JP2017152638A - 接合構造、該接合構造を備えた電子部品、および該接合構造の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合対象に、電子部品素子が備える外部電極を接合する場合に、高い接合信頼性を確保することが可能な接合構造、該接合構造を備えた電子部品、および信頼性の高い接合構造を効率よく形成することが可能な接合構造の形成方法を提供する。【解決手段】接続対象である金属体１と、金属体と接合された金属粒子の焼結体３とを備え、焼結体が、平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体であり、金属体と焼結体との接合界面を超えて、金属体を構成する金属が焼結体側に拡散し、焼結体を構成する銅が金属体側に拡散している構成とする。また、接合界面に、金属体を構成する金属と焼結体を構成する銅との合金層が形成された構成とする。また、金属体が銅を含むものであって、焼結体と金属体にまたがって、銅の結晶粒界が存在している構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、リードフレームや回路基板、無酸素銅基板などの一方の接続対象に、他方の接続対象であるＩＣチップなどの電子部品素子を接合する際に形成される接合構造、該接合構造を備えた電子部品、および該接合構造の形成方法に関する。

近年、例えば、外部電極を備えた電子部品素子を、回路基板が備えるランド上に実装するような場合、はんだ系の接合材料を用いたリフローはんだ付け法による接合方法が広く用いられるに至っている。

そして、そのような技術に関する論文として、非特許文献１に記載されているような論文「エレクトロニクス実装における接着」がある。この論文には、ダイシング工程で切り分けられた半導体チップを、金属（銅系またはＦｅ−Ｎｉ合金）のリードフレームや基板に接着する技術が記載されている。そして、この論文には、ダイボンディング用の接着剤として、エポキシ樹脂にフレーク状のＡｇ粉を配合した、導電性接着剤であるＡｇペーストを用いることが記載されている。

その一方では、この論文には、パワー半導体などでは、導電性接着剤ではなく、はんだ接合の方法が用いられていることが記載されている。

溶接学会誌 第７９巻（２０１０） 第７号 エレクトロニクス実装における接着

しかしながら、非特許文献１の、エポキシ樹脂にフレーク状のＡｇ粉を配合した導電性接着剤を用いた接合の場合、エポキシ樹脂の耐熱性が必ずしも十分ではないことから、近年のＩＣなどの電子部品のＴｊ温度（接合部温度）の上昇などにより、将来的に、接合信頼性が担保できなくなるという問題点がある。

また、パワー半導体などにはんだ接合を用いた場合も、近年のＩＣなどの電子部品のＴｊ温度（接合部温度）の上昇により、将来的に、Ｔｊ温度がはんだ、特に現在広く用いられている、Ｐｂを含まないはんだ（Ｐｂフリーはんだ）の融点を超える場合もあることが予想され、ユーザーでのリフロー時にはんだが再度溶融し、接合信頼性が損なわれるという問題点がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、例えば、リードフレームや回路基板、無酸素銅基板などの接合対象に、電子部品素子が備える外部電極を接合するような場合に、高い接合信頼性を確保することが可能な接合構造、該接合構造を備えた接合信頼性の高い電子部品、および信頼性の高い接合構造を効率よく形成することが可能な接合構造の形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかる接合構造は、
接続対象である金属体と、前記金属体と接合された金属粒子の焼結体とを備え、
前記焼結体が、平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体であり、
前記金属体と前記焼結体との接合界面を超えて、前記金属体を構成する金属が前記焼結体側に拡散し、前記焼結体を構成する銅が前記金属体側に拡散していること
を特徴としている。

なお、本発明において、銅を含む焼結体の平均結晶子径は、以下の方法で求めた。
まず、銅粒子についてＸ線回折測定を行い、ピーク＜１１１＞、＜２００＞、＜３１１＞の３つのピークを得た。それから、得られた３つのピークを用いて、リートベルト法により結晶子径を算出し、その平均値を平均結晶子径とした。

