JP2017121648A - Assembly manufacturing method, pressure junction container and pressure junction apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、接合部を有する組立品の製造方法、加圧接合容器及び加圧接合装置に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an assembly having a joint, a pressure bonding container, and a pressure bonding apparatus.
パワーデバイス用のチップ接合材として従来使用されてきた鉛はんだは、将来的に環境規制によって使用できなくなる可能性があり、代替材料の開発が急務となっている。代替材料として、ナノメートルオーダーやマイクロメートルオーダーの金属粒子を焼結させることによって接合を実現する焼結金属接合材が期待されている。 Lead solder that has been conventionally used as a chip bonding material for power devices may become unusable due to environmental regulations in the future, and there is an urgent need to develop alternative materials. As an alternative material, a sintered metal bonding material that realizes bonding by sintering metal particles of nanometer order or micrometer order is expected.
焼結金属接合材は、その接合強度を保つため、例えば特許文献1に示されているように、電子部材の接合方向に対して加圧しながら焼結熱処理を施すことが望ましい。特許文献2には、加圧方向に対して直交する方向についても接合強度を保つ方法が記載されている。
In order to maintain the bonding strength of the sintered metal bonding material, for example, as disclosed in
通常、焼結金属接合材に加圧力を与える方法としては、モータや油圧を用いた加圧機構が用いられる。従来使用されてきた鉛はんだでは、加圧工程が不要であったため、焼結金属接合材の適用のためには、従来の製造ラインに加圧工程を追加する必要があり、コスト面の問題があった。 Usually, a pressure mechanism using a motor or hydraulic pressure is used as a method of applying pressure to the sintered metal bonding material. Conventionally used lead solder does not require a pressurization process, so it is necessary to add a pressurization process to the conventional production line in order to apply the sintered metal bonding material. there were.
特許文献2においては昇降機構と加圧バネを用いた治具によって加圧する方法が記載されている。しかし、このような複雑な構造の治具を高温環境で用いる場合、治具の劣化による不具合の発生が問題となる。また、単に錘をのせる方法も考えられるが、チップサイズによっては、1個のチップに対して約200kg程度の錘が必要になるケースもあり、現実的ではない。このため、より簡便な方法で加圧加熱接合を実現することが望まれていた。
本発明の目的は、複雑な加圧機構を用いずに、金属微粒子を含む接合材料を焼結した接合部を形成する加圧接合を実現することにある。 An object of the present invention is to realize pressure bonding that forms a bonded portion obtained by sintering a bonding material containing metal fine particles without using a complicated pressure mechanism.
本発明の組立品の製造方法は、第1の部材と、第2の部材と、を含み、これらの間に接合部を有する組立品を加圧及び加熱により製造する方法であって、第1の部材と第2の部材との間に、金属微粒子を含む接合材料を挟んだものを、第1の支持部材と第2の支持部材との間に、第1の支持部材と第2の支持部材との距離を維持するように挟み込むように配置し、第1の部材、第2の部材及び接合材料を加熱し、その際にこれらの熱膨張を押さえ込む第1の支持部材及び第2の支持部材からの圧縮応力を利用して接合材料を加圧し、これにより接合材料の金属微粒子を焼結させて接合部を形成する。 A method of manufacturing an assembly according to the present invention is a method of manufacturing an assembly including a first member and a second member and having a joint between them by pressurization and heating. The first support member and the second support are sandwiched between the first support member and the second support member by sandwiching a bonding material containing metal fine particles between the first member and the second member. The first support member and the second support are arranged so as to be sandwiched so as to maintain a distance from the member, and the first member, the second member, and the bonding material are heated, and the thermal expansion is suppressed at that time. The bonding material is pressurized using the compressive stress from the member, and thereby the metal fine particles of the bonding material are sintered to form the bonded portion.
本発明によれば、複雑な加圧機構を用いずに、熱膨張を押さえ込む反作用である圧縮応力を利用することができるため、金属微粒子を含む接合材料を焼結した接合部を形成する加圧接合を実現することができる。 According to the present invention, since a compressive stress, which is a reaction that suppresses thermal expansion, can be used without using a complicated pressurizing mechanism, pressurization that forms a joint obtained by sintering a joining material containing metal fine particles. Bonding can be realized.
