ° C. for 30 minutes. At this time, the atmosphere may be air, but in order to ensure good wettability of the bonding material 2, a mixed atmosphere of hydrogen and nitrogen, or a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere is desirable. Furthermore, a reduced pressure atmosphere is desirable in order to reduce voids due to volatilization of the solvent and activator during bonding. Thereafter, in the same manner, in step S03, the bonding material 2 in which the mutual diffusion reaction of each alloy is promoted is cooled, and the first conductor 1 and the second conductor 3 are bonded by the bonding material 2, whereby a bonded structure is manufactured. Is done.

ここで、接合材料2に含まれるSn−Biの合金組成について、図2を用いて説明する。本実施の形態1では、Sn−Ag系はんだ(例えば、融点217℃のSn−3.0wt%Ag−0.5wt%Cu)を溶融させることができる下限温度である230℃以下をプロセス温度のターゲットとしている。また、接合プロセスの温度バラつき10℃を考慮して、Snに対するBiの下限値は21wt%とし、上限値は共晶組成である58wt%とした。   Here, the alloy composition of Sn—Bi contained in the bonding material 2 will be described with reference to FIG. In the first embodiment, the process temperature is set to 230 ° C. or lower, which is the minimum temperature at which Sn—Ag solder (for example, Sn—3.0 wt% Ag—0.5 wt% Cu having a melting point of 217 ° C.) can be melted. Targeted. Further, considering the temperature variation of 10 ° C. in the bonding process, the lower limit value of Bi with respect to Sn was set to 21 wt%, and the upper limit value was set to 58 wt% which is a eutectic composition.

続いて、発明者らは、高いプロセス温度を必要とせず、かつ加圧を必要としない(無加圧状態での)加熱プロセスにより、高い耐熱性を有する接合構造体を製造可能な接合材料2の組成について、実証を行った。この実証により判明した結果を、図3に示す。図3は、発明者らの実証により判明した、Sn−Bi合金(Sn−21wt%Bi)及びCu及びZnの組成についての関係を示したものである。図3は、左下から右下に向けて、Cuに対するSn−Bi合金の組成が0wt%から100wt%であることを示し、右下から上に向けて、Znに対するCuの組成が0wt%から100wt%であることを示し、上から左下に向けて、Sn−Bi合金に対するZnの組成が0wt%から100wt%であることを示している。   Subsequently, the inventors have obtained a bonding material 2 that can produce a bonded structure having high heat resistance by a heating process that does not require high process temperature and does not require pressurization (in a non-pressurized state). The composition was verified. The results found from this demonstration are shown in FIG. FIG. 3 shows the relationship regarding the composition of the Sn—Bi alloy (Sn-21 wt% Bi) and Cu and Zn, which was found by the inventors' verification. FIG. 3 shows that the composition of the Sn—Bi alloy with respect to Cu is 0 wt% to 100 wt% from the lower left to the lower right, and the composition of Cu with respect to Zn is 0 wt% to 100 wt% from the lower right to the upper. It indicates that the composition of Zn with respect to the Sn—Bi alloy is 0 wt% to 100 wt% from the top to the bottom left.

図3において、まず始めに、Sn−Bi合金とCuの関係について説明する。発明者らは、種々の実証を行うことにより、無加圧状態で接合材料2自体の濡れ性によりCu粒子同士が互いに面接触させるためには、Cuに対するSn−Bi合金の組成が60wt%以上必要であることを見出した。すなわち、無加圧状態でCu粒子同士を互いに面接触させるためには、図3に示す矢印A1の範囲内とする必要があることが判明した。   In FIG. 3, first, the relationship between the Sn—Bi alloy and Cu will be described. The inventors conducted various demonstrations, and in order for the Cu particles to come into surface contact with each other due to the wettability of the bonding material 2 itself in a non-pressurized state, the composition of the Sn—Bi alloy with respect to Cu is 60 wt% or more. I found it necessary. In other words, it has been found that in order to bring Cu particles into surface contact with each other in a non-pressurized state, it is necessary to be within the range of the arrow A1 shown in FIG.