本発明の接合構造においては、前記接合界面に、前記金属体を構成する金属と前記焼結体を構成する銅との合金層が形成されていることが好ましい。

境界に金属体を構成する金属と焼結体を構成する銅との合金層が形成されている場合、金属体と焼結体の間に強固な接合部が形成され、金属体と焼結体との接合強度が大きく、より信頼性の高い接合構造を実現することが可能になる。

また、前記金属体が銅を含むものであって、前記焼結体と前記金属体にまたがって、銅の結晶粒界が存在している構成とすることも可能である。

焼結体と金属体にまたがって、銅の結晶粒界を存在させることにより、焼結体と金属体の接合界面の接合強度を向上させることができる。

また、本発明にかかる電子部品は、
一方の接続対象である金属体に、他方の接続対象である電子部品素子の外部電極が、金属粒子の焼結体によって接合された電子部品であって、
前記金属体と前記焼結体、あるいは前記外部電極と前記焼結体とが、本発明の接合構造によって接合されていること
を特徴としている。

また、本発明の接合構造の形成方法は、
接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに接触させた状態で加熱することにより、
前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体との接合界面を超えて、前記金属体を構成する金属が前記焼結体側に拡散し、前記焼結体を構成する銅が前記金属体側に拡散した接合構造を形成すること
を特徴としている。

また、本発明の他の接合構造の形成方法は、
接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに押圧しつつ加熱することにより、
前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体との接合界面を超えて、前記金属体を構成する金属が前記焼結体側に拡散し、前記焼結体を構成する銅が前記金属体側に拡散した接合構造を形成すること
を特徴としている。

また、本発明のさらに他の接合構造の形成方法は、
接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに接触させた状態で加熱することにより、
前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体との接合界面に、前記金属体を構成する金属と前記焼結体を構成する銅との合金層が形成された接合構造を形成すること
を特徴としている。

また、本発明のさらに他の接合構造の形成方法は、
接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに押圧しつつ加熱することにより、
前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体との接合界面に、前記金属体を構成する金属と前記焼結体を構成する銅との合金層が形成された接合構造を形成すること
を特徴としている。

また、本発明のさらに他の接合構造の形成方法は、
接続対象である、銅を含む金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに接触させた状態で加熱することにより、
前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体の接合界面にまたがって、銅の結晶粒界が存在する接合構造を形成すること
を特徴としている。

また、本発明のさらに他の接合構造の形成方法は、
接続対象である、銅を含む金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに押圧しつつ加熱することにより、
前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体の接合界面にまたがって、銅の結晶粒界が存在する接合構造を形成すること
を特徴としている。

本発明にかかる接合構造は、接続対象である金属体と、上記金属体と接合された金属粒子の焼結体とを備え、焼結体が、平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体であり、金属体と焼結体との接合界面を超えて、金属体を構成する金属が焼結体側に拡散し、焼結体を構成する銅が金属体側に拡散した構造を有しているので、金属体と焼結体との接合信頼性の高い接合構造を実現することができる。

すなわち、金属体を構成する金属と、焼結体を構成する銅とが接合界面を超えて拡散した構造を有しているので、最初の接合時には低い温度で焼成することが可能であるにもかかわらず、接合構造体を再加熱する際には焼結体の金属体との接合部の融点が高温側にシフトする（本発明によれば、例えば、融点を６００℃以上にシフトさせることができる）ため、再加熱時に接合部が再溶融することを防止することが可能な、信頼性の高い接合構造を実現することができる。

また、本発明にかかる電子部品は、一方の接続対象である金属体に、他方の接続対象である電子部品素子の外部電極が、金属粒子の焼結体によって接合された電子部品において、金属体と焼結体、あるいは外部電極と焼結体とが、本発明の接合構造によって接合されているので、一方の接続対象である、例えばリードフレーム、基板上のランド電極、無酸素銅基板などの金属体と金属粒子の焼結体、あるいは、最表面がＡｕめっき層などからなる外部電極と金属粒子の焼結体とが確実に接合され、結果的に、金属体などの一方の接続対象と、他方の接続対象である電子部品素子の外部電極とが、金属粒子の焼結体を介して強固に接合された信頼性の高い電子部品を提供することができる。