また、本発明によれば、接合部の厚さを所望の値とすることができる。 Moreover, according to this invention, the thickness of a junction part can be made into a desired value.
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiment taken up here, and can be appropriately combined and improved without departing from the technical idea of the present invention.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態である組立品の製造方法の一工程を示す断面図である。ここでは、組立品が半導体デバイスの場合を示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one step of a method for manufacturing an assembly according to the first embodiment of the present invention. Here, the case where the assembly is a semiconductor device is shown.
少なくとも第1の部材11、第2の部材12及び接合材料13を用いて作製する半導体デバイス10を、ともに剛性の高い第1の支持部材51と第2の支持部材52との間に挟み込む。第1の支持部材51は第1の面14を有し、第2の支持部材52は第2の面15を有する。第1の面14は第1の部材11と接し、第2の面15は第2の部材12と接する。接合材料13は、金属微粒子を含む。この場合において、第1の支持部材51と第2の支持部材52との距離を維持するように設置する。
The
第1の部材11及び第2の部材12は、どのような材質であっても構わないが、例えば第1の部材11として、Si、SiCなどの材質からなる半導体チップ、第2の部材12として、AlN、Cuなどの材質からなる基板を適用することができる。なお、第1の部材11および第2の部材12の表面に、NiやAg等、種々のめっき処理が施してあっても構わない。また、封止樹脂や配線など半導体デバイスを構成する材料の数が増えても構わない。接合材料13は、銀、銅、酸化銀、酸化銅などの金属微粒子を分散媒に混ぜたペースト材や、事前に金属微粒子を焼結して作製しておいたシート材などを適用することができる。
The
第1の面14及び第2の面15は、熱の影響を受けないような形で所定の位置に固定される。本図においては上下方向に対向する位置に固定されている。この状態で半導体デバイス10全体を加熱すると半導体デバイス10が熱膨張しようとするが、第1の面14と第2の面15の位置が固定されているため、接合材料13に圧縮応力が発生する。加熱方法はどのような方法であってもよいが、例えば下面の第2の面15からヒーターで加熱するなどの方法がある。
The
図2は、図1に対応する装置構成の一例について更に具体的に示したものである。 FIG. 2 shows more specifically an example of the apparatus configuration corresponding to FIG.
第1の支持部材に相当する上蓋21は、第1の面14を有し、内側に断熱材25を有している。一方、第2の支持部材に相当するヒーター23は、第2の面15を有し、半導体デバイス10を加熱するように配置されている。
The
上蓋21は、外部のロック機構22によって位置を固定されている。上蓋21の内面は、半導体デバイス10の上面に接触するように高さが調整されている。半導体デバイス10の高さは、種類によって異なるため、上蓋21の高さを調整する機能があることが好ましい。また、銅や酸化銅を対象とした場合では、炉内の雰囲気を還元雰囲気や不活性雰囲気に変更できる機能があることも好ましい。
The position of the
ヒーター23の加熱により、半導体デバイス10が熱膨張するが、上蓋21は、断熱構造を有するため、熱による影響を受けず、熱膨張による変形は生じない。よって、上蓋21の内面である第1の面14の位置は変化しない。このため、半導体デバイス10の接合材13に適切な圧縮応力が加わり、所望の加圧加熱接合が達成される。
Although the
図2に示す構成によれば、上蓋21の位置を固定され、加圧時に第1の面14と第2の面15との距離が維持されるため、接合部の厚さを所望の値とすることができる。
According to the configuration shown in FIG. 2, the position of the
本実施の形態によれば、加圧機構を用いることなく加圧加熱接合を実現できる。 According to the present embodiment, it is possible to realize pressure heating bonding without using a pressure mechanism.
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態である組立品の製造方法の一工程を示す断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing one step of the method for manufacturing an assembly according to the second embodiment of the present invention.