続いて、ZnとCuの関係について説明する。発明者らは、種々の実証を行うことにより、無加圧状態で接合材料2の濡れ性を確保するためには、Znに対するCuの組成が20wt%以上必要であることを見出した。すなわち、無加圧状態で接合材料2の濡れ性を確保するためには、図3に示す矢印A2の範囲内とする必要があることが判明した。   Next, the relationship between Zn and Cu will be described. The inventors have found that the composition of Cu with respect to Zn needs to be 20 wt% or more in order to ensure the wettability of the bonding material 2 in a non-pressurized state by performing various demonstrations. That is, it has been found that in order to ensure the wettability of the bonding material 2 in a non-pressurized state, it is necessary to be within the range of the arrow A2 shown in FIG.

続いて、Sn−Bi合金とZnの関係について説明する。発明者らは、種々の実験を行うことにより、無加圧状態で接合部にCu−Zn、Cu−Sn−Znの金属間化合物が形成されるためには、Sn−Bi合金に対するZnの組成が3wt%以上必要であることを見出した。また、種々の実験を行うことにより、無加圧状態で接合材料2の濡れ性を確保するためには、Sn−Bi合金に対するZnの組成が10wt%以下であることが必要なことを見出した。すなわち、無加圧状態で接合部にCu−Zn、Cu−Sn−Znの金属間化合物を形成すると共に、接合材料2の濡れ性を確保するためには、Sn−Bi合金に対するZnの組成が3wt%以上かつ10wt%以下、図3に示す矢印A3の範囲内とする必要があることが判明した。   Next, the relationship between the Sn—Bi alloy and Zn will be described. The inventors have conducted various experiments to form an intermetallic compound of Cu—Zn and Cu—Sn—Zn at the joint in a non-pressurized state in order to form a composition of Zn with respect to the Sn—Bi alloy. Was found to be 3 wt% or more. In addition, by conducting various experiments, it was found that the composition of Zn with respect to the Sn—Bi alloy needs to be 10 wt% or less in order to ensure the wettability of the bonding material 2 in a non-pressurized state. . That is, in order to form an intermetallic compound of Cu—Zn and Cu—Sn—Zn at the joint portion without applying pressure, and to ensure the wettability of the joining material 2, the composition of Zn with respect to the Sn—Bi alloy It has been found that it is necessary that the content be 3 wt% or more and 10 wt% or less within the range of the arrow A3 shown in FIG.

以上判明した実証結果より、高いプロセス温度を必要とせず、かつ加圧を必要としない(無加圧状態での)加熱プロセスにより、高い耐熱性を有する接合構造体を製造可能な接合材料2の組成は、図3に領域B1で示す範囲であることが、発明者らにより見出された。具体的には、領域B1は、Sn−Bi合金の含有率をXwt%とし、Cuの含有率をYwt%とし、Znの含有率をZwt%とした場合、0.6Y≦X、0.2Z≦Y、0.03X≦Z≦0.1Xの関係を満たす範囲である。   From the above-described verification results, the bonding material 2 capable of producing a bonded structure having high heat resistance by a heating process that does not require high process temperature and does not require pressurization (in a non-pressurized state). The inventors have found that the composition is in the range indicated by region B1 in FIG. Specifically, in the region B1, when the content rate of the Sn—Bi alloy is Xwt%, the Cu content rate is Ywt%, and the Zn content rate is Zwt%, 0.6Y ≦ X, 0.2Z ≦ Y and 0.03X ≦ Z ≦ 0.1X.

なお、ZnやCuといった金属は、比較的高温にて酸化しやすい金属である。よって、接合材料2においてZnやCuを過剰な割合(例えば、80wt%以上)で含有させることは、接合材料2自体の濡れ性に関して望ましくない。   Note that metals such as Zn and Cu are easily oxidized at a relatively high temperature. Therefore, it is not desirable for the bonding material 2 to contain Zn or Cu in an excessive ratio (for example, 80 wt% or more) with respect to the wettability of the bonding material 2 itself.

続いて、以上説明した接合材料2を用いた接合構造体の詳細な構成について、説明する。図4は、以上説明した接合材料2で導体などを接合して製造した接合構造体を示す概略断面図である。   Next, a detailed configuration of the bonded structure using the bonding material 2 described above will be described. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a bonded structure manufactured by bonding a conductor or the like with the bonding material 2 described above.

