JP2017136640A - Junction - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属体または合金体（金属/合金体）を接合した接合部に関するものである。 The present invention relates to a joint portion obtained by joining metal bodies or alloy bodies (metal / alloy bodies).
先に、本明細書において使用する用語について、次の通り定義しておく。
（１）「金属」、「金属粒子」又は「金属成分」というときは、金属元素単体のみならず、複数の金属元素を含む合金、コンポジット構造、又は、それらの組合せを含む。
（２）ナノとは、1μｍ（1000ｎｍ）以下の大きさをいう。
（３）金属マトリクスとは、その他の成分の間隙を充填し、それらを支持する母材となる金属又は合金のことをいう。
First, terms used in this specification are defined as follows.
(1) The term “metal”, “metal particle” or “metal component” includes not only a single metal element but also an alloy containing a plurality of metal elements, a composite structure, or a combination thereof.
(2) Nano means a size of 1 μm (1000 nm) or less.
(3) The metal matrix refers to a metal or alloy that fills the gaps of other components and serves as a base material that supports them.
長時間にわたって高温動作状態が継続し、しかも、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用される機器、例えば、車載用電力制御素子（パワーデバイス）は、上述した熱履歴にかかわらず、長期にわたって高い接合強度が維持できることが要求される。しかし、従来知られた接合材は、必ずしも上述した要求を満たし得るものではなかった。 Devices used in harsh environments, such as in-vehicle power control elements (power devices) that continue to operate at high temperatures for a long period of time and have large temperature fluctuations from a high-temperature operation state to a low-temperature stop state Regardless of the thermal history described above, it is required that high bonding strength can be maintained over a long period of time. However, conventionally known bonding materials cannot always satisfy the above-described requirements.
例えば、特許文献１に開示されているSnAgCu系接合材（粉末はんだ材料）では、到底上述した要求を満たすことができない。 For example, the SnAgCu-based bonding material (powder solder material) disclosed in Patent Document 1 cannot satisfy the above-described requirements.
また、複数の半導体基板を積層して接合する場合や、金属や合金による三次元造形物を成形する場合等に固有の問題として、カーケンダルボイドによる機械的強度の低下の問題がある。カーケンダルボイドは、金属の相互拡散の不均衡により発生した原子空孔（格子）が、消滅することなく集積したことにより発生する。例えば、SnとCuの界面の場合、Cuの拡散に対してSnの拡散が少ないため、金属間化合物とCu界面とに空孔が集積し、カーケンダルボイドを形成する。このカーケンダルボイドが、より大きな空洞又はクラックに発展し、接合部や三次元造形物の信頼性及び品質を低下させ、更には機械的強度の低下、剥離、破断、破損等を生じてしまうこともある。 In addition, there is a problem of a decrease in mechanical strength due to a Kirkendall void as a problem inherent to stacking and joining a plurality of semiconductor substrates or forming a three-dimensional structure made of metal or alloy. Kirkendall voids are generated by the accumulation of atomic vacancies (lattices) generated by imbalance in metal interdiffusion without disappearing. For example, in the case of an interface between Sn and Cu, since there is less Sn diffusion than Cu diffusion, voids accumulate at the intermetallic compound and the Cu interface to form a Kirkendall void. This Kirkendall void develops into larger cavities or cracks, which reduces the reliability and quality of joints and three-dimensional structures, and further reduces mechanical strength, peeling, breakage, breakage, etc. There is also.
本発明の課題は、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度を維持し得る接合部を提供することである。 The subject of this invention is providing the junction part which can maintain high heat resistance, joining strength, and mechanical strength over a long period of time.
上述した課題を解決するため、本発明に係る接合部は、金属間化合物を含み、金属/合金体を接合する。前記金属間化合物は、帯状構造をとり、複数の前記帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成し、前記間隔がナノサイズである。 In order to solve the above-described problems, the joint according to the present invention includes an intermetallic compound and joins a metal / alloy body. The intermetallic compound takes a band-like structure, forms a striped structure in which a plurality of the band-like structures are arranged at intervals, and the intervals are nano-sized.
上述したように、本発明に係る接合部は、縞状組織を形成する金属間化合物を含む。よって、接合強度が高く、高温耐熱性に優れた接合部になる。 As described above, the joint according to the present invention includes an intermetallic compound that forms a striped structure. Therefore, the joint strength is high and the joint is excellent in high temperature heat resistance.
