JP2019025540A - 金属粒子および接合構造部 - Google Patents
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Abstract
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しかし、特許文献2に示された金属粒子は外殻とコア部の2層構造を有し、外殻の金属間化合物が接合対象物との間に介在することによって、Cuその他の接合対象物との拡散を制御して、カーケンダルボイドの発生を抑制するものであるが、接合工程の高温下で当該金属粒子が溶融する状況下において、外殻の金属間化合物が接合対象物上にできるだけ均一に接するように当該金属間化合物を分布させることは、必ずしも容易ではなかった。
また本発明の別の目的は、従来技術よりも高い耐熱性、接合強度および機械的強度を有する接合構造部を提供することにある。
また本発明者は鋭意検討を重ねた結果、前記粒子を用いて形成される接合構造部が、前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、以下の通りである。
2.前記金属間化合物結晶が単斜晶系、立方晶系または六方晶系である前記1に記載の金属粒子。
3.さらに別の反応金属を含む前記1または2に記載の金属粒子。
4.前記Sn合金母相と別の金属とが、エンドタキシャル接合またはエピタキシャル接合を形成していることを特徴とする前記3に記載の金属粒子。
5.金属間化合物結晶およびSn合金母相50質量%以下を含み、金属体または合金体を接合する接合構造部であって、
前記金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合した結晶構造を有し、
前記Sn合金母相及び/または金属間化合物結晶が、前記金属体または合金体とエピタキシャル接合している、
ことを特徴とする接合構造部。
6.前記金属間化合物結晶が単斜晶系、立方晶系または六方晶系である前記5に記載の接合構造部。
7.前記Sn合金母相の7質量%以上と前記金属体または合金体との接合が、エピタキシャル接合であることを特徴とする前記5または6に記載の接合構造部。
8.前記金属体または合金体が、Sn、Cu、Al、Ni、Si、Ag、Au、Pt、B、Ti、Bi、In、Sb、Ga、Zn、CrおよびCoから選択された少なくとも1種の金属、合金体または金属間化合物であることを特徴とする前記5〜7のいずれかに記載の接合構造部。
9.前記接合構造部は、前記金属間化合物結晶を3〜85体積%含むことを特徴とする前記5〜8のいずれかに記載の接合構造部。
本発明の金属粒子は、約160℃以下でも(たとえば、常温でも)単斜晶系、六方晶系等の金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合し、Sn合金母相が安定合金相として含有していることに特徴がある。たとえば、この金属粒子を含む接合材を接合工程で加熱する際に、当該接合材を完全には溶融させない半溶融状態とし、単斜晶系、立方晶系、六方晶系等の金属間化合物結晶を含む状態とすれば、冷却後の160℃以下の温度領域でもエンドタキシャル接合が維持され(たとえば、常温でも)Sn合金母相が安定合金相状態を維持する。そして、かかるエンドタキシャル接合が維持されることにより、Sn合金母相が安定合金相として、ある程度まで温度を下げても、正方晶のβ−Snはα−Snへ相転移を起こしにくく、温度の低下によるα−Snへの相転移に伴う大きな体積変化が生じない。
また、電子部品には、Cu、Ag、Au、Niその他さまざまな金属が用いられるが、Sn合金は、これらのさまざまな金属と良好に接合する。
したがって、本発明の金属粒子は、幅広い温度領域で(たとえば、常温でも)単斜晶系、六方晶系等の金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合して構成されることで、温度変化による正方晶のβ−Snから立方晶のα−Snへの相転移に伴う大きな体積変化を起こしにくいという性質を有し、かつ、電子部品に用いられるさまざまな金属とも良好に接合するため、とりわけ微細な接合箇所の接合材料に有用である。
