JP2020155497A - Joined body - Google Patents
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Abstract
Description
この明細書は、接合体に関する技術を開示するものである。 This specification discloses a technique relating to a conjugate.
各種の半導体素子と基板等の二個の板状部材に相互に接合するに当り、近年は、銀や銅等の導電性金属からなる金属粉を溶剤やバインダー等に分散させた金属粉ペーストが用いられることがある。 In recent years, metal powder pastes in which metal powders made of conductive metals such as silver and copper are dispersed in solvents, binders, etc. have been used to bond various semiconductor elements to two plate-shaped members such as substrates. May be used.
かかる金属粉ペーストは、接合対象である二個の板状部材の間への介在下で、そこに含まれる金属粉が、加熱によって焼結するとともに拡散することにより接合層になる。この接合層により二個の板状部材が相互に接合されて、接合体が得られる。
なお、これに関連する技術としては、特許文献1〜4に記載されたもの等がある。
In such a metal powder paste, the metal powder contained therein is sintered and diffused by heating to form a bonding layer under the interposition between the two plate-shaped members to be bonded. Two plate-shaped members are joined to each other by this joining layer to obtain a joined body.
In addition, as a technique related to this, there are those described in Patent Documents 1 to 4.
ところで、金属粉ペーストを、板状部材の相互間に挟み込んで加熱する場合は、加熱時に、金属粉ペースト中の溶剤の揮発やバインダーの分解等によるガスが発生する。このガスは、加熱後に得られる接合体の接合層内への大きな空隙ないし空洞の発生原因になる。そして、このような大きな空隙の発生により、板状部材どうしの接合強度の低下を招くという問題がある。 By the way, when the metal powder paste is sandwiched between the plate-shaped members and heated, gas is generated due to volatilization of the solvent in the metal powder paste, decomposition of the binder, and the like during heating. This gas causes the generation of large voids or cavities in the bonding layer of the bonded body obtained after heating. Then, there is a problem that the generation of such a large void causes a decrease in the joint strength between the plate-shaped members.
この明細書では、接合層内への空洞の発生を有効に抑制することができる接合体を開示する。 This specification discloses a bonded body capable of effectively suppressing the generation of cavities in the bonded layer.
この明細書で開示する接合体は、互いに重ね合わせて配置された複数個の板状部材と、それらの板状部材の間に介在して該板状部材どうしを接合する焼結体を含む接合層とを備えるものであって、少なくとも一個の前記板状部材が、当該板状部材の接合層側を向く接合面を通って、該板状部材の外面に開口する内部ガス通路を有するものである。 The bonded body disclosed in this specification includes a plurality of plate-shaped members arranged so as to be superposed on each other, and a sintered body that is interposed between the plate-shaped members to join the plate-shaped members to each other. It is provided with a layer, and at least one of the plate-shaped members has an internal gas passage that opens to the outer surface of the plate-shaped member through a joint surface facing the joint layer side of the plate-shaped member. is there.
上記の接合体によれば、接合層内への空洞の発生を有効に抑制することができる。 According to the above-mentioned bonded body, the generation of cavities in the bonded layer can be effectively suppressed.
以下に図面を参照しながら、この明細書で開示する実施の形態について詳細に説明する。
一の実施形態の接合体1は、図1及び2に例示するように、互いに重ね合わせて配置された複数個、たとえば二個の板状部材2、3と、それらの板状部材2、3の間に介在して板状部材2、3の相互を接合する焼結体を含む接合層4とを備えるものである。
The embodiments disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings below.