本図においては、半導体デバイス10を挟む第1の面14及び第2の面15は、第3の支持部材16によって位置を固定されている。ここで、固定の方法は、特に限定されるものではなく、溶接による接合、ボルトによる締め付け等であってよい。第3の支持部材16は、半導体デバイス10の接合方向(以下「厚さ方向」又は「加圧方向」ともいう。)の等価熱膨張係数αdよりも熱膨張係数が低い部材によって構成されていなければならない。半導体デバイス10の等価熱膨張係数αdは、以下の式によって計算できる。
In the drawing, the positions of the
ここで、αiは半導体デバイス10を構成する各部材の接合方向(厚さ方向又は加圧方向)の熱膨張係数でtiは各部材の厚さ、hは半導体デバイス10全体の厚さ、Nは半導体デバイス10を構成する材料の総数である。
Here, α i is a coefficient of thermal expansion in the joining direction (thickness direction or pressure direction) of each member constituting the
例えば、半導体デバイス10の構成として、第1の部材11にSiチップ(α1=3.2×10−6/K、t1=0.3mm)、第2の部材12にCu(α2=17.0×10−6/K、t2=3.0mm)、接合材料13に焼結銀(α3=23.7×10−6/K、t3=0.075mm)とした場合、等価線膨張係数αdは約15.9×10−6/Kとなる。第3の支持部材16は、これよりも熱膨張係数が低く、剛性の高い構造材料である必要がある。そのような構造材料としては、例えば、炭素鋼(α=10.8×10−6/K)、鉄(α=12.1×10−6/K)、SUS410(α=10.4×10−6/K)などを適用することができる。また、第3の支持部材16として、負の熱膨張を有する材料や、ゼロ熱膨張材料を適用してもよい。
For example, as a configuration of the
また、第3の支持部材16は、接合材料13よりも高い弾性率を有する材質からなることが好ましい。なお、前記の半導体デバイス10の構成(Si、焼結銀、Cu)において、第3の支持部材16として鉄を用いて約175℃の均一な温度変化を与えた場合、接合材料13に相当する焼結銀層において生じる厚さ方向の圧縮応力は、約20MPa程度となることを有限要素解析によって確認している。これは、焼結銀が高強度に焼結接合するために十分な圧力である。このように、接合材料13に発生する圧縮応力は有限要素解析によって予測することが可能であり、その圧力レベルについては第3の支持部材16の材質や周辺構造などによって適宜制御することが可能である。
The
第3の支持部材16は、半導体デバイス10と共に加熱され、その際の第3の支持部材16と半導体デバイス10との熱膨張量の差によって半導体デバイス10の接合材料13に圧縮応力が生じ、第1の部材11と第2の部材12が接合材料13によって加圧接合される。加熱の方法はどのようなものであっても構わないが、例えば半導体デバイス10の周囲を囲む形の治具(加圧接合容器)を炉の中に入れる方法がある。
The
図4は、図3に対応する構成の一例である加圧接合容器について具体的に示したものである。 FIG. 4 specifically shows a pressure bonding container which is an example of a configuration corresponding to FIG.
図4においては、治具20(加圧接合容器)は、第1の面を有する第1の支持部材17と、第2の面を有する第2の支持部材18と、第3の支持部材16と、で構成されている。第1の支持部材17及び第2の支持部材18は同一材料であっても構わない。
In FIG. 4, the jig 20 (pressure bonding container) includes a
図3及び4に示す構成によれば、加圧時に第1の面14と第2の面15との距離が維持されるため、接合部の厚さを所望の値とすることができる。
3 and 4, since the distance between the
図5は、半導体デバイス10(組立品)を加圧接合容器の内部に固定する直前の状態を示したものである。 FIG. 5 shows a state immediately before the semiconductor device 10 (assembly) is fixed inside the pressure bonding container.
