JP2017518186A5

JP2017518186A5 -

Info

Publication number: JP2017518186A5
Application number: JP2016570808A
Authority: JP
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2035-04-08

Description

過渡液相相互拡散により２つの部材を永久接合するためのプロセス

本発明は、過渡液相相互拡散を利用した２つの部材の永久接合一般に関する。

本発明は特に、少なくとも２つの接合部材を垂直に積み重ねた電子構造体の接合に関する。

先行技術においては、過渡液相接合プロセスが知られており、これは電子部品の接合に使用される。この際、固体の銀と液体のスズの間での相互拡散が利用される。

このプロセスにおいては、図１ａに示すように、２つの接合部分１、１’が、それぞれ薄い銀層（Ａｇ）２、２’によってコーティングされる。銀層２、２’の間には、薄いスズ層（Ｓｎ）４が、固体ストリップの形で配置される。このストリップは、通常５μｍ程度の厚さを有する。銀層２、２’は、平坦で緻密な層として作製され、通常１５μｍ程度の厚さを有する。

接合する際には、通常、７５から１２０キロパスカル（ｋＰａ）程度の圧力が上記のＡｇ／Ｓｎ／Ａｇ積層に加えられる。積層は、用途によって異なるが、数分から数時間の間、３００℃で加熱される。温度が上昇するにつれて、スズのストリップ４が溶け始め、銀層２、２’の表面を濡らす形となる。これにより、不均質な箇所で金属間化合物の発生・成長の現象が起こり、銀層２、２’の表面に微小な欠陥３を形成する。

このような発生・成長の典型的なメカニズムを図１ｂ及び１ｃに示す。液体のスズ４は銀層２、２’の表面を濡らし、その後、ＳｎＡｇの二元相図に示すように、金属間化合物５の核の等方性成長６により、金属間化合物Ａｇ３Ｓｎの固体層が形成される。金属間化合物５は、スズを多く含む液相４と同時に存在し、その組成は温度に依存して変化する。また、その融点は共晶混合物Ｓｎ９６．２％Ａｇ３．８％の融点となる。この融点は、純粋なスズの融点（２３２℃）よりもかなり低い（２２１．３℃）。接合体が共晶混合物の融点（２２１．３℃）よりも高い温度に維持されると、銀が金属間化合物層を通って液体のスズの界面まで拡散し、Ａｇ３Ｓｎの金属間化合物相が成長する。よって、金属間化合物相の粒子６が、２つの銀層２、２’から成長する。これらの粒子６は、等軸で、Ａｇ/Ｓｎ界面に垂直な成長を優先的に示し、またこの成長によって、図１ｃに示す配向された粒子の境界７が形成される。なお、銀の金属間化合物層を通る拡散経路は、粒子の成長とともに長くなる。

スズを多く含む液相が消費されて、金属間化合物の粒子で置換されると、２つの部材１、１’が接合される。よって、接合プロセスの間中、比較的低い温度に留まることで（≦３５０℃）、融点がかなり高い金属間結合が形成される（Ｔｓｏｌｉｄｕｓ＝４８０℃、Ｔｌｉｑｕｉｄｕｓ≒６８０℃）。

この既知の接合プロセスの欠点は、接合が完了すると、金属間結合が、結合面に対して垂直に配向された大きくて細長い粒子を含むことにある。このような結晶構造は、金属間結合の機械的特性を変化させ、弾性限界や破壊応力を低下させることが知られている。また、接合に伴う時間を短縮することも望まれている。

第１の態様によれば、本発明は、第１金属と第２金属との相互拡散を利用して、第１部材と第２部材とを接合するプロセスである。前記第２金属は前記第１金属の融点よりも十分に低い融点を持つ。前記プロセスは、一連の、前記第１金属から成る少なくとも１つの層を、前記第１部材の第１接合面と、前記第２部材の第２接合面のそれぞれに付加するステップと、前記第１金属でコーティングされた前記第１接合面と前記第２接合面との間に、前記第２金属から成る層を挟み込むステップと、前記第１部材と前記第２部材に圧力を加え、前記第１接合面と前記第２接合面を互いに可能な限り密着させるステップと、前記第１部材と前記第２部材から形成された接合体を所定の時間熱することで、前記第２金属の前記層を融解させ、第１・第２金属から成る金属間層を発生・成長させて作製し、前記第１部材と前記第２部材を接合するステップとを備える。

既に説明した先行技術による接合プロセスと比較した場合、間隙のある構造を有する銀層を設けることによって、金属間化合物のより速い粒成長が可能になり、結果として、接合時間の短縮につながる。これは、銀と液体のスズとの間の相互拡散が起こる交換表面の面積が小さくなることと、銀が金属間化合物を通って液相のスズに至る拡散経路が短くなることによる。