また、本発明の金属粒子がさらに別の反応金属を含む形態であっても、単斜晶系、六方晶系等の金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合する構造ないし特性は変化せず、前記別の反応金属の特性を兼ね備えた金属粒子を提供することができる。たとえば、Snより導電性が高い金属と組み合わせると、導電性がよく、かつ、比較的幅広い温度領域で体積変化が抑制された金属粒子が得られ、また、金属粒子内にSnと反応金属の金属間化合物が生成析出されると、当該金属間化合物の融点はSnよりも高いため、当該金属粒子は、Snよりも耐熱性に優れる。
さらに、前記Sn合金母相と前記別の金属とが、エンドタキシャル接合またはエピタキシャル接合を形成している形態では、単斜晶系、立方晶系、六方晶系等等の金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合している構造とあいまって、従来技術よりも幅広い温度領域において、ウイスカー・マイグレーション等が抑制される接合を形成し得る金属粒子を提供することができる。
さらにまた、本発明の接合構造部は、160℃以下の温度領域でも(たとえば、常温でも)単斜晶系、立方晶系、六方晶系等の金属間化合物結晶とSn合金母相とがエンドタキシャル接合し、また、電極間接合に於ける接合部では、Sn合金母相と電極とがエピタキシャル接合にて構成された構造を有するために、Snを組成に含む他の接合材SACよりも、温度変化による体積変化が低減される。
先に、本明細書における用語法は、特に説明がない場合であっても、以下による。
(1)金属というときは、金属元素単体のみならず、複数の金属元素を含む合金、金属間化合物を含むことがある。
(2)ある単体の金属元素に言及する場合、完全に純粋に当該金属元素のみからなる物質だけを意味するものではなく、微かな他の物質を含む場合もあわせて意味する。すなわち、当該金属元素の性質にほとんど影響を与えない微量の不純物を含むものを除外する意味ではないことは勿論、たとえば、「Sn合金母相」という場合、Snの結晶中の原子の一部が他の元素、例えばCu、Ni、Ge、Sb、Ga、Si、Ti、Al に置き換わっているものを包含する。
(3)エント゛タキシャル接合とは、金属・合金となる物質中に他(金属間化合物)の物質を析出させた、対象となる物質間との結晶格子レベルでの接合状態にて結晶粒を構成する構造(例えば合金間、金属間、金属間化合物間)である。
(4)エピタキシャル接合とは、下地の金属または合金体(例えば電極)界面上に結晶成長が行われ、下地の結晶面と、Sn合金母相及び/または金属間化合物結晶とが結晶面同士で接合している状態を意味する。
例えば次のような条件が挙げられる。
皿形回転ディスク4:内径60mm、深さ3mmの皿形ディスクを用い、毎分8万〜10万回転とする。
粒状化室1:9×10-2Pa程度まで減圧する性能を有する真空槽を使用して減圧した上で、15〜50℃の窒素ガスを供給しつつ排気を同時に行って、粒状化室1内の気圧を1×10−1Pa以下とする。
これら条件により製造された金属粒子の粒径は、例えば直径20μm以下であり、典型的には2μm〜15μmである。
本発明に係る金属粒子を材料に含むシートは、当該金属粒子を、例えば、以下のようにローラーで圧接することによって得ることができる。すなわち、対向する向きに回転する一対の圧接ローラーの間に、本発明の金属粒子を供給し、圧接ローラーから金属粒子に約100℃から150℃程度の熱を加えて、金属粒子を圧接することにより、本発明の金属粒子を材料とするシートが得られる。
図6において、接合構造部300は、対向配置された基板100、500に形成された金属/合金体101、501(図6ではCu電極)を接合する。接合構造部300は、金属間化合物結晶およびSn合金母相とを含み、前記金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合した結晶構造を有し、前記Sn合金母相が、前記金属体または合金体101、501と接合している。金属間化合物は、例えばCu6Sn5(その他Cu3Sn)である。
本発明の金属粒子は、金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合した結晶構造を有する。また、本発明の接合構造部は、Sn合金母相及び/または金属間化合物結晶が、金属/合金体101,501とエピタキシャル接合している構造を有する。
原材料として8Cu・92Snを用い、図3に示す製造装置により、直径約3〜13μmの金属粒子を製造した。
その際、以下の条件を採用した。
皿形回転ディスク4:内径60mm、深さ3mmの皿形ディスクを用い、毎分8万〜10万回転とした。