本実施の形態1における接合材料2に含まれるSn−Bi合金、Cu、Znの組成の割合が図3における領域B1の範囲であれば、第一の導体1の接合面に当たる第一面1fと第二の導体3の接合面に当たる第二面3fの間に、高い耐熱性を有する接合部を形成することができる。具体的には、Cuである第一面1f及び第二面3fが、図1(b)のステップS03において接合材料2中に含まれるSnと相互拡散することにより、第一面1f及び/又は第二面3fの一部に第二金属領域12が形成され、この第二金属領域12により第一の導体1と第二の導体3が接合される。   If the composition ratio of the Sn—Bi alloy, Cu, and Zn contained in the bonding material 2 in the first embodiment is in the range of the region B1 in FIG. 3, the first surface 1f that corresponds to the bonding surface of the first conductor 1 and A joint portion having high heat resistance can be formed between the second surfaces 3f corresponding to the joint surface of the second conductor 3. Specifically, the first surface 1f and / or the second surface 3f, which are Cu, interdiffuse with Sn contained in the bonding material 2 in step S03 of FIG. A second metal region 12 is formed in a part of the second surface 3 f, and the first conductor 1 and the second conductor 3 are joined by the second metal region 12.

ここで、接合材料2は、図4にドットで示す第一金属領域11と、図4に斜線で示す第二金属領域12と、図4に横線で示す第三金属領域13とから構成されている。ここで、第一金属領域11は、第一面1fと第二面3fとを電気的に接続する経路を形成するCu粒子の結合体を含む領域である。また、第二金属領域12は、Sn−Cu金属間化合物、Cu−Zn金属間化合物、Cu−Sn−Zn金属間化合物からなる群から選ばれる少なくとも2種の金属を主成分とする領域である。また、第三金属領域13は、Biを主成分とする領域である。第一金属領域11では、Cu粒子同士が互いに面接触することにより、面接触部を形成している。また、第二金属領域12の少なくとも一部分が第一金属領域11に接触しており、第三金属領域13の少なくとも一部分が第二金属領域12に接触している。   Here, the bonding material 2 is composed of a first metal region 11 indicated by dots in FIG. 4, a second metal region 12 indicated by hatching in FIG. 4, and a third metal region 13 indicated by horizontal lines in FIG. Yes. Here, the 1st metal area | region 11 is an area | region containing the coupling body of Cu particle | grains which forms the path | route which electrically connects the 1st surface 1f and the 2nd surface 3f. The second metal region 12 is a region mainly composed of at least two kinds of metals selected from the group consisting of a Sn—Cu intermetallic compound, a Cu—Zn intermetallic compound, and a Cu—Sn—Zn intermetallic compound. . The third metal region 13 is a region containing Bi as a main component. In the first metal region 11, the Cu particles are in surface contact with each other to form a surface contact portion. Further, at least a part of the second metal region 12 is in contact with the first metal region 11, and at least a part of the third metal region 13 is in contact with the second metal region 12.

このようにして構成された本実施の形態1の接合部材2は、固相温度が200℃以下の低融点相が消失しており、固相温度が250℃以上で構成された高い耐熱性を持った接合部を形成することができる。具体的には、接合材料2は、融点1080℃のCu、融点415℃以上のSn−Cu金属間化合物、Cu−Zn金属間化合物、Cu−Sn−Zn金属間化合物からなる群から選ばれる少なくとも2種の金属、融点270℃のBiで構成されている。   The joining member 2 according to the first embodiment configured as described above has a high heat resistance in which the low melting point phase having a solid phase temperature of 200 ° C. or less has disappeared and the solid phase temperature is 250 ° C. or more. A joined portion can be formed. Specifically, the bonding material 2 is at least selected from the group consisting of Cu having a melting point of 1080 ° C., an Sn—Cu intermetallic compound having a melting point of 415 ° C. or higher, a Cu—Zn intermetallic compound, and a Cu—Sn—Zn intermetallic compound. It is composed of two metals, Bi having a melting point of 270 ° C.