As illustrated in FIGS. 1 and 2, the bonded body 1 of one embodiment includes a plurality of plate-
ここで、複数個の板状部材2、3の少なくとも一個は、たとえば、銅、アルミニウムもしくはニッケル又は、その合金等の金属材料及び、それらにめっき等の表面処理をした材料からなるものとすることができる。また、少なくとも一個の板状部材2、3は、銅及び銅合金などの金属材料、Si、SiC等の半導体チップ又はDCB基板等のセラミックス材料からなるものとすることができる。板状部材2、3の厚みは、たとえば0.1mm〜8.0mm、典型的には0.3mm〜4.0mmとすることができる。なお図示は省略するが、さらに他の板状部材を積層させて、三個以上の板状部材を備えるものとすることもできる。また、板状部材を平行に接合するだけでなく、図8に示す接合体31のように、片方の板状部材32を直角に立てて、その側方側で、もう片方の板状部材32上に接合する構造とすることも可能である。
Here, at least one of the plurality of plate-
またここでは、接合層4は、主として金属粉の焼結体からなるものである。金属粉としては、銅粉又は銀粉等を挙げることができる。この接合層4は、詳細については後述するが、金属粉ペーストを所定の温度で加熱したことにより、金属粉ペースト中の溶剤やバインダー等が除去され、また、金属粉ペースト中の金属粉が焼結して形成されたものである。
なお、接合層4、34の平均厚みは、たとえば3μm〜400μm、典型的には5μm〜100μmである。接合層4、34の平均厚みは、接合体1の全体の厚みから板状部材2、3の各厚みを差し引いて算出される、板状部材2、3の相互間の隙間とする。この際に、接合体1の全体の厚み及び板状部材2、3の各厚みは、5点で測定した測定値の平均値とする。
Further, here, the
The average thickness of the
これまでは、このような接合層を有する接合体を製造するべく、二個の板状部材の間に金属粉ペーストを挟み込んだ状態で加熱すると、次に述べるような問題があった。すなわち、加熱時には、二個の板状部材の間に介在する金属粉ペースト中の溶剤が揮発したり、またバインダーが分解したりすること等に起因して、二個の板状部材の間でガスが発生する。このガスは、加熱後の接合体の接合層中に大きな空洞を形成する。そして、接合層中に大きな空洞が形成されると、二個の板状部材間の接合強度が低下する。 Until now, in order to produce a bonded body having such a bonded layer, heating with a metal powder paste sandwiched between two plate-shaped members has the following problems. That is, at the time of heating, the solvent in the metal powder paste interposed between the two plate-shaped members volatilizes, the binder decomposes, and the like, so that the two plate-shaped members are separated from each other. Gas is generated. This gas forms large cavities in the bonding layer of the bonded body after heating. Then, when a large cavity is formed in the bonding layer, the bonding strength between the two plate-shaped members decreases.
この問題に対し、図示の実施形態では、板状部材2が、その板状部材2の、接合層4側を向く接合面Sbを通って、板状部材2の外面に開口する内部ガス通路5を有するものとする。これにより、加熱時に金属粉ペーストから発生するガスは、企図した内部ガス通路5を通って、板状部材2の外面にある内部ガス通路5の開口部5aから円滑に排出される。その結果として、接合層4中への、意図しない大きな空洞の発生を抑制することができて、所要の接合強度が確保されやすくなる。
In response to this problem, in the illustrated embodiment, the plate-
図1に示すところでは、内部ガス通路5が、板状部材2の外面のうちの側面Ssに開口し、側面Ss上に内部ガス通路5の開口部5aが存在する。板状部材2の側面Ssに、内部ガス通路5を開口させることにより、開口部がない場合や貫通穴を開ける場合と比べて溝形成の加工が容易であり、また、強度低下を抑制しながら材料を軽量化できるという利点がある。