本発明の特徴によれば、間隙のある構造を有する前記銀層は、少なくとも部分的に多孔質、及び/または粒状の層である。

本発明の他の特徴によれば、前記スズ層はスズの固体ストリップである。

本発明の他の特徴によれば、前記第１及び第２部材に加えられる前記圧力は、概ね９ｋＰａから５５ｋＰａの間である。

本発明の他の特徴によれば、前記第１部材と前記第２部材とから成る前記接合体は、概ね２分から１５分間、概ね２５０℃から３５０℃の間の温度で加熱される。

本発明の他の特徴によれば、前記第１部材は、少なくとも１本の銅配線を有する基板であり、前記第２部材は、前記銅配線に接合される電子チップである。

本発明の他の態様によれば、本発明は、第１接合部材と第２部接合材が以下に記載する接合プロセスによって接合される接合体に関する。

本発明の他の利点や特徴は、以下の具体的な実施形態の説明と添付の図面を参照することで明らかになる。

図１ａ、１ｂ、１ｃは先行技術に関わり、それぞれ、既知の過渡液相接合プロセスにおける、２つの部材を接合する前のステップ、金属間化合物相の発生ステップ、金属間化合物の粒成長ステップを示す。図２ａ、２ｂ、２ｃは本発明に関わり、それぞれ、本発明の実施形態による接合プロセスにおける、２つの部材を接合する前のステップ、第１金属（Ａｇ）層へと浸透させる第２金属（Ｓｎ）の融解ステップ、２つの部材の間に金属間結合が形成された接合完了ステップを示す。図３ａ、３ｂ、３ｃは本発明に関わり、図２ａ、２ｂ、２ｃに示す実施形態における金属間結合が形成されるプロセスを示す。

以下、図２ａから２ｃ及び図３ａから３ｃを基に、本発明の接合プロセスの実施形態を説明する。この実施形態は、基板にベア電子チップを接合する際に適用でき、また２つの金属ＳｎとＡｇの組み合わせを使用する。

図２ａに示すように、基板８は、例えば１ｍｍから２ｍｍの厚さの銅配線８’を備える。銅配線８’は、電着によって、例えば４μｍ程度の厚さのニッケル層９で覆われる。その後、本実施形態では概ね５００ｎｍの厚さの銀層１０を、例えば「フラッシュ」蒸着によってニッケル層９に付加する。

電子チップ１１はこの場合シリコンウェーハであり、例えば２００μｍの厚さを有する。その接合面は、例えば５００ｎｍ程度の厚さのニッケル層１２によって覆われる。その後、銀層１０と同様の銀層１３を、例えば「フラッシュ」蒸着によってニッケル層１２に付加する。

本発明による接合プロセスによれば、２０μｍ程度の厚さの多孔質銀層１４が、基板８の銀層１０に付加する。

後述する実施形態にもよるが、本発明の接合プロセスにおいては、多孔質銀層１４を形成するには様々な付加方法（成膜方法）が使用できる。

本発明によるプロセスの本実施形態においては、いわゆる「コールドスプレー」法によって、多孔質銀層１４を付加する。その際、直径が２μｍから５μｍの銀粒子を銀層９の表面に噴射する。

また、本発明によるプロセスの実施形態にもよるが、粉末状の銀を部分焼結する方法や、パウダープラズマ蒸着などによっても、多孔質銀層１４を付加することができる。

多孔質銀層１４を形成した後には、５μｍ程度の厚さの緻密なスズ層１５を、一般的な電着法によって多孔質銀層１４に付加する。

この段階で、基板８、８’、９、１０と、多孔質銀層１４と、緻密なスズ層１５とから成るアセンブリが、加熱プレート１６に載置されることとなる。

その後、アクチュエータ１８に固定されたグリップツール１７を使用して吸引により電子チップ１１、１２、１３を持ち上げ、多孔質銀層１４の表面に押し当てる。その後、本発明によるプロセスの本実施形態においては、アクチュエータ１８が、２５ｋＰａ程度に制御された圧力を全構造体に加え続ける。なお、この圧力は用途によって異なるが、通常９ｋＰａから５５ｋＰａの間である。加熱プレート１６の温度は、毎秒６０℃程度の加熱の割合で３００℃まで上げられる。なお、この温度は用途によって異なるが、通常概ね２５０℃から３５０℃の間である。また一般的には、第２金属（つまり、スズ（Ｓｎ））の融点は、第１金属（つまり、銀（Ａｇ））の融点よりも十分低くなくてはならない。この段階で、上記の温度によって、緻密なスズ層１５が溶ける。液体となったスズは、図２ｂに示すように、多孔質銀層１４に浸入する。

加熱プレート１６の温度は、概ね３分間３００℃に維持され、その後冷却される。アクチュエータ１８が加える圧力は、加熱プレート１６の温度が再度２００℃を下回るまで維持される。基板８に対する電子チップ１１の接合は、図２ｂに示す最終構造を有する。