また、本発明の接合構造の形成方法のように、接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに接触させた状態で加熱することにより、金属体と、銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、金属体と焼結体との接合界面を超えて、金属体を構成する金属が焼結体側に、焼結体を構成する銅が金属体側に拡散した接合構造を形成することが可能になる。

すなわち、金属体を構成する金属と、焼結体を構成する銅とが拡散した構造とすることにより、最初の接合時には低い温度で焼成することが可能であるにもかかわらず、接合構造体を再加熱する際には、焼結体の金属体との接合部の融点が高温側にシフトする（本発明によれば、例えば、融点を６００℃以上にシフトさせることができる）ため、再加熱時に接合部が再溶融することを防止して、信頼性の高い接合構造を実現することができる。

また、金属体と接合材料を互いに押圧しつつ加熱するようにした場合、平均結晶子径が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む緻密な焼結体が形成され、接合部の放熱性が向上する。また、接合界面のネックが太くなり、接合強度が向上する。

また、本発明の他の接合構造の形成方法のように、接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに接触させた状態で加熱することにより、金属体と、接合材料を構成する銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、金属体と焼結体との接合界面に、金属体を構成する金属と焼結体を構成する銅との合金層が形成され、強固な接合部を備えた信頼性の高い接合構造を形成することが可能になる。

また、金属体と接合材料を互いに押圧しつつ加熱するようにした場合、平均結晶子径が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む緻密な焼結体が形成され、焼結体と金属体との接合部の放熱性が向上する。また、接合界面のネックが太くなり、接合強度が向上する。

また、本発明のさらに他の接合構造の形成方法のように、接続対象である、銅を含む金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに接触させた状態で加熱することにより、金属体と、接合材料を構成する銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、金属体と焼結体の接合界面にまたがって、銅の結晶粒界が存在する、接合界面の強度の大きい接合構造を形成することが可能になる。

また、金属体と接合材料を互いに押圧しつつ加熱するようにした場合、平均結晶子径が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む緻密な焼結体が形成され、焼結体と金属体との接合部の放熱性が向上する。また、接合界面のネックが太くなり、接合強度が向上する。

本発明の一実施形態（実施形態１）にかかる接合構造を示す図である。 本発明の実施形態１において、銅粒子ペーストを用いて接合構造を形成するための熱処理のプロファイルを示す図である。 本発明の実施形態にかかる接合構造を形成するための銅粒子ペーストの焼結体の断面ＳＴＥＭ像である。 本発明の実施形態（実施形態１）にかかる接合構造における金属体（Ａｕ電極）と焼結体（銅焼結体）との接合部のＳＴＥＭ像（走査透過顕微鏡像）である。 本発明の実施形態（実施形態１）にかかる接合構造における、金属体（Ａｕ電極）と焼結体（銅焼結体）の接合界面のＳＴＥＭ像である。 図５ＡのＳＴＥＭ像に対応する領域のＥＤＸ点分析結果を示す図である。 本発明の実施形態（実施形態１）にかかる接合構造における、金属体（無酸素銅基板）と焼結体（銅焼結体）の接合界面のＳＩＭ像である。 本発明の実施形態２における評価用の試料の、無酸素銅基板と銅焼結体の接合界面近傍の構成を示すＳＥＭ像である。 本発明の実施形態２における評価用の試料の、無酸素銅基板と銅焼結体の接合界面のＳＩＭ像である。

以下に本発明を実施するための形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の一実施形態（実施形態１）にかかる接合構造を示す図である。この実施形態１にかかる接合構造は、図１に示すように、無酸素銅基板（一方の接合対象である金属体）１に、電子部品素子としてのＩＣチップ（他方の接続対象）２をダイボンドした場合の接合構造を示すものであり、ＩＣチップ２が金属粒子が焼結した焼結体（銅焼結体）３により無酸素銅基板（金属体）１に接合され、かつ、封止樹脂４により封止された構造を示している。

この実施形態１では、無酸素銅基板を一方の接合対象である金属体１としているが、金属体１の構成材料としては、無酸素銅以外には、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｆｅ合金、Ｃｕ−Ｚｒ合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金などのＣｕ合金や、Ｆｅ−Ｎｉ合金などの鉄系合金が用いられることが多い。