なお、第一の導体1と第二の導体3のいずれか一方は、Si、GaN、SiCのようなデバイスを用いても良い。例えば、第一の導体1にSiデバイスを用いた場合、第一面1fには、接合材料2中に含まれるSnと相互拡散する金属であるCu、Ag、NiまたはAuが形成されている必要がある。これらの金属は、Snとの相互拡散により、Cu−Sn金属間化合物、Ag−Sn金属間化合物、Ni−Sn金属間化合物またはAu−Sn金属間化合物が形成されることで、接合することができる。いずれの金属間化合物も融点が250℃以上であるため、高い耐熱性を維持することができる。   Note that a device such as Si, GaN, or SiC may be used for either the first conductor 1 or the second conductor 3. For example, when a Si device is used for the first conductor 1, Cu, Ag, Ni, or Au, which is a metal that interdiffuses with Sn contained in the bonding material 2, needs to be formed on the first surface 1 f. There is. These metals can be joined by interdiffusion with Sn to form a Cu—Sn intermetallic compound, an Ag—Sn intermetallic compound, a Ni—Sn intermetallic compound, or an Au—Sn intermetallic compound. it can. Since any intermetallic compound has a melting point of 250 ° C. or higher, high heat resistance can be maintained.

次に、接合材料2に含まれる合金の粒径サイズ、上述以外の割合、添加元素について説明する。   Next, the particle size of the alloy contained in the bonding material 2, the ratio other than the above, and the additive elements will be described.

合金の粒径サイズは、前述のように、本実施の形態1では、Sn−Bi合金の粒径サイズが0.1μm以上かつ30μm以下であり、Cuの粒子径サイズが0.5μm以上かつ30μm以下であり、Znの粒子径サイズが0.005μm以上かつ10μm以下である。   As described above, in the first embodiment, the particle size of the alloy is such that the particle size of the Sn—Bi alloy is 0.1 μm or more and 30 μm or less, and the particle size of Cu is 0.5 μm or more and 30 μm. The Zn particle size is 0.005 μm or more and 10 μm or less.

Znの粒子径サイズを以上のように定義した理由について説明する。図1のステップS03において、SnとZn及びCuとの相互拡散速度を上げるためには、拡散面積を増やすこと、つまり加熱時に固体として存在しているZnやCuを小粒径化することにより、比表面積を大きくする必要がある。ここで、例えば11μm〜58μmといった大粒子径サイズのZnを用いると、SnやCuと十分に相互拡散反応せず、単体元素として残存してしまって上述したようなCu−Sn−Zn金属間化合物が形成されず、固相温度が200℃以下の低融点相の消失速度が下がってしまう。このようにCuは、Snとの相互拡散速度が比較的遅いことから、溶融加熱以前の略球形状が保持されやすいため、接合部における第一面1fと第二面3fとを電気的に接続する経路を形成する役割を担いやすい。しかしながら、Cuを小粒径化し過ぎると、第一面1fと第二面3fとの間のギャップが保持されず、第一金属領域11によるマトリクスの形成が困難になり、接合部における第一面1fと第二面3fとを電気的に接続する経路が形成されにくくなる。そこで、本実施の形態1では、Znを小粒径化することで、これらの問題を解決している。   The reason for defining the particle size of Zn as described above will be described. In step S03 of FIG. 1, in order to increase the mutual diffusion rate of Sn, Zn and Cu, by increasing the diffusion area, that is, by reducing the particle size of Zn or Cu existing as a solid during heating, It is necessary to increase the specific surface area. Here, when Zn having a large particle size of, for example, 11 μm to 58 μm is used, it does not sufficiently undergo mutual diffusion reaction with Sn and Cu, and remains as a single element, and thus the Cu—Sn—Zn intermetallic compound as described above. Is not formed, and the disappearance rate of the low melting point phase having a solid phase temperature of 200 ° C. or lower is lowered. Thus, since Cu has a relatively slow mutual diffusion rate with Sn, it is easy to maintain a substantially spherical shape before melting and heating, so that the first surface 1f and the second surface 3f at the joint are electrically connected. It is easy to take a role to form a route. However, if the Cu particle size is reduced too much, the gap between the first surface 1f and the second surface 3f is not maintained, and it becomes difficult to form a matrix by the first metal region 11, and the first surface at the joint is formed. It is difficult to form a path that electrically connects 1f and the second surface 3f. Therefore, in Embodiment 1, these problems are solved by reducing the particle size of Zn.