また、前記金属間化合物は、帯状構造をとり、複数の前記帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成し、前記間隔がナノサイズである。したがって、仮に、カーケンダルボイドが発生したとしても、前記帯状構造に当たった地点でカーケンダルボイドの成長が止まる。また、前記帯状構造の間隔がナノサイズであるから、カーケンダルボイドは狭い範囲に抑えられ、クラックなどの重篤な欠陥に発展することはない。そのため、機械的強度が大で、剥離、破断、破損等を生じにくい高信頼性及び高品質の接合部を形成することが可能になる。 The intermetallic compound has a band-like structure, forms a striped structure in which a plurality of the band-like structures are arranged at intervals, and the intervals are nano-sized. Therefore, even if a Kirkendall void is generated, the Kirkendall void growth stops at the point where it hits the band-like structure. Further, since the interval between the band-like structures is nano-sized, the Kirkendall void is suppressed to a narrow range and does not develop into a serious defect such as a crack. For this reason, it is possible to form a highly reliable and high quality bonded portion that has high mechanical strength and is less likely to be peeled, broken, or damaged.
また、本発明に係る接合部に含まれる前記縞状組織は、折りたたまれた構造をとることができる。 Moreover, the said striped structure | tissue contained in the junction part which concerns on this invention can take the folded structure.
上述したような折りたたまれた構造をとる場合、発生したカーケンダルボイドがどの方向へ成長したとしても、すぐに金属間化合物の帯状構造に当たることになり、クラックへの発展を防ぐことが可能である。 In the case of taking the folded structure as described above, regardless of the direction in which the generated Kirkendall void grows, it immediately hits the band structure of the intermetallic compound, and it is possible to prevent the development of cracks. .
さらに、本発明に係る接合部に含まれる前記縞状組織は、ラメラ構造をとることもできる。この場合においても、上述した作用効果を得ることができる。 Furthermore, the said striped structure | tissue contained in the junction part which concerns on this invention can also take a lamella structure. Even in this case, the above-described effects can be obtained.
本発明に係る接合部は、Cu、Al、Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd、Si、B、Ti、Bi、In、Sb、Ga、Zn、Cr、Coから選択された金属元素を含んでおり、前記金属間化合物は、前記金属元素を少なくとも1つを含んでいる。 The joint according to the present invention comprises a metal element selected from Cu, Al, Ni, Sn, Ag, Au, Pt, Pd, Si, B, Ti, Bi, In, Sb, Ga, Zn, Cr, Co. And the intermetallic compound includes at least one of the metal elements.
また、本発明に係る接合部に含まれる金属間化合物は、典型的には、CuとSnとから構成される。この場合の作用効果については、実施例において詳しく説明する。 In addition, the intermetallic compound contained in the joint according to the present invention is typically composed of Cu and Sn. The effect in this case is demonstrated in detail in an Example.
本発明に係る接合部は、低融点成分と高融点成分とを組合せて形成することもできる。その場合、材料を、初期融解時には、主に低融点成分のもつ融点で溶解させて、前記金属間化合物を形成することが可能である。形成された金属間化合物は、再融解温度を、高融点成分の持つ融点によって支配されるような温度まで、高温化することができる。したがって、耐熱性に優れた高信頼性及び高品質の接合部を形成し得る。この特性は、発熱量の大きな電力制御用半導体素子（パワーデバイス）のための電気配線及び導電性接合材として有用である。 The joint according to the present invention can also be formed by combining a low melting point component and a high melting point component. In that case, at the time of initial melting, the intermetallic compound can be formed by dissolving mainly at the melting point of the low melting point component. The formed intermetallic compound can be remelted to a temperature that is governed by the melting point of the high melting point component. Therefore, it is possible to form a highly reliable and high quality joint having excellent heat resistance. This characteristic is useful as an electric wiring and a conductive bonding material for a power control semiconductor element (power device) having a large calorific value.
また、本発明に係る金属間化合物の帯状構造の間隙を、金属マトリクスで充填することができる。その結果、前記接合部は、金属間化合物による高温耐熱性と、金属マトリクスによる柔軟性とを兼ね備えることが可能である。このため、長時間にわたって高温動作状態が継続した場合でも、また、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用された場合でも、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度が維持されることになる。 Moreover, the gap | interval of the strip | belt-shaped structure of the intermetallic compound concerning this invention can be filled with a metal matrix. As a result, the joint portion can have both high temperature heat resistance due to the intermetallic compound and flexibility due to the metal matrix. For this reason, even when used in a harsh environment, such as when the high temperature operation state continues for a long time, or when it is used in a harsh environment such as a large temperature fluctuation from the high temperature operation state to the low temperature stop state, high heat resistance, Bonding strength and mechanical strength will be maintained.