また、金属体１は、リードフレーム、金属端子などの他の金属体であってもよく、樹脂基板やセラミック基板に配設された電極などであってもよい。

金属体１が電極である場合、構成材料は銅であることが多い。さらに、電極の表面にプリフラックス処理がされていてもよく、また、Ｎｉめっき、Ｎｉ／Ａｕめっき、Ｎｉ／Ａｇめっきなどが施されていてもよい。

本発明は上述のような種々の金属体に、電子部品素子を実装するような場合に広く適用することができる。

また、電子部品素子であるＩＣチップ２の本体（基材）には、ケイ素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳＩＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などが用いられており、ＩＣチップ２の本体の下面には、電極（外部電極）２ａが配設されている。外部電極２ａは、通常、めっき膜から形成されることが多い。

外部電極２ａとして用いられるめっき膜としては、最表面を構成するめっき膜として、金（Ａｕ）めっき膜または銀（Ａｇ）めっき膜を備えたものが用いられることが多い。例えば、ＩＣチップの下面から順に、表面に向かってチタン（Ｔｉ）／ニッケル（Ｎｉ）／Ａｕの各めっき膜を備えたもの、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｇの各めっき膜を備えたもの、Ｎｉ／Ａｕの各めっき膜を備えたものなどが例示される。

ただし、本発明において電子部品素子は、上述のＩＣチップに限られるものではなく、積層セラミックコンデンサや積層コイル部品などのチップ部品であってもよい。チップ部品の外部電極は、一般的に、銅（Ｃｕ）、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｎｉなどから選ばれる材料から形成される。なお、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｎｉなどからなる外部電極にはガラスが含まれていてもよい。

この実施形態１では、後述のように、下層側から、Ｔｉめっき膜１２ａ、Ｐｄめっき膜１２ｂ、Ａｕめっき膜１２ｃの順で形成された各めっき膜により形成された外部電極２ａを備えたＩＣチップ（Ｓｉチップ）２が、電子部品素子として用いられている（図１参照）。なお、ＩＣチップ２は平面形状が正方形で、厚みが０．５２５ｍｍ、正方形の一辺が５ｍｍの寸法を有している。
各めっき膜の厚みは、最表面側から、それぞれ、Ａｕめっき膜１２ｃ：５００ｎｍ、Ｐｄめっき膜１２ｂ：１５０ｎｍ、Ｔｉめっき膜１２ａ：５０ｎｍとされている。

なお、基板やリードフレームなどの金属体１が無酸素銅やＣｕ合金などからなるものである場合には、特にめっき処理が施されていなくても、銅焼結体３との接合を行うことが可能である。

この実施形態１では、一方の接合対象である金属体として、表面にめっき膜を備えていない無酸素銅基板１に、ＩＣチップ２の外部電極（最表面に金めっき膜を備えた電極）２ａを接合するようにしている。

本発明の接合構造において、一方の接合対象である金属体と電子部品素子の外部電極を接合する焼結体は、銅粒子を含むペーストを焼成することにより銅粒子が焼結することにより形成された銅焼結体から形成されている。

焼結体を構成する金属材料としては銅粒子が好適に用いられる。場合によっては、銅を主成分とする金属粒子や、Ｃｕ合金粒子などを用いることも可能である。
通常金属の焼結体は耐熱性、放熱性、導電性に優れている。その中でもサブミクロンサイズの銅粒子を含む焼結体は、焼結性に優れており、耐熱性、放熱性、導電性が高いことから、ＩＣチップのダイボンド向けの接合部に、好適に用いることができる。

また、銅の焼結体は、銅粒子と溶媒、その他添加剤によって構成された銅粒子ペーストを所定のプロファイルによって熱処理を加えることにより形成される。なお、この実施形態１では、後述のように、Ｎ₂雰囲気、２３０℃、保持時間５ｍｉｎ（昇温速度８０℃／ｍｉｎ）のプロファイル（図２参照）で熱処理を行うことにより、銅焼結体を形成するようにしている。