金属の小粒径化の方法は、気相法、液相法共に種々存在するが、本実施の形態1では、レーザ蒸発法を用いた。レーザ蒸発法を用いた理由は、参加を防ぐことで、所望の溶媒中でZnの小粒径化を行うためである。レーザ蒸発法は、高沸点の溶剤の中でZnを小粒径化することができるため、接合温度に達するまでは溶剤により被覆した状態を維持して、酸素との接触の抑制により酸化を防ぐことができる。これは、Zn自体が、金属の中でも比較的酸化しやすい金属であり、小粒径化すると比表面積が大きくなることで図1のステップS03における高温環境では酸素と結びつきやすくなり、酸化が加速されてSnやCuとの相互拡散速度が低下し易いためである。   There are various methods for reducing the metal particle size in both the gas phase method and the liquid phase method. In the first embodiment, the laser evaporation method is used. The reason for using the laser evaporation method is to reduce the particle size of Zn in a desired solvent by preventing participation. The laser evaporation method can reduce the particle size of Zn in a high boiling point solvent, so that the state covered with the solvent is maintained until the bonding temperature is reached, and oxidation is prevented by suppressing contact with oxygen. be able to. This is because Zn itself is a metal that is relatively easy to oxidize among metals, and when the particle size is reduced, the specific surface area becomes large, so that it becomes easy to be combined with oxygen in the high temperature environment in step S03 in FIG. This is because the interdiffusion rate with Sn or Cu tends to decrease.

なお、溶媒としては、想定しているプロセス温度150℃〜230℃に対して、沸点195℃前後のオクタノールを選定した。溶媒としては、215℃前後のテルピネオールを選定してもよい。   As a solvent, octanol having a boiling point of around 195 ° C. was selected for an assumed process temperature of 150 ° C. to 230 ° C. As the solvent, terpineol at around 215 ° C. may be selected.

以上の説明では、Sn−Bi合金の比率として、該合金におけるBiの割合が21wt%のものを用いて説明したが、該合金におけるBiの割合は、21wt%以上かつ58wt%以下としておけば良い。合金におけるBiの割合が21wt%から58wt%に増えると、その組成が共晶組成に近づくことから、接合材料2自体の濡れ性は向上する。また、合金におけるSnの割合が79wt%から42wt%に減ることから、目的としている低融点相の消失時間も早まり、合金におけるBiの割合が21wt%から58wt%に増えることによる不具合は生じない。したがって、Biの割合が21wt%以上かつ58wt%以下であれば、図3における領域B1の範囲は縮小されず、問題は発生しない。   In the above description, the ratio of the Sn—Bi alloy has been described using a Bi ratio of 21 wt% in the alloy. However, the Bi ratio in the alloy may be 21 wt% or more and 58 wt% or less. . When the ratio of Bi in the alloy increases from 21 wt% to 58 wt%, the composition approaches the eutectic composition, so that the wettability of the bonding material 2 itself is improved. Further, since the Sn ratio in the alloy is reduced from 79 wt% to 42 wt%, the intended disappearance time of the low melting point phase is also accelerated, and there is no problem due to the Bi ratio in the alloy increasing from 21 wt% to 58 wt%. Therefore, if the ratio of Bi is 21 wt% or more and 58 wt% or less, the range of the region B1 in FIG. 3 is not reduced and no problem occurs.

なお、Sn−Bi合金には、融点降下により接合材料2の濡れ性を向上させる目的として、合金における割合が0.001wt%以上かつ3wt%以下のAg、又は/及び、合金における割合が0.001wt%以上かつ3wt%以下のNiを、微量添加元素として含んでいても良い。なお、Sn−Bi合金において、Ag及びNiの含有割合が高い場合(例えば、Agが3wt%でNiが3wt%の場合)は、Sn−Bi系合金と呼ばれることもあるが、本実施の形態では、Sn−Bi系合金も含めて、Sn−Bi合金としている。   Note that the Sn—Bi alloy has an alloy ratio of 0.001 wt% or more and 3 wt% or less of Ag and / or an alloy ratio of 0. 0% for the purpose of improving the wettability of the bonding material 2 by lowering the melting point. 001 wt% or more and 3 wt% or less of Ni may be included as a trace additive element. In the Sn—Bi alloy, when the content ratio of Ag and Ni is high (for example, when Ag is 3 wt% and Ni is 3 wt%), it may be referred to as an Sn—Bi alloy. Then, Sn—Bi alloys including Sn—Bi alloys are used.