As shown in FIG. 1, the
また、図1及び2に示す実施形態では、図3に一方の板状部材2のみを上下反転させて示すところから解かるように、接合面Sbから窪んで接合面Sb上で所定の形態で延びる一本以上の溝部6を有し、内部ガス通路5の少なくとも一部が、当該溝部6で構成されるものとしている。このような溝部6を含む内部ガス通路5は、加工が容易なことや、製品として板状部材2に貫通させることが出来ない場合にも対応できる点で好ましい。また、板を直角に立てる場合には貫通穴の加工は極端に難しくなるため、溝部6の形状が好ましい。
Further, in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, as can be seen from the fact that only one plate-
板状部材2の接合面Sbの正面視にて、接合面Sb上での溝部6の延びる形態は特に問わないが、この実施形態では、図3に示すように、一方の側面Ss側から他方の側面Ss側に向けて直線状に延びる四本の溝部6を、互いに間隔をおいて平行に並べて配置している。この板状部材2を備える接合体1では、内部ガス通路5が、一方の側面Ssと他方の側面Ssの両方に開口部5aを有することになる。但し、内部ガス通路がいずれか一方の側面のみに開口するように溝部を設けることができる。また、溝部の本数は一本〜三本又は五本以上としてもよい。
In the front view of the joint surface Sb of the plate-
加熱時に発生するガスをより円滑に排出するとの観点からは、接合面Sbの中央部から周縁部に向けて直線状に延びる溝部が好ましい。図示は省略するが、接合面Sbの正面視で、格子状または放射状等の溝部を設けることも可能である。なお、曲線状の溝部や、途中で屈曲し又は分岐する溝部等も考えられる。 From the viewpoint of more smoothly discharging the gas generated during heating, a groove portion extending linearly from the central portion to the peripheral portion of the joint surface Sb is preferable. Although not shown, it is also possible to provide grid-like or radial grooves in the front view of the joint surface Sb. It should be noted that a curved groove portion, a groove portion that bends or branches in the middle, and the like are also conceivable.
内部ガス通路5は、加熱時に発生し得るガスが通過できて外部に排出される寸法形状であればよい。
具体的には、板状部材2に内部ガス通路5用の溝部6を設ける場合、図4に拡大断面図で示すように、溝部6の溝幅Wpは、0.1mm〜1.5mm、さらに0.15mm〜1.2であることが好ましい。溝幅Wpが狭すぎると、金属粉ペーストの金属粉が溝部6に詰まりやすくなり、これがガスの排出を阻害することが懸念される。一方、溝幅Wpが広すぎると、他方の板状部材3との接合面積の減少によって、接合強度が低下するおそれがある。この溝幅Wpは、溝部6の底部Bpから最も離れた位置(図4では最も下方側の位置)で、溝部6の延びる方向に直交する向きに測定する。溝部の位置で溝幅が異なる場合は、5点以上の平均を溝幅Wpとする。
The
Specifically, when the plate-shaped
また、溝部6の溝深さDpは、底部Bpの最も深い点から板厚方向に沿って測って、0.01mm〜1.5mm、さらに0.02mm〜1.0であることが好適である。溝深さDpが浅い場合は、溝部6が金属粉で埋まってしまう可能性があり、ガスの排出が効果的に行われない懸念がある。溝深さDpが深い場合は、板材の剛性が低下し得る。
Further, the groove depth Dp of the
また、隣接する溝部6の間隔は、0.3mm〜6mmであることが好ましい。溝部6の間隔が広い場合は、ガスの排出が効果的に行われない懸念がある。一方、溝部6の間隔が狭い場合は、接合強度が低下し得る。溝部6の間隔は、隣接する溝部6のいずれか一方の延びる方向に直交する向きに沿って測定する。溝部の位置で間隔が異なる場合は、5点以上の平均値とする。
なお、図3に示される例では、板状部材2に形成された溝部6が平行に並べて配置されているが、溝部が格子状に配置される実施形態において、略平行に隣接して配置される溝部の間隔は溝幅の3倍以上6倍未満が好ましい。
Further, the distance between the
In the example shown in FIG. 3, the