銅粒子ペーストを構成する銅粒子は粒径ピークが０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲にあり、かつ凝集を抑制する分散剤を表面に有していないことが好ましい。
銅粒子と、銅粒子の焼結温度で還元性を奏する有機化合物で構成された銅粒子ペーストを利用することで、還元剤が銅粒子を確実に還元し、焼結体の内部と外部が同様に焼結した、安定した焼結体を形成することができる。

また、上記銅粒子ペーストを構成する有機化合物としては、ヒドロキシ基を有する有機化合物を用いることが好ましい。具体的には、トリエタノールアミン、グリセリン、エチレングリコール、トリエチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコールからなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。

銅粒子ペーストを焼成する際には、通常、温度範囲：２００℃以上３５０℃以下、焼成時間：３ｍｉｎ以上６０ｍｉｎ以下、焼成時の雰囲気は還元雰囲気、または不活性雰囲気下で行うことが望ましい。
ただし、焼成条件は、上述の条件に限定されるものではない。

なお、パッケージングする際には封止樹脂４によってＩＣのダイボンド部を封止する。封止材料はエポキシ樹脂などが用いられる。

一方の接続対象である無酸素銅基板（金属体）１と、他方の接続対象であるＩＣチップ２の外部電極２ａとを接合するにあたっては、例えば、無酸素銅基板（金属体）１と、ＩＣチップ２の外部電極２ａのいずれかに、上述の銅粒子ペーストを配置した後、無酸素銅基板１とＩＣチップ２の外部電極２ａを銅粒ペーストを介して接合する。

その後、所定の温度に加熱して、銅粒子ペーストを焼結させることにより、銅粒子の焼結体３によって、ＩＣチップ２の外部電極２ａを無酸素銅基板１に固着させる。

これにより、一方の接続対象である無酸素銅基板（金属体）に、他方の接続対象であるＩＣチップ２の外部電極２ａが接合された電子部品が形成される。

なお、銅粒子ペーストは不活性雰囲気下、かつ低温（２５０℃以下）で焼結させることができるため、ＩＣチップ２にダメージを与えたり、汚染したりするおそれはない。

無酸素銅基板１とＩＣチップ２とを固着させた後、ワイヤボンドなどで配線し、最終的に樹脂封止を行う。封止の方法はコンプレッションモールド、トランスファーモールド、インジェクションモールドなどの種々の手法を採用することができる。

＜銅粒子の焼結体について＞
ここで、銅粒子ペーストを単体で熱処理して、銅粒子の焼結の状態を観察した結果について説明する。
なお、焼結体３は、上述のように、銅粒子と溶媒、その他添加剤によって構成された銅粒子ペーストを所定のプロファイルによって熱処理を加えることにより形成されるものである。

この実施形態１では、銅粒子ペーストを構成する銅粒子として、粒径ピークが約０．３μｍであるサブミクロンサイズの銅粒子と、粒径ピークが約２μｍであるミクロンサイズの銅粒子の２種類の銅粒子を配合して用いた。また、銅粒子ペーストを構成する溶媒として、トリエタノールアミンを配合した。

この銅粒子ペーストをＮ₂雰囲気、２３０℃、保持時間５ｍｉｎ（昇温速度８０℃／ｍｉｎ）のプロファイル（図２参照）で焼成することにより銅焼結体を得た。図３は、銅焼結体のＳＴＥＭ像である。

なお、上述の銅粒子ペーストを使用することで、２３０℃という低温、５ｍｉｎという比較的短時間かつ無加圧で、図３に示すような良好な銅焼結体が得られることが確認された。

また、銅粒子ペーストの焼成前と焼成後の平均結晶子サイズをＸＲＤのリートベルト法によって求めた。その結果を表１に示す。

焼成前の平均結晶子径は６０．３ｎｍと小さく、これにより２３０℃という低温でも焼結させることができる。
また、焼成後は平均結晶子径が少し大きくなっているが、それでも平均結晶子径は８２．０ｎｍと小さいことが確認された。