以上述べたように、本発明によれば、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度を維持し得る接合部を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a joint that can maintain high heat resistance, joint strength, and mechanical strength over a long period of time.
図１を参照すると、本発明に係る接合部300は、例えば、対向配置された基板100、500に形成された金属/合金体101、501を接合する。基板100、500は、例えば、パワーデバイスなどの電子・電気機器を構成する基板であり、金属/合金体101、501は、電極、バンプ、端子またはリード導体などとして、基板100、500に設けられている。パワーデバイスなどの電子・電気機器では、金属/合金体101、501は、一般にはCuまたはその合金として構成される。もっとも、基板100、500に相当する部分が、金属/合金体で構成されたものを排除するものではない。 Referring to FIG. 1, the joining unit 300 according to the present invention joins, for example, metal / alloy bodies 101 and 501 formed on substrates 100 and 500 arranged to face each other. The substrates 100 and 500 are, for example, substrates that constitute electronic and electrical equipment such as power devices, and the metal / alloy bodies 101 and 501 are provided on the substrates 100 and 500 as electrodes, bumps, terminals, or lead conductors. ing. In electronic / electrical equipment such as power devices, the metal / alloy bodies 101 and 501 are generally configured as Cu or an alloy thereof. However, the portion corresponding to the substrates 100 and 500 is not excluded from the case where the portion is made of a metal / alloy body.
図２及び図３において、接合部300は、金属/合金体101、501の表面に、第1層301、第2層302及び第3層303が、この順序で積層された構造を持つ。接合部300を構成する第1層301及び第2層302は、金属間化合物を含んでいる。 2 and 3, the junction 300 has a structure in which a first layer 301, a second layer 302, and a third layer 303 are laminated in this order on the surfaces of the metal / alloy bodies 101 and 501, respectively. The first layer 301 and the second layer 302 that form the joint portion 300 contain an intermetallic compound.
図２及び図３において、接合部300は、CuとSnとを含む接合材を用いることによって得られる。さらに具体的には、接合部300は、Sn、Cu、SnとCuとの合金又はSnとCuとの金属間化合物CuｘSnｙを含み、金属/合金体101、501の表層に、拡散接合によって接合されている。金属間化合物CuｘSnｙは、典型的にはCu３Sn、Cu６Sn５である。 2 and 3, the joint portion 300 is obtained by using a joining material containing Cu and Sn. More specifically, the joint portion 300 includes Sn, Cu, an alloy of Sn and Cu, or an intermetallic compound CuxSny of Sn and Cu, and is joined to the surface layers of the metal / alloy bodies 101 and 501 by diffusion bonding. ing. The intermetallic compound CuxSny is typically Cu3Sn or Cu6Sn5.
上記構造において、第1層301は、Cu層である金属/合金体101、501に隣接しているため、CuリッチなCu３Snを主とする金属間化合物が帯状構造をとり、帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成している。Cu層である金属/合金体101、501から遠い第2層302では、Cu６Sn５を主とする金属間化合物が帯状構造をとり、帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成している。 In the above structure, since the first layer 301 is adjacent to the metal / alloy bodies 101 and 501, which are Cu layers, an intermetallic compound mainly composed of Cu-rich Cu3Sn takes a band-like structure, and the band-like structures are spaced apart. A striped structure is formed. In the second layer 302 far from the metal / alloy bodies 101 and 501, which are Cu layers, an intermetallic compound mainly composed of Cu6Sn5 takes a band-like structure, and forms a striped structure in which the band-like structures are arranged at intervals.
上述したように、接合部300は、CuとSnとの金属間化合物を含んでいる。金属間化合物を含む接合部は、接合強度が高く、高温耐熱性に優れている。 As described above, the junction 300 includes an intermetallic compound of Cu and Sn. A joint including an intermetallic compound has high joint strength and excellent high-temperature heat resistance.