そしてまた、接合面Sbの正面視で、溝部6を除く接合面Sb(接合面Sbの溝部6が無い部分)の面積に対する溝部6の面積の比率(溝部6の面積率)は、好ましくは3%〜70%、より好ましくは5%〜50%、さらに好ましくは10%〜30%である。溝部6の面積率が大きすぎると、接合面積が減少して接合強度が低下する可能性がある。また溝部6の面積率が小さすぎると、加熱時に、内部ガス通路5からのガスの排出が不十分となって、接合層4へのある程度大きな空洞の発生が懸念される。
Further, in the front view of the joint surface Sb, the ratio of the area of the
接合面Sbにこのような溝部6を設けた板状部材2を、金属粉ペーストを用いて、他方の板状部材3に接合しようとした場合、金属粉ペーストの一部が、板状部材2の溝部6に入り込んだ状態で、そこで金属粉が焼結されることがある。しかるに、この場合でも、板状部材2の溝部6が金属粉で完全に埋まってしまうことがないように、溝部6の寸法形状を調整することにより、加熱時の内部ガス通路5からのガスの排出を良好に行わせることができる。
When a plate-shaped
このようにして、溝部6が金属粉で完全に埋まらない状態で加熱して得られた接合体1では、図2に示すところから解かるように、溝部6の少なくとも底部Bp側の一部に、接合層4が入り込んでいない空所Vpが存在することになる。板状部材2の溝部6に空所Vpがある接合体1は、加熱時にガスが内部ガス通路5から効果的に排出された結果として、所要の接合強度が十分に確保されたものであると考えられる。
In the bonded body 1 obtained by heating in a state where the
図5及び6に、他の実施形態の接合体が備える板状部材12を示す。図5の実施形態では、板状部材12に、接合面Sbと表面Sfとの間に延びて、接合面Sb及び表面Sfのそれぞれに開口する一個以上の貫通孔16を形成している。そして、かかる貫通孔16により、接合面Sbを通って外面のうちの表面Sfに開口する内部ガス通路15を構成している。貫通孔16は、接合面Sbから表面Sfに向けて直線状に延びるものとしているが、曲線状または途中で屈曲する形状等の種々の形状とすることができる。また、側面Ssに開口する貫通孔としてもよい。
5 and 6 show a plate-shaped
図5及び6のような貫通孔16による内部ガス通路15では、金属粉ペーストを加熱した際に、それにより発生したガスは、内部ガス通路15を通って、板状部材12の表面Sfに存在する開口部15aから円滑に排出することができる。
In the
また、図7に示すような貫通孔26で構成される内部ガス通路25でも、金属粉ペースト加熱時のガスを有効に排出させることができる。
この内部ガス通路25は、貫通孔26の接合面Sb側の開口部近傍を拡大させ、そこに、接合面Sbから窪む凹部26aを設けたことを除いて、図5及び6に示す内部ガス通路25と実質的に同様の構成を有する。先述したような接合面Sb上で延びる図3の溝部6ではなく、図7のような接合面Sb内で窪む凹部26aを含む内部ガス通路25でも、たとえば貫通孔26で表面Sf等の外面に開口させることにより、当該開口部25aからガスが効果的に流出する。それによって、この内部ガス通路25でも、ガスの発生に起因する大きな空洞の発生を抑制することが可能である。
Further, even in the
The
なお図示しないが、板状部材に設けた溝部と貫通孔とを組み合わせて、内部ガス通路を構成することもできる。
また、内部ガス通路は、他方の板状部材に設けることができる他、一方の板状部材と他方の板状部材の両方に設けてもよい。
Although not shown, an internal gas passage may be formed by combining a groove provided in the plate-shaped member and a through hole.
Further, the internal gas passage can be provided in the other plate-shaped member, or may be provided in both the one plate-shaped member and the other plate-shaped member.
以上に述べたような接合体を製造する方法について、図1に示す接合体1を例として説明する。
はじめに板状部材2、3を準備する。ここでは、切削その他の加工又は、鋳造もしくは成形等により、一方の板状部材2に溝部6を設けておく。
The method for producing the bonded body as described above will be described by taking the bonded body 1 shown in FIG. 1 as an example.