次に、Sn−58Bi合金を用いた場合の、本実施の形態1の構成と従来例との効果を比較する。図5に、この効果の比較を説明するための表を示す。ここで、第一の導体1及び第二の導体3の材料としては、Cuを用いている。   Next, the effects of the configuration of the first embodiment and the conventional example when the Sn-58Bi alloy is used will be compared. FIG. 5 shows a table for comparing the effects. Here, Cu is used as the material of the first conductor 1 and the second conductor 3.

図5に示すように、従来例に相当する接合材料に対してプロセス時間を変化させた水準1〜3を設定すると共に、本実施の形態1に相当する接合材料に対してプロセス時間を変化させた水準4〜5を0設定し、各水準で得た接合部のピーク温度を示差走査熱量分析(DSC)により2回測定し、固相温度を計測した。その結果、以下のことが分かった。   As shown in FIG. 5, levels 1 to 3 in which the process time is changed for the bonding material corresponding to the conventional example are set, and the process time is changed for the bonding material corresponding to the first embodiment. Levels 4 to 5 were set to 0, the peak temperature of the joint obtained at each level was measured twice by differential scanning calorimetry (DSC), and the solid phase temperature was measured. As a result, the following was found.

水準1、水準4のようにプロセス時間が5分では、図1のステップS03における接合プロセスの初期段階にあたり、200℃以下の低融点相(Sn−Bi合金)が検出されている。   When the process time is 5 minutes as in level 1 and level 4, a low melting point phase (Sn—Bi alloy) of 200 ° C. or lower is detected at the initial stage of the bonding process in step S03 of FIG.

一方、水準3はプロセス時間が60分でも低融点相が検出されているのに対し、水準5では水準3よりも30分間短くても低融点相が検出されず、接合部の固相温度はBiの融点にあたる270℃となっている。すなわち、水準3と水準5を比較することで、Znを所定量含有させることで、Snは全て、Cu−Sn金属間化合物、或いはCu−Zn−Sn金属間化合物に置き換わっていることが示唆される。この結果より、本実施の形態1の接合材料は、従来例と同等のプロセス温度で且つ短時間の加圧を必要となしない加熱プロセスにて、固相温度が200℃以下の低融点相を短時間で消失させることができ、それにより高い耐熱性をもった接合構造を提供することが可能になる。   On the other hand, in Level 3, a low melting point phase is detected even at a process time of 60 minutes, whereas in Level 5, a low melting point phase is not detected even if it is 30 minutes shorter than Level 3, and the solid phase temperature at the junction is It is 270 ° C., which is the melting point of Bi. That is, by comparing the level 3 and the level 5, it is suggested that all Sn is replaced by a Cu—Sn intermetallic compound or a Cu—Zn—Sn intermetallic compound by containing a predetermined amount of Zn. The From this result, the bonding material according to the first embodiment exhibits a low melting point phase having a solid phase temperature of 200 ° C. or lower in a heating process that does not require pressurization for a short time at the same process temperature as the conventional example. It can be eliminated in a short time, and it is thereby possible to provide a bonded structure with high heat resistance.

本発明は、例えば、電力用半導体装置における接合部に用いる接合材料として用いることができる。   The present invention can be used as, for example, a bonding material used for a bonding portion in a power semiconductor device.