仮に、カーケンダルボイドが発生したとしても、帯状構造に当たった地点でカーケンダルボイドの成長が止まる。また、前記帯状構造は、間隔がナノサイズであるため、カーケンダルボイドの成長は狭い範囲に抑えられ、クラックなどの重篤な欠陥に発展することはない。そのため、機械的強度が大で、剥離、破断、破損等を生じにくい高信頼性及び高品質の接合部を形成することが可能になる。 Even if a Kirkendall void occurs, the Kirkendall void growth stops at the point where it hits the band structure. Further, since the band-like structure has a nano-size interval, the growth of the Kirkendall void is suppressed to a narrow range and does not develop into a serious defect such as a crack. For this reason, it is possible to form a highly reliable and high quality bonded portion that has high mechanical strength and is less likely to be peeled, broken, or damaged.
また、一般的なCuとSnの接合において、Cu層とCu３Sn層との界面やCu３Sn層内部において、カーケンダルボイドが発生しやすいことが知られている。しかし、図３をみると、帯状の金属間化合物がCu層と入組むように結合している。また、Cu３Sn層内部においても帯状の金属間化合物同士が入組むように結合している。その結果、Cu層とCu３Sn層との界面の接合強度が上がり、また、Cu３Sn層内部においても強固な結合が作られる。したがって、接合強度の高い接合部が得られる。 Further, it is known that Kirkendall voids are likely to be generated at the interface between the Cu layer and the Cu3Sn layer or inside the Cu3Sn layer in the general bonding of Cu and Sn. However, when FIG. 3 is seen, it has couple | bonded so that a strip | belt-shaped intermetallic compound may interpose with a Cu layer. In addition, the band-like intermetallic compounds are bonded so as to interpose even inside the Cu3Sn layer. As a result, the bonding strength at the interface between the Cu layer and the Cu3Sn layer is increased, and a strong bond is also formed inside the Cu3Sn layer. Therefore, a joint with high joint strength can be obtained.
また、縞状組織は、図３の第1層301のように、折りたたまれた構造をとることができる。その結果、カーケンダルボイドがどの方向へ成長したとしても、すぐに金属間化合物の帯状構造に当たることになる。したがって、接合部の信頼性及び品質を低下させ、更には機械的強度を低下させ、剥離、破断、破損等を生じさせるような、クラックなどの重篤な欠陥に発展することはない。 Further, the striped structure can take a folded structure like the first layer 301 in FIG. As a result, no matter what direction the Kirkendall void grows, it immediately hits the band structure of the intermetallic compound. Therefore, it does not develop into a serious defect such as a crack that reduces the reliability and quality of the joint, further lowers the mechanical strength, and causes peeling, breakage, breakage, and the like.
さらに、縞状組織は、ラメラ構造をとることもできる。この場合においても、上述した作用効果を得ることができる。 Further, the striped structure can take a lamellar structure. Even in this case, the above-described effects can be obtained.
第1層301及び第2層302は、複数の金属成分を含むことができる。この場合、複数の金属成分として、低融点成分と高融点成分とを組合せ、初期融解時には、主として、低融点成分のもつ融点で溶解させ、凝固後の再融解温度を、高融点成分の持つ融点によって支配されるような温度まで、高温化することができる。例えば、本実施形態として例示したように、接合部をCuとSnとを含む接合材によって形成した場合、初期融解時には、主として、Snのもつ融点（231.9℃）で溶解させ、凝固後の再融解温度を、Snよりも高融点であるCuｘSnｙのもつ融点（Cu３Sn：約676℃、Cu６Sn５：約435℃）によって支配されるような温度まで、高温化することができる。したがって、耐熱性に優れた高信頼性及び高品質の接合部を形成し得る。接合部におけるこの特性は、発熱量の大きな電力制御用半導体素子（パワーデバイス）のための電気配線及び導電性接合材として有用である。 The first layer 301 and the second layer 302 can include a plurality of metal components. In this case, the low melting point component and the high melting point component are combined as a plurality of metal components, and at the initial melting, the melting point of the low melting point component is mainly dissolved, and the remelting temperature after solidification is set to the melting point of the high melting point component. The temperature can be increased to a temperature that is dominated by. For example, as exemplified in the present embodiment, when the joining portion is formed of a joining material containing Cu and Sn, at the initial melting, it is mainly melted at the melting point of Sn (231.9 ° C.) and remelted after solidification. The temperature can be increased to a temperature that is governed by the melting point of CuxSny (Cu3Sn: about 676 ° C., Cu6Sn5: about 435 ° C.), which has a higher melting point than Sn. Therefore, it is possible to form a highly reliable and high quality joint having excellent heat resistance. This characteristic at the joint is useful as an electric wiring and a conductive joint for a power control semiconductor element (power device) having a large calorific value.