この８２．０ｎｍという平均結晶子径は、塊状の金属材料である、いわゆるバルク状の金属材料（例えば、金属箔，めっき膜、棒状金属など）の平均結晶子径に比べて小さいものである。

この焼結体の熱伝導率を測定した結果、９３Ｗ／ｍ・Ｋと算出され、一般的なＰｂを含まない実装はんだ（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ：６４Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｓｎ−１０Ｓｂ：４７Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高く、放熱性に優れていることが確認された。

なお、焼成前の平均結晶子サイズを６０ｎｍよりも小さくしておくことにより、本発の接合構造のように、平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体を形成することができる。

次に、以下の方法で、ＩＣチップの外部電極を、上述の銅粒子ペーストを用いて、無酸素銅基板に接合することにより、評価用の試料（電子部品）を作製した（図１参照）。

上述の銅粒子ペーストをメタルマスクを用いて印刷した無酸素銅基板に、表層側からＡｕめっき膜、Ｐｄめっき膜、Ｔｉめっき膜の３層構造の外部電極を形成したＩＣチップ（Ｓｉチップ）を対向させて張り合わせた。

外部電極を構成する各めっき膜の厚みは、最表面から順に、Ａｕめっき膜：５００ｎｍ、Ｐｄめっき膜：１５０ｎｍ、Ｔｉめっき膜：５０ｎｍである。
ＩＣチップ（Ｓｉチップ）２は、平面形状が正方形で、厚みが０．５２５ｍｍ、正方形の一辺の寸法が５ｍｍのものである。
メタルマスクとしては、厚みが４０μｍで、開口部が正方形で一辺の寸法が５ｍｍのものを用いた。

その後、Ｎ₂雰囲気、２３０℃、保持時間５ｍｉｎ（昇温速度８０℃／ｍｉｎ）のプロファイル（図２参照）で焼成した。
これにより、ＩＣチップが銅焼結体により無酸素銅基板に接合された評価用の試料（電子部品）を得た（図１参照）。

得られた試料について、ＩＣチップの外部電極（Ａｕ電極）と銅焼結体の接合状態、および、無酸素銅基板と銅焼結体の接合状態を観察した。以下に説明を行う。

＜ＩＣチップの外部電極と銅焼結体の接合状態について＞
ここでは、まず、ＩＣチップ２の外部電極２ａと無酸素銅基板１とが銅焼結体を介して接合された評価用の試料（接合構造体）（図１参照）のうち、ＩＣチップ２の外部電極（上述のように最表層がＡｕめっき層である電極）２ａと銅焼結体３の接合状態について説明する。

接合状態を確認するために、ＩＣチップ２の外部電極（最表層がＡｕめっき層である電極）２ａと銅焼結体の接合界面（図１において破線Ｌ０₁で示される界面）についてＡｕおよびＣｕのマッピング分析を行った。図４に、実施形態１にかかる接合構造における金属体である外部電極（最表層がＡｕめっき層である電極）２ａと焼結体（銅焼結体）３の接合部のＳＴＥＭ像を示す。

ＡｕおよびＣｕのマッピングから、Ａｕは銅粒子（銅焼結体）３側に、ＣｕはＩＣチップ２の外部電極（最表層がＡｕめっき層である電極）２ａ側にそれぞれ拡散していることが確認された。

さらにＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）により、Ａｕ電極から銅粒子に向かう直線上の２１点でＣｕとＡｕの元素濃度を求めた。その結果、図５Ａ、図５Ｂに示すように、およそ２２０ｎｍにわたってＣｕとＡｕが相互に拡散しており、ＣｕとＡｕの合金層を形成していることが確認された。
なお、図５Ａは、接合界面のＳＴＥＭ像、図５Ｂは、図５ＡのＳＴＥＭ像に対応する領域のＥＤＸ点分析結果を示す図である。
また、図５Ｂにおける原点は、図５Ａ上で界面と考えられる点と定めている。

＜無酸素銅基板と銅焼結体の接合状態について＞
次に、ＩＣチップ２の外部電極２ａと、無酸素銅基板とを銅焼結体３を介して接合した評価用の試料（接合構造体）（図１参照）のうち、無酸素銅基板１と銅焼結体３の接合状態について説明する。