本図においては、第2の支持部材18の上面に半導体デバイス10を設置し、その後、半導体デバイス10の上面に蓋をするように第1の支持部材17を配置し、ボルト55により締め付けて第1の支持部材17を固定する。
In this figure, the
図6は、図4の加圧接合容器の変形例における半導体デバイス10の設置工程を示したものである。
FIG. 6 shows an installation process of the
本図においては、半導体デバイス10を2枚のスライド板61で挟み込み、これらを治具20に挿入する。スライド板61の材質は、第1の支持部材17及び第2の支持部材18と同じであるか、それらよりも弾性率及び熱膨張係数が高い材質であることが好ましい。また、製造の効率を考慮して、複数のデバイスを一度に設置できるようになっていることが好ましい。
In this figure, the
第1の支持部材17及び第2の支持部材18は、剛性を高くするため、ある程度の厚さが必要となるが、体積が増加すると温度を上昇させるのに時間がかかってしまう。このような問題を考慮して、治具20を構成する部材は、剛性を保ちつつ、短時間で温度が上昇するように、例えばH鋼のようになっているなど、体積を減少させる工夫がされていることが好ましい。トラス構造やハニカム構造など内部が肉抜きされた構造になっていてもよい。第3の支持部材16は、熱が均一となるようになるべく断面積の小さい柱状となっていることが好ましい。
The
本実施の形態によれば、複雑な治具を用いることなく加圧加熱接合を実現できる。
(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態である組立品の製造方法の一工程を示す断面図である。
According to the present embodiment, it is possible to realize pressure heating bonding without using a complicated jig.
(Third embodiment)
FIG. 7: is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the assembly which is the 3rd Embodiment of this invention.
本図においては、半導体デバイス10と第1の面14との間に樹脂シートなどの緩衝部材19を配置している。同様に、半導体デバイス10と第2の面15との間に緩衝部材19を配置してもよい。これによって、半導体デバイス10のダメージ緩和や、面圧分布の均一化、ギャップ調整などの効果を付加することが可能となる。また、複数のデバイスを一度に加圧する際の高さのばらつきを吸収することが可能となる。
In this figure, a
図8は、図7の緩衝部材19の応力ひずみ関係を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing the stress-strain relationship of the
図8に示すように、降伏応力を超えるとひずみに対して応力が上昇しなくなるような応力ひずみ関係を有する材料を緩衝部材19として用いることが望ましい。これにより、半導体デバイス10にかかる圧力が緩衝部材19の降伏応力以上には上がらなくなるため、高さのばらつきなどに起因する圧力のばらつきを制御することが可能となる。このような材料としては、例えば、発泡材料や樹脂の厚さ方向にフィラーや繊維を配向させた材料などが適用できる。また、樹脂の例としては、ポリイミドが挙げられる。
As shown in FIG. 8, it is desirable to use as the buffer member 19 a material having a stress-strain relationship such that stress does not increase with respect to strain when the yield stress is exceeded. As a result, the pressure applied to the
本実施の形態によれば、高さばらつき等に起因する圧力のばらつきを抑制することが可能となる。 According to the present embodiment, it is possible to suppress pressure variations due to height variations and the like.
図9は、本発明の組立品の製造方法の主要な工程をまとめて示したものである。 FIG. 9 collectively shows the main steps of the method for manufacturing an assembly according to the present invention.
本図においては、まず、接合材料を含む被処理物を第1の支持部材と第2の支持部材との間に挟み込むように配置する(S1)。被処理物は、第1の部材と第2の部材との間に、金属微粒子を含む接合材料を挟み込んだものであり、接合前の組立品である。つぎに、第1の支持部材と第2の支持部材との距離を維持するように固定した状態で被処理物を加熱する(S2)。このように加熱することにより、第1の部材と第2の部材との間に挟み込まれた接合材料が熱膨張に対抗する力を受け、圧縮され、焼結する。 In this figure, first, an object to be processed including a bonding material is disposed so as to be sandwiched between a first support member and a second support member (S1). The object to be processed is an assembly before joining, in which a joining material containing metal fine particles is sandwiched between the first member and the second member. Next, the object to be processed is heated in a state of being fixed so as to maintain the distance between the first support member and the second support member (S2). By heating in this way, the bonding material sandwiched between the first member and the second member receives a force against thermal expansion, and is compressed and sintered.
以上で説明したように、本発明に係る接合方法および接合装置は、複雑な加圧機構を用いずに熱処理するだけで加圧接合を実現できる。 As described above, the bonding method and the bonding apparatus according to the present invention can realize pressure bonding only by heat treatment without using a complicated pressure mechanism.