First, the plate-shaped
次いで、一方の板状部材2の接合面Sbもしくは、他方の板状部材3の接合面、又は、それらの両接合面に、アプリケーター等を用いて金属粉ペーストを塗布する。そして、それらの両接合面が互いに対向する向きで、板状部材2、3を重ね合わせる。これにより、板状部材2、3の間に、金属粉ペーストが挟み込まれて介在することになる。
Next, the metal powder paste is applied to the joint surface Sb of one plate-shaped
その後、金属粉ペーストの介在下で互いに重ね合わせた板状部材2、3を加熱する。このとき、金属粉ペーストに含まれる溶剤やバインダー等が、板状部材2、3間にガスを発生させるが、当該ガスは、上述したように板状部材2に設けた内部ガス通路5を通って、該板状部材2の外面の開口部5aから円滑に排出される。その結果として、加熱後に形成される接合層4への大きな空洞の発生が抑えられ、板状部材2、3間の所要の接合強度を有効に確保することができる。
Then, the plate-shaped
また、溝部6等の内部ガス通路5の空間は、金属粉の焼結による体積減少に伴う応力を緩和して、接合層4への割れの発生を防止するべくも機能するので、接合強度の低下をさらに効果的に抑制することができる。
Further, the space of the
なおここでは、加熱は数ステップで行うことが望ましい。たとえば1ステップ目として80℃〜150℃の温度を3分〜60分にわたって維持することができる。この温度での加熱により、ペースト内の溶剤を揮発させる。このときに接合層に大きな空洞が発生しやすい。加熱温度が低いと溶剤が揮発しないため、次の加熱ステップで空洞が発生する。加熱温度が高いと大きな空洞が発生してしまうため、上記の温度と時間が望ましい。2ステップ目以降に焼結するための熱処理を実施する。2ステップ目としては、400〜900℃で5分〜60分の熱処理を実施すると密に焼成した接合層が得られる。温度が低すぎると金属粉自体は軽い焼成しかしないため、金属粉同士がまばらに繋がったポーラス状になり、板状部材2、3間の熱膨張の差が緩和されやすくなるが、接合強度自体を高めることが出来ない。上記の温度範囲のように比較的高温にすることで、緻密な接合層4が得られて、接合強度が大きく高まる。また、高温加熱により発生しやすくなるガスは、上述したように内部ガス通路5から良好に流出するので、空洞の問題は生じない。
Here, it is desirable that heating is performed in several steps. For example, as the first step, the temperature of 80 ° C. to 150 ° C. can be maintained for 3 to 60 minutes. Heating at this temperature volatilizes the solvent in the paste. At this time, large cavities are likely to occur in the joint layer. Since the solvent does not volatilize when the heating temperature is low, cavities are created in the next heating step. The above temperature and time are desirable because large cavities are generated when the heating temperature is high. Heat treatment for sintering is performed in the second and subsequent steps. In the second step, heat treatment at 400 to 900 ° C. for 5 to 60 minutes is carried out to obtain a densely fired bonded layer. If the temperature is too low, the metal powder itself is only lightly fired, so that the metal powder becomes a porous shape in which the metal powders are sparsely connected to each other, and the difference in thermal expansion between the plate-shaped
加熱時には、必要に応じて加圧することも可能であるが、板状部材2、3の間に金属粉ペーストを挟み込んで加熱すれば、加圧なしでも、板状部材2、3を強固に接合可能である。なお、板状部材2、3を重ね合わせる前に、いずれかの板状部材2、3の接合面上の金属粉ペーストに含まれる溶剤を揮発させ、その後に板状部材2、3を重ね合わせて加熱する場合は、接合をするために加圧が必要になることが多い。
At the time of heating, it is possible to pressurize as necessary, but if the metal powder paste is sandwiched between the plate-shaped
これにより、板状部材2、3の相互が接合層4で強固に接合された接合体1を得ることができる。
As a result, it is possible to obtain a bonded body 1 in which the plate-shaped
次に、上述したような接合体を試作し、その効果を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、これに限定されることを意図するものではない。 Next, the above-mentioned joint was prototyped and its effect was confirmed, which will be described below. However, the description here is for the purpose of mere illustration, and is not intended to be limited thereto.