上述のようにして作製した評価用の試料の、無酸素銅基板１と、銅焼結体３との、接合界面を走査イオン顕微鏡で観察して、図６に示すようなＳＩＭ像を得た。
図１および図６において、破線Ｌ０₂が無酸素銅基板（金属体）１と銅焼結体３との接合界面を示す。また、線Ｌ１で囲まれた領域が、銅の一つの結晶粒界の範囲を示す。

図６に示すように、銅焼結体３と無酸素銅基板１の接合界面にまたがって、銅の結晶粒界（線Ｌ１で囲まれた領域が銅の一つの結晶粒界の範囲）が存在しており、無酸素銅基板１のＣｕ原子と銅焼結体３の銅原子が拡散していることがわかる。
このように、銅焼結体３と無酸素銅基板１の接合界面にまたがって、銅の結晶粒界が存在するようにした場合。接合界面の強度を向上させることが可能になり、信頼性の高い接合構造を実現することができる。

［実施形態２］
この実施形態２では、銅粒子ペーストを、メタルマスクを用いて所定の位置に印刷した無酸素銅基板に、ＩＣチップ（Ｓｉチップ）の外部電極が形成された面を対向させて張り合わせ、以下の手順で、圧力を加えながら所定の温度に加熱して、無酸素銅基板に、表層側からＡｕめっき膜、Ｐｄめっき膜、Ｔｉめっき膜の３層構造からなる、ＩＣチップの外部電極を接合した。

ＩＣチップとしては上記実施形態１の評価用の試料に用いたものと同じものを用いた。すなわち、ＩＣチップとしては、平面形状が正方形で、厚みが０．５２５ｍｍ、正方形の一辺の寸法が５ｍｍで、外部電極の構成も上記実施形態１で用いたＩＣチップと同じものを用いた。

また、メタルマスクも、上記実施形態１の場合と同様に、厚みが４０μｍで、開口部が正方形で一辺の寸法が５ｍｍのものを用いた。

さらに、銅粒子ペーストについても、上記実施形態１で用いた銅粒子ペーストと同じものを用いた。

そして、無酸素銅基板に、ＩＣチップを接合した接合構造体を、大気雰囲気、ツール温度４５０℃、荷重２５０Ｎ、保持時間２０ｓｅｃの条件で熱圧着することにより、評価用の試料を作製した。

ここでは、ツール温度を４５０℃としているが、銅粒子ペーストの実際の温度はそれよりも低い温度となる。
また、ツール温度の４５０℃は固定的なものではなく、さらに低い温度とすることも可能である。

図７に、実施形態２の評価用の試料の、無酸素銅基板１と銅焼結体３との接合界面近傍のＳＥＭ像を示す。図７より、熱圧着によって、空隙の少ない緻密な銅焼結体３が形成されていることがわかる。

また、無酸素銅基板１と銅焼結体３の接合界面近傍のＳＩＭ像を図８に示す。破線Ｌ０₂が銅焼結体３と無酸素銅基板（金属体）１の接合界面、線Ｌ１が銅の一つの結晶粒界の範囲を示す。

図８より、実施形態１において、図６に示したのと同様に、Ｃｕの結晶粒５が銅焼結体３と無酸素銅基板１にまたがって存在しており、無酸素銅基板１のＣｕ原子と、銅焼結体３のＣｕ原子が拡散していることがわかる。また、図６に示したＮ₂焼成時のＳＩＭ像と比較すると、熱圧着によって銅焼結体３の結晶子サイズが明らかに大きくなっていることがわかる。

この結晶子サイズをＸＲＤで測定すると１２０ｎｍであり、表１の加圧せずに、窒素雰囲気中で焼成した銅焼結体の結晶子サイズよりも大きくなっていることが確認された。

これらの結果より、焼成時に、接続対象である金属体（この実施形態では無酸素銅基板）と、銅粒子を含む接合材料（銅粒子ペースト）を、互いに押圧しつつ加熱することにより、空隙の少ない緻密な焼結体を形成する効果と、焼結体の結晶粒を成長させて（結晶子径が大きくなるようにして）、強固な接合部を形成する効果があることがわかる。