また、第1層301及び第2層302は、金属マトリクスを含むことができる。本実施形態における金属マトリクスとは、具体的には、Sn、Sn合金、SnとCuとの金属間化合物が混在した合金である。この金属マトリクスは、金属間化合物に比べて靭性が高い。したがって、第1層301及び第2層302、延いては接合部300は、金属間化合物による高温耐熱性と、金属マトリクスによる柔軟性とを兼ね備えることが可能である。このため、長時間にわたって高温動作状態が継続した場合でも、また、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用された場合でも、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度が維持されることになる。 In addition, the first layer 301 and the second layer 302 may include a metal matrix. Specifically, the metal matrix in the present embodiment is Sn, Sn alloy, or an alloy in which an intermetallic compound of Sn and Cu is mixed. This metal matrix has higher toughness than intermetallic compounds. Therefore, the first layer 301 and the second layer 302, and hence the joint portion 300, can have both high-temperature heat resistance due to the intermetallic compound and flexibility due to the metal matrix. For this reason, even when used in a harsh environment, such as when the high temperature operation state continues for a long time, or when it is used in a harsh environment such as a large temperature fluctuation from the high temperature operation state to the low temperature stop state, high heat resistance, Bonding strength and mechanical strength will be maintained.
もっとも、第1層301及び第2層302の組成材料は、これを用いて得ようとするものに応じて選定される。例えば、Cu、Al、Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd、Si、B、Ti、Bi、In、Sb、Ga、Zn、Cr、Coから選択された金属元素を含んでおり、金属間化合物は、前記金属元素を少なくとも1つを含んでいる。 But the composition material of the 1st layer 301 and the 2nd layer 302 is chosen according to what is going to be obtained using this. For example, it contains a metal element selected from Cu, Al, Ni, Sn, Ag, Au, Pt, Pd, Si, B, Ti, Bi, In, Sb, Ga, Zn, Cr, and Co. The compound contains at least one of the metal elements.
本発明に係る接合部のシェア強度を図４に示す。Cuの含有量が異なる（8質量％と40質量％）2種類の接合部において、シェア強度を測定した。比較例として、SAC305（Sn-3.0％Ag-0.5％Cu）を用いて形成した接合部のシェア強度を記載している。SAC305を用いた場合、シェア強度は、200℃においてすでに低下し、225℃においてはゼロであり、接合状態を保てない。 The shear strength of the joint according to the present invention is shown in FIG. The shear strength was measured at two types of joints with different Cu contents (8 mass% and 40 mass%). As a comparative example, the shear strength of a joint formed using SAC305 (Sn-3.0% Ag-0.5% Cu) is described. When SAC305 is used, the shear strength already decreases at 200 ° C. and is zero at 225 ° C., and the bonded state cannot be maintained.
一方、本発明に係る接合部のシェア強度は、200℃において十分な強度を有する。225℃になると、Cu含有量によって差はあるが、どちらもまだ強度を保っている。さらに温度を上げると、8質量％の接合部では強度が著しく低下するが、40質量％の接合部では十分な強度を保っている。つまり、使用環境に応じて、適したCu含有量を選択することで、従来の接合材では実現が難しかった、高温でも接合強度を保持した接合部を形成することが可能である。 On the other hand, the shear strength of the joint according to the present invention is sufficient at 200 ° C. At 225 ° C, there is a difference depending on the Cu content, but both are still strong. When the temperature is further increased, the strength is remarkably reduced at the 8 mass% bonded portion, but sufficient strength is maintained at the 40 mass% bonded portion. That is, by selecting a suitable Cu content according to the use environment, it is possible to form a joint that maintains the joint strength even at high temperatures, which is difficult to achieve with conventional joint materials.
ちなみに、260℃の高温保持試験（HTS）では、試験開始時から約100時間までは、シェア強度が約35MPaから約40MPaまで上昇し、500時間までの時間領域では、ほぼ40MPaで安定するという試験結果が得られた。 By the way, in the high temperature holding test (HTS) at 260 ° C, the shear strength increases from about 35 MPa to about 40 MPa from the start of the test to about 100 hours, and is stable at about 40 MPa in the time range up to 500 hours. Results were obtained.
また、（-40〜200℃）の冷熱サイクル試験（TCT）では、約200サイクルを超えたあたりから、全サイクル（1000サイクル）に渡って、シェア強度が約35MPaで安定するという試験結果が得られた。 In the (-40 to 200 ° C) thermal cycle test (TCT), the test results show that the shear strength stabilizes at about 35 MPa over the entire cycle (1000 cycles) from around 200 cycles. It was.