図２ｃに示すように、本発明による接合プロセスによって、基板８と電子チップ１１との間で冶金的連続性のある、Ａｇ_３Ｓｎから成る金属間結合１９を形成できる。その連続性は、ＮｉＡｇから成る二元合金層２０によってもたらされる。ＮｉＡｇ合金層２０は、層９、１０、及び層１２、１３から形成される。

金属間結合１９は、多数の無配向で小さい等方性粒子を含む。これにより、十分な弾性と破壊強度が得られる。これらの粒子は、通常数μｍから数十μｍの範囲の大きさである。

次に、図３ａ、３ｂ、３ｃを基に、ＳｎとＡｇとの相互拡散を利用する本実施形態における、本発明の接合プロセスの一般的原理を詳しく説明する。本発明の接合プロセスにおいては、多孔質の、または間隙のある、さらには粒状の金属（ここでは銀）層を、２つの接合部材の少なくとも１つの面に対して用いる。

図３ａに示すように、銀層１４に多孔性により、スズを多く含んだ液体１５が、銀層内の網状に並んだ隙間から成る通り道に浸入し、銀層の中心部まで浸透する。多孔質層は、構造上、マイクロメートル単位の構造体を高密度に含んでおり、そのような構造体が、金属間化合物相が不均質に発生する優先箇所を形成している。

図３ｂに示すように、液体のスズ１５は金属間化合物の核２１を濡らす。銀２２は金属間化合物相を通り、液体のスズの界面にまで拡散する。核の成長は等方的であり、これによって、図３ｃに示すように、多数の無配向で小さい（数μｍから数十μｍ）等方性粒子２３から成る金属間結合が形成される。この金属間結合は、高い弾性限界と高い破壊強度を有する。

Claims

接合面がニッケル（Ｎｉ）からなる層（９）に覆われた第１部材（８）と、接合面がニッケル（Ｎｉ）からなる層（１２）に覆われた第２部材（１１）とを準備するステップと、
銀（Ａｇ）からなる少なくとも１つの層（１０、１３、１４）を、前記第１部材（８）の前記ニッケルからなる層（９）の表面と、前記第２部材（１１）の前記ニッケルからなる層（１２）の表面それぞれに付加するステップ（ａ）と、
銀が付加された前記第１部材（８）および前記第２部材（１１）の間に、スズ（Ｓｎ）からなる層（１５）を挟み込むステップ（ｂ）と、
前記第１部材（８）と前記第２部材（１１）に圧力（１８）を加え、前記第１部材（８）と前記第２部材（１１）を互いに可能な限り密着させるステップ（ｃ）と、
密着させた前記第１部材（８）および前記第２部材（１１）を所定の時間加熱することで、前記スズ（Ｓｎ）からなる層（１５）を融解させ、相互拡散によって前記銀（Ａｇ）および前記スズ（Ｓｎ）からなる金属間化合物（Ａｇ _３Ｓｎ，１９）を形成し、これにより、前記第１部材（８）と前記第２部材（１１）を接合するステップ（ｄ）とを備え、
前記第１部材（８）および前記第２部材（１１）に付加された銀からなる層（１０、１３、１４）のうちの少なくとも１つの銀からなる層（１４）が、当該銀からなる層（１４）に対する前記スズ（Ｓｎ）の浸透を促進させる間隙のある構造を有し、かつ、２μｍから５μｍの間の直径の銀の粒子を有しており、
間隙のある構造を有する前記銀からなる層（１４）が、コールドスプレー法、粉末状の銀を部分焼結する方法、及び/またはパウダープラズマ蒸着法によって付加され、
前記ステップ（ｄ）が実行されているときに、前記ニッケルからなる層（９，１２）と前記銀からなる層（１０，１３）とが反応して二元合金層（ＮｉＡｇ，２０）が形成される、ことを特徴とするプロセス。
請求項１に記載の接合プロセスであって、間隙のある構造を有する前記銀からなる層（１４）が、少なくとも部分的に多孔質、及び/または粒状の層である接合プロセス。
請求項１または請求項２に記載の接合プロセスであって、前記スズからなる層（１５）がスズの固体ストリップである接合プロセス。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接合プロセスであって、ステップ（ｃ）において加えられる前記圧力が、９ｋＰａから５５ｋＰａの間である接合プロセス。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合プロセスであって、前記ステップ（ｄ）において、前記第１部材（８）および前記第２部材（１１）が、２分から１５分の間の時間にわたって、２５０℃から３５０℃の間の温度で加熱される接合プロセス。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の接合プロセスであって、前記第１部材が、少なくとも１本の銅配線（８’）を有する基板（８）であり、前記第２部材が、前記銅配線（８’）に接合される電子チップ（１１）である接合プロセス。