1 第一の導体
1f 第一面
2 接合材料
3 第二の導体
3f 第二面
11 第一金属領域
12 第二金属領域
13 第三金属領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st conductor 1f 1st surface 2 Joining material 3 2nd conductor 3f 2nd surface 11 1st metal area | region 12 2nd metal area | region 13 3rd metal area | region

Claims (7)

不可避不純物を除いてSn−Bi合金及びCu及びZnで構成され、
Sn−Bi合金の含有率をXwt%とし、Cuの含有率をYwt%とし、Znの含有率をZwt%とした場合に、0.6Y≦X、0.2Z≦Y、0.03X≦Z≦0.1X、の関係を満たす、
接合材料。
Consists of Sn-Bi alloy and Cu and Zn, excluding inevitable impurities,
When the Sn-Bi alloy content is Xwt%, the Cu content is Ywt%, and the Zn content is Zwt%, 0.6Y≤X, 0.2Z≤Y, 0.03X≤Z ≦ 0.1X is satisfied,
Bonding material.
前記Sn−Bi合金は、該合金におけるBiの割合が21wt%以上かつ58wt%以下である、
請求項1に記載の接合材料。
The Sn—Bi alloy has a Bi ratio of 21 wt% or more and 58 wt% or less in the alloy.
The bonding material according to claim 1.
前記Sn−Bi合金の粒径サイズは0.1μm以上かつ30μm以下であり、前記Cuの粒子径サイズは0.5μm以上かつ30μm以下であり、前記Znの粒子径サイズは0.005μm以上かつ10μm以下である、
請求項1又は2に記載の接合材料。
The particle size of the Sn—Bi alloy is 0.1 μm or more and 30 μm or less, the particle size of the Cu is 0.5 μm or more and 30 μm or less, and the particle size of the Zn is 0.005 μm or more and 10 μm. Is
The bonding material according to claim 1 or 2.
前記Sn−Bi合金は、該合金における割合が0.001wt%以上かつ3wt%以下のAg、該合金における割合が0.001wt%以上かつ3wt%以下のNiのうち一種以上を含む、
請求項1から3いずれか1項に記載の接合材料。
The Sn—Bi alloy contains Ag of 0.001 wt% or more and 3 wt% or less in the alloy, and one or more kinds of Ni in the alloy of 0.001 wt% or more and 3 wt% or less,
The bonding material according to any one of claims 1 to 3.
第一の導体と第二の導体との接合部が、請求項1から4いずれか1項に記載の接合材料により接合された、
接合構造体。
The joint portion between the first conductor and the second conductor is joined by the joining material according to any one of claims 1 to 4.
Bonding structure.
前記接合部は、前記第一の導体の第一面と前記第二の導体の第二面とを電気的に接続する経路を形成するCu粒子の結合体を含む第一金属領域と、Cu−Sn金属間化合物、Cu−Zn金属間化合物またはCu−Sn−Zn金属間化合物からなる群から選ばれる少なくとも2種の金属を主成分とする第二金属領域と、Biを主成分とする第三金属領域、から構成され、
前記第一金属領域では前記Cu粒子同士が互いに面接触することにより面接触部が形成され、前記第二金属領域の少なくとも一部分が前記第一金属領域に接触し、前記第三金属領域の少なくとも一部分が前記第二金属領域に接触している、
請求項5に記載の接合構造体。
The joint includes a first metal region including a combination of Cu particles that form a path that electrically connects the first surface of the first conductor and the second surface of the second conductor; A second metal region composed mainly of at least two metals selected from the group consisting of an Sn intermetallic compound, a Cu—Zn intermetallic compound, or a Cu—Sn—Zn intermetallic compound; and a third composed mainly of Bi. Composed of metal regions,
In the first metal region, the Cu particles are in surface contact with each other to form a surface contact portion, at least a part of the second metal region is in contact with the first metal region, and at least a part of the third metal region is formed. Is in contact with the second metal region,
The joint structure according to claim 5.
前記第二の導体がCuまたはCu合金からなり、前記第一の導体がSiまたはGaNまたはSiCからなる場合に、前記第一の導体の第一面の表面にはCuまたはAgまたはNiまたはAuが形成された、
請求項5または6に記載の接合構造体。
When the second conductor is made of Cu or a Cu alloy, and the first conductor is made of Si, GaN, or SiC, Cu, Ag, Ni, or Au is formed on the surface of the first surface of the first conductor. Been formed,
The joining structure according to claim 5 or 6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109244686A (en) * 2018-07-26 2019-01-18 合德华厦安防科技有限公司 A kind of plug and preparation method thereof for earthed system
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