なお、上記実施形態では、一方の接合対象である金属体が無酸素銅基板である場合を例にとって説明したが、一方の接合対象である金属体は、例えばリードフレーム、金属端子などの他の金属体であってもよく、樹脂基板やセラミック基板に配設された電極などであってもよい。

また、上記実施形態では、他方の接合対象が、外部電極を備えたＩＣチップである場合を例にとって説明したが、他方の接続対象である電子部品素子は、積層セラミックコンデンサや積層コイルなどの他の電子部品素子であってもよい。

本発明はその他の点においても上記実施形態に限定されるものでなく、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

１ 無酸素銅基板（金属体）
２ 電子部品素子（ＩＣチップ）
２ａ 外部電極
３ 焼結体（銅焼結体）
４ 封止樹脂
１２ａ Ｔｉめっき膜
１２ｂ Ｐｄめっき膜
１２ｃ Ａｕめっき膜
Ｌ０₁ 焼結体と外部電極の接合界面を示す点線
Ｌ０₂ 焼結体と金属体（焼結体）との接合界面を示す点線
Ｌ１ 結晶粒界を示す線

Claims (10)

1. 接続対象である金属体と、前記金属体と接合された金属粒子の焼結体とを備え、
   前記焼結体が、平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体であり、
   前記金属体と前記焼結体との接合界面を超えて、前記金属体を構成する金属が前記焼結体側に拡散し、前記焼結体を構成する銅が前記金属体側に拡散していること
   を特徴とする接合構造。
2. 前記接合界面に、前記金属体を構成する金属と前記焼結体を構成する銅との合金層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の接合構造。
3. 前記金属体が銅を含むものであって、前記焼結体と前記金属体にまたがって、銅の結晶粒界が存在していることを特徴とする請求項１記載の接合構造。
4. 一方の接続対象である金属体に、他方の接続対象である電子部品素子の外部電極が、金属粒子の焼結体によって接合された電子部品であって、
   前記金属体と前記焼結体、あるいは前記外部電極と前記焼結体とが、請求項１〜３のいずれかに記載の接合構造によって接合されていること
   を特徴とする電子部品。
5. 接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに接触させた状態で加熱することにより、
   前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体との接合界面を超えて、前記金属体を構成する金属が前記焼結体側に拡散し、前記焼結体を構成する銅が前記金属体側に拡散した接合構造を形成すること
   を特徴とする接合構造の形成方法。
6. 接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに押圧しつつ加熱することにより、
   前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体との接合界面を超えて、前記金属体を構成する金属が前記焼結体側に拡散し、前記焼結体を構成する銅が前記金属体側に拡散した接合構造を形成すること
   を特徴とする接合構造の形成方法。
7. 接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに接触させた状態で加熱することにより、
   前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体との接合界面に、前記金属体を構成する金属と前記焼結体を構成する銅との合金層が形成された接合構造を形成すること
   を特徴とする接合構造の形成方法。
8. 接続対象である金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに押圧しつつ加熱することにより、
   前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体との接合界面に、前記金属体を構成する金属と前記焼結体を構成する銅との合金層が形成された接合構造を形成すること
   を特徴とする接合構造の形成方法。
9. 接続対象である、銅を含む金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに接触させた状態で加熱することにより、
   前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が６０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体の接合界面にまたがって、銅の結晶粒界が存在する接合構造を形成すること
   を特徴とする接合構造の形成方法。
10. 接続対象である、銅を含む金属体と、平均結晶子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の銅粒子を含む接合材料を、互いに押圧しつつ加熱することにより、
    前記金属体と、前記接合材料を構成する前記銅粒子が焼結されてなる平均結晶子径が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の銅を含む焼結体とが接合され、かつ、前記金属体と前記焼結体の接合界面にまたがって、銅の結晶粒界が存在する接合構造を形成すること
    を特徴とする接合構造の形成方法。