なお、上記した実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。 Note that the above-described embodiments have been specifically described in order to help understanding of the present invention, and the present invention is not limited to having all the configurations described. For example, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, a part of the configuration of each embodiment can be deleted, replaced with another configuration, or added with another configuration.
10:半導体デバイス、11:第1の部材、12:第2の部材、13:接合材料、14:第1の面、15:第2の面、16:第3の支持部材、17:第1の支持部材、18:第2の支持部材、19:緩衝部材、20:治具、21:上蓋、22:ロック機構、23:ヒーター、25:断熱材、51:第1の支持部材、52:第2の支持部材、55:ボルト、61:スライド板。 10: Semiconductor device, 11: First member, 12: Second member, 13: Bonding material, 14: First surface, 15: Second surface, 16: Third support member, 17: First 18: second support member, 19: buffer member, 20: jig, 21: upper lid, 22: lock mechanism, 23: heater, 25: heat insulating material, 51: first support member, 52: Second support member, 55: bolt, 61: slide plate.
Claims (18)
前記第1の部材と前記第2の部材との間に、金属微粒子を含む接合材料を挟んだものを、第1の支持部材と第2の支持部材との間に、前記第1の支持部材と前記第2の支持部材との距離を維持するように挟み込むように配置し、
前記第1の部材、前記第2の部材及び前記接合材料を加熱し、その際にこれらの熱膨張を押さえ込む前記第1の支持部材及び前記第2の支持部材からの圧縮応力を利用して前記接合材料を加圧し、これにより前記接合材料の前記金属微粒子を焼結させて前記接合部を形成する、組立品の製造方法。 A method of manufacturing an assembly including a first member and a second member and having a joint portion therebetween by pressurization and heating,
The first support member is formed by sandwiching a bonding material containing metal fine particles between the first member and the second member, between the first support member and the second support member. And so as to be sandwiched so as to maintain a distance between the second support member and
The first member, the second member, and the bonding material are heated, and the compressive stress from the first support member and the second support member that suppresses the thermal expansion of the first member, the second member, and the bonding material is used. A method for manufacturing an assembly, wherein the joining material is formed by pressurizing the joining material, thereby sintering the metal fine particles of the joining material.
第1の支持部材と、第2の支持部材と、を備え、
前記第1の支持部材と前記第2の支持部材との距離を維持するように、前記第1の部材、前記第2の部材及び前記接合材料を前記第1の支持部材と前記第2の支持部材との間に挟み込んで保持することを可能とした構成を有する、加圧接合容器。 When manufacturing an assembly including a first member and a second member and having a joint portion therebetween, a joining material containing metal fine particles, which becomes the joint portion, is used as the first member. And a container used to pressurize and heat in a state sandwiched between the second member and the second member,
A first support member and a second support member;
The first support member, the second support member, and the second support member are separated from each other so that the distance between the first support member and the second support member is maintained. A pressure bonding container having a configuration that can be sandwiched and held between members.
前記第1の部材と前記第2の部材との間に、金属微粒子を含む接合材料を挟んだ状態で、これらを第1の支持部材と第2の支持部材との間に、前記第1の支持部材と前記第2の支持部材との距離を維持するように挟み込むように配置し、
前記第1の部材、前記第2の部材及び前記接合材料を加熱し、その際にこれらの熱膨張を押さえ込む前記第1の支持部材及び前記第2の支持部材からの圧縮応力を利用して前記接合材料を加圧し、これにより前記接合材料の前記金属微粒子を焼結させて前記接合部を形成する、加圧接合装置。 An apparatus for manufacturing an assembly including a first member and a second member and having a joint portion therebetween by pressurization and heating,
In a state in which a bonding material containing metal fine particles is sandwiched between the first member and the second member, these are interposed between the first support member and the second support member. Arranged so as to hold the distance between the support member and the second support member,
The first member, the second member, and the bonding material are heated, and the compressive stress from the first support member and the second support member that suppresses the thermal expansion of the first member, the second member, and the bonding material is used. A pressure bonding apparatus that pressurizes a bonding material, thereby sintering the metal fine particles of the bonding material to form the bonding portion.
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