上記した構造は、例えば、8質量％のCuと、92質量％のSnの組成で成る金属粒子1を含む接合材で形成することができる。前記金属粒子1は、特許第４４０１２８１号に開示された技術を適用して製造することができる。実際の使用にあたっては、この金属粒子１の集合体である粉体が用いられる。 The above-described structure can be formed of, for example, a bonding material including metal particles 1 having a composition of 8% by mass of Cu and 92% by mass of Sn. The metal particles 1 can be manufactured by applying the technique disclosed in Japanese Patent No. 4401281. In actual use, a powder that is an aggregate of the metal particles 1 is used.
図５、図６を参照すると、金属粒子1は、表層に金属間化合物が集積し、外殻状の構造1aを形成している。金属粒子1を含む接合材を用いて接合部300を形成した場合、金属粒子1と金属/合金体101，501との拡散接合は、外殻状の構造1aを通じての拡散になる。そのため、拡散を起こす金属同士が直接接触して拡散反応が起こる従来の接合材よりも、反応速度が抑制される。 Referring to FIGS. 5 and 6, in the metal particles 1, intermetallic compounds are accumulated on the surface layer to form an outer shell-like structure 1a. When the joining portion 300 is formed using a joining material including the metal particles 1, diffusion joining between the metal particles 1 and the metal / alloy bodies 101 and 501 is diffusion through the outer shell-like structure 1a. Therefore, the reaction rate is suppressed as compared with a conventional bonding material in which a diffusion reaction occurs due to direct contact between metals that cause diffusion.
反応速度を抑制された状態での拡散反応により、金属間化合物の縞状組織が形成される。 A striped structure of an intermetallic compound is formed by a diffusion reaction in a state where the reaction rate is suppressed.
また、反応速度が抑制された結果、前述したカーケンダルボイドの発生原因である、Cuの拡散に対してSnの拡散が少ないという相互拡散の不均衡が解消され、機械的強度が大で、剥離、破断、破損等を生じにくい高信頼性及び高品質の接合部を形成することが可能になる。 In addition, as a result of the suppression of the reaction rate, the above-mentioned Kirkendall void generation, which eliminates the mutual diffusion imbalance that Sn diffusion is less than Cu diffusion, has high mechanical strength, and peeling In addition, it is possible to form a highly reliable and high quality joint that is less likely to break, break or the like.
以上、添付図面を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。 The present invention has been described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made by those skilled in the art based on the basic technical idea and teachings. It is self-evident that you can think of it.
1 金属粒子
1a 金属間化合物
1b 金属マトリクス
100,500 基板
101,501 金属/合金体
300 接合部
1 Metal particles
1a Intermetallic compounds
1b Metal matrix
100,500 substrate
101,501 Metal / alloy body
300 joints
Claims (4)
前記金属間化合物は、帯状構造をとり、複数の前記帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成し、前記間隔が１０００ｎｍ以下である、
接合部。 A joint including an intermetallic compound and joining a metal body or an alloy body,
The intermetallic compound takes a band-like structure, forms a striped structure in which a plurality of the band-like structures are arranged at intervals, and the interval is 1000 nm or less.
Junction.
前記縞状組織は、折りたたまれた構造をとる、接合部。 The joint according to claim 1,
The stripe structure has a folded structure.
前記縞状組織は、ラメラ構造をとる、接合部。 The joint according to claim 1,
The striped structure has a lamellar structure and is a joint.
前記金属間化合物は、SnとCuとの金属間化合物である、
接合部。
The joint according to claim 1, 2 or 3,
The intermetallic compound is an intermetallic compound of Sn and Cu.
Junction.
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPH1112672A (en) * | 1997-04-30 | 1999-01-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Aluminum alloy with high toughness and high heat resistance, and its manufacture |
| JP2009107158A (en) * | 2007-10-27 | 2009-05-21 | Institute Of National Colleges Of Technology Japan | Different metal joined body and its manufacturing process |
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPH1112672A (en) * | 1997-04-30 | 1999-01-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Aluminum alloy with high toughness and high heat resistance, and its manufacture |
| JP2009107158A (en) * | 2007-10-27 | 2009-05-21 | Institute Of National Colleges Of Technology Japan | Different metal joined body and its manufacturing process |
| JP2015076518A (en) * | 2013-10-09 | 2015-04-20 | 有限会社 ナプラ | Joint and electric wiring |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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