粒状化室1:9×10-2Pa程度まで減圧する性能を有する真空槽を使用して減圧した上で、15〜50℃の窒素ガスを供給しつつ排気を同時に行って、粒状化室1内の気圧を1×10−1Pa以下とした。
図2Bは、実施例で得られた金属粒子(a)中の単斜晶の金属間化合物結晶が、Sn合金母相とエンドタキシャル接合している状態を示す、金属粒子断面の電子顕微鏡写真(TEM像)である。図2Bの(b)から、SnおよびCuを含む単斜晶の金属間化合物結晶が、Sn合金母相とエンドタキシャル接合していることが観察された。なお、エンドタキシャル接合とは、金属粒子の生成時、Sn合金母相中に金属間化合物が析出し、両者が結晶格子レベルで接合している状態を意味する。なお、図2Bの(c)は、Sn合金母相−金属間化合物結晶界面の透過型電子回折パターンを示している。
図2Aの透過型電子回折パターンおよび図2Bの電子顕微鏡写真(TEM像)は、常温(室温)で観察されたものである。
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50MPaで安定するという試験結果が得られた。
2 蓋
3 ノズル
4 皿形回転ディスク
5 回転ディスク支持機構
6 粒子排出管
7 電気炉
8 混合ガスタンク
9 配管
10 配管
11 弁
12 排気装置
13 弁
14 排気装置
15 自動フィルター
16 微粒子回収装置
2.前記金属間化合物結晶が単斜晶系、立方晶系または六方晶系である前記1に記載の金属粒子。
3.さらに別の反応金属を含む前記1または2に記載の金属粒子。
4.前記Sn合金母相と別の金属とが、エンドタキシャル接合またはエピタキシャル接合を形成していることを特徴とする前記3に記載の金属粒子。
5.金属間化合物結晶およびSn合金母相を含み、金属体または合金体を接合する接合構造部であって、
前記金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合した結晶構造を有し、
前記Sn合金母相及び/または金属間化合物結晶が、前記金属体または合金体とエピタキシャル接合している、
ことを特徴とする接合構造部。
6.前記金属間化合物結晶が単斜晶系、立方晶系または六方晶系である前記5に記載の接合構造部。
7.前記Sn合金母相と前記金属体または合金体との接合が、エピタキシャル接合であることを特徴とする前記5または6に記載の接合構造部。
8.前記金属体または合金体が、Sn、Cu、Al、Ni、Si、Ag、Au、Pt、B、Ti、Bi、In、Sb、Ga、Zn、CrおよびCoから選択された少なくとも1種の金属、合金体または金属間化合物であることを特徴とする前記5〜7のいずれかに記載の接合構造部。
9.前記接合構造部は、前記金属間化合物結晶を3〜85体積%含むことを特徴とする前記5〜8のいずれかに記載の接合構造部。
Claims (9)
- 金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合した結晶構造を有する金属粒子。
- 前記金属間化合物結晶が単斜晶系、立方晶系または六方晶系である請求項1に記載の金属粒子。
- さらに別の反応金属を含む請求項1または2に記載の金属粒子。
- 前記Sn合金母相と別の金属とが、エンドタキシャル接合またはエピタキシャル接合を形成していることを特徴とする請求項3に記載の金属粒子。
- 金属間化合物結晶およびSn合金母相50質量%以下を含み、金属体または合金体を接合する接合構造部であって、
前記金属間化合物結晶がSn合金母相とエンドタキシャル接合した結晶構造を有し、
前記Sn合金母相及び/または金属間化合物結晶が、前記金属体または合金体とエピタキシャル接合している、
ことを特徴とする接合構造部。 - 前記金属間化合物結晶が単斜晶系、立方晶系または六方晶系である請求項5に記載の接合構造部。
- 前記Sn合金母相の7質量%以上と前記金属体または合金体との接合が、エピタキシャル接合であることを特徴とする請求項5または6に記載の接合構造部。
- 前記金属体または合金体が、Sn、Cu、Al、Ni、Si、Ag、Au、Pt、B、Ti、Bi、In、Sb、Ga、Zn、CrおよびCoから選択された少なくとも1種の金属、合金体または金属間化合物であることを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の接合構造部。
- 前記接合構造部は、前記金属間化合物結晶を3〜85体積%含むことを特徴とする請求項5〜8のいずれかに記載の接合構造部。
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