板状部材を模擬した二個の銅製の試験片の間に、金属粉ペーストを挟み込んだ状態で、1ステップ目の加熱として120℃に加熱し、その後、2ステップ目の加熱として800℃に加熱して、二個の板状部材の間で金属粉が焼結して接合層となった接合体を得た。金属粉ペーストとしては、溶剤及びバインダー等に銅粉を分散させたものを用いた。試験片の寸法は10×10×1.5t(mm)とし、金属粉ペーストの塗布厚みは0.1mmとした。 With the metal powder paste sandwiched between two copper test pieces simulating a plate-shaped member, the metal powder paste is heated to 120 ° C. as the first step heating, and then heated to 800 ° C. as the second step heating. Then, a metal powder was sintered between the two plate-shaped members to form a joint layer. As the metal powder paste, a paste in which copper powder was dispersed in a solvent, a binder or the like was used. The size of the test piece was 10 × 10 × 1.5 t (mm), and the coating thickness of the metal powder paste was 0.1 mm.
ここで、上記の方法により、表1に示すように、試験片の接合面に設ける溝ないし貫通孔の形態が異なる実施例1〜23及び比較例1、2の各接合体を作製した。実施例1〜18の溝形状を図9に示す。 Here, as shown in Table 1, the joints of Examples 1 to 23 and Comparative Examples 1 and 2 having different forms of grooves or through holes provided on the joint surface of the test piece were produced by the above method. The groove shapes of Examples 1 to 18 are shown in FIG.
これらの接合体について、接合した銅製試験片を剥離することにより接合強度を測定する試験を行った。それらの結果も表1に示している。表1中には、接合強度の低いものから高いものの順に「×」「△」「○」「◎」の4段階が示されている。「×」は容易に剥離したこと(接合強度が低いこと)を意味し、「◎」は無理に剥離させてようやく剥離したこと(接合強度が高いこと)を意味する。「△」は少し力を加えたときに剥離が可能であったことを意味し、「○」は、「△」よりも強い力であって「◎」よりも弱い力を加えたときに剥離が可能であったことを意味する。 For these bonded bodies, a test was conducted in which the bonded strength was measured by peeling off the bonded copper test pieces. The results are also shown in Table 1. In Table 1, four stages of "x", "Δ", "○", and "◎" are shown in order from the one with the lowest bonding strength to the one with the highest bonding strength. “X” means that the material was easily peeled off (the joint strength is low), and “◎” means that the material was forcibly peeled off and finally peeled off (the joint strength is high). “△” means that peeling was possible when a little force was applied, and “○” means peeling when a force stronger than “△” and weaker than “◎” was applied. Means that was possible.
表1から、実施例1〜23は、空洞の面積率がある程度小さくなり、比較的高い接合強度が得られたことが解かる。これは、加熱時に内部ガス通路によるガスの排出が効果的に行われて、接合層への大きな空洞の発生が有効に抑制されたことによるものと考えられる。一方、比較例1、2は、空洞の面積率が増大し、接合強度が低下した結果となった。 From Table 1, it can be seen that in Examples 1 to 23, the area ratio of the cavities was reduced to some extent, and relatively high bonding strength was obtained. It is considered that this is because the gas was effectively discharged from the internal gas passage during heating, and the generation of large cavities in the joint layer was effectively suppressed. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the area ratio of the cavity increased and the joint strength decreased.
1、31 接合体
2、3、12、32 板状部材
4、34 接合層
5、15、25、35 内部ガス通路
5a、15a、25a、35a 開口部
6 溝部
16、26 貫通孔
26a 凹部
Ss 側面
Sb 接合面
Sf 表面
Wp 溝幅
Dp 溝深さ
Vp 空所
1, 31 Joined
Claims (9)
少なくとも一個の前記板状部材が、当該板状部材の接合層側を向く接合面を通って、該板状部材の外面に開口する内部ガス通路を有する接合体。 A bonded body including a plurality of plate-shaped members arranged so as to be superposed on each other, and a bonding layer including a sintered body that is interposed between the plate-shaped members and joins the plate-shaped members to each other.
A joint body in which at least one plate-shaped member has an internal gas passage that opens to the outer surface of the plate-shaped member through a joint surface facing the joint layer side of the plate-shaped member.
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WO2023181499A1 (en) * | 2022-03-23 | 2023-09-28 | 株式会社日立パワーデバイス | Semiconductor device and electric power conversion device |
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