JP2020155498A - Joined body and method for manufacturing joined body - Google Patents
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Abstract
Description
この明細書は、接合体及び、接合体の製造方法に関する技術を開示するものである。 This specification discloses a joint and a technique relating to a method for producing the joint.
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洞の発生により、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 cavity 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及び、接合体の製造方法を開示する。 In this specification, a joint body capable of effectively suppressing the generation of cavities in the joint layer and a method for producing the joint body are disclosed.
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接合層とを備えるものであって、前記接合層が、前記接合層の内部を通って該接合層の側面に開口する内部ガス通路を有するものである。 The joint body disclosed in this specification includes a plurality of plate-shaped members arranged so as to be overlapped with each other, and a joint layer interposed between the plate-shaped members to join the plate-shaped members to each other. The bonding layer has an internal gas passage that passes through the inside of the bonding layer and opens to the side surface of the bonding layer.
この明細書で開示する接合体の製造方法は、少なくとも二個の板状部材及び、金属粉ペーストを準備する部材準備工程と、一方の板状部材及び/又は他方の接合部材の、互いに接合しようとする接合面に、金属粉ペーストを塗布し、ペースト塗布域内に、該ペースト塗布域の外縁まで延びる溝部を設けるペースト塗布工程と、前記金属粉ペーストを挟んで互いに重ね合わせた板状部材を加熱し、該金属粉ペーストを、前記板状部材どうしを接合する接合層にする加熱工程とを有するものである。 The method for producing a joined body disclosed in this specification is to join at least two plate-shaped members and a member preparation step for preparing a metal powder paste, and one plate-shaped member and / or the other joining member to each other. A paste application step in which a metal powder paste is applied to the joint surface to be used and a groove extending to the outer edge of the paste application area is provided in the paste application area, and a plate-shaped member on which the metal powder paste is sandwiched and overlapped with each other is heated. Then, the metal powder paste has a heating step of forming a bonding layer for bonding the plate-shaped members to each other.
上記の接合体及び、接合体の製造方法によれば、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 joint body and the method for producing the joint body, the generation of cavities in the joint 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の相互を接合する接合層4とを備えるものである。接合層4は、一方の板状部材2と他方の板状部材3との間における、空間を含む部分を表す。換言すれば、接合層4は、後述する接合層セグメント4a等の焼結体と、内部ガス通路5等の空間とを含む概念である。
The embodiments disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings below.
As illustrated in FIGS. 1 and 2, a plurality of, for example, two 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、金属粉の焼結体及び、後述の内部ガス通路5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、14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、14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
この接合体1では、接合層4に、接合層4の内部を通って接合層4の側面Ssに開口する内部ガス通路5が設けられている。内部ガス通路5は、接合層4の内部で延びて、側面Ssに開口部5aを有するものである。なお、接合層4の側面Ssは、板状部材2、3の間で外側に露出する周囲の面を意味し、この実施形態では四面存在する。
In the joint body 1, the
これにより、接合体1を製造する際の加熱時に金属粉ペーストから発生し得るガスによる接合強度の低下を有効に抑制することができる。 As a result, it is possible to effectively suppress a decrease in the bonding strength due to the gas that may be generated from the metal powder paste during heating when the bonded body 1 is manufactured.
より詳細には、接合体1の製造における加熱時には、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。
これに対し、この実施形態では、接合層4が上記の内部ガス通路5を有することにより、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、接合層4の側面Ss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。
More specifically, during heating in the production of the bonded body 1, the solvent in the metal powder paste interposed between the two plate-shaped members volatilizes, the binder decomposes, and the like. Gas is generated between the two plate-shaped members. 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.
On the other hand, in this embodiment, since the
このような接合層4への内部ガス通路5の形成を含む接合体1の製造方法の一例を、次に説明する。
はじめに、少なくとも二個の板状部材2、3及び、金属粉ペーストを準備する部材準備工程を行う。
An example of a method for manufacturing the bonded body 1 including the formation of the
First, a member preparation step for preparing at least two plate-
次いで、二個の板状部材2及び3の、互いに接合しようとする接合面のうち、少なくとも一方の接合面、たとえば板状部材3の接合面に、アプリケーター等を用いて金属粉ペーストPmを塗布するペースト塗布工程を行う。
Next, the metal powder paste Pm is applied to at least one of the joint surfaces of the two plate-
このとき、図3に示すように、板状部材3上のペースト塗布域Ap内に、ペースト塗布域の外縁まで延びる溝部6を設ける。溝部6は、ペースト塗布域Ap内の金属粉ペーストPmを部分的に無くし、又は金属粉ペーストPmの塗布厚みを部分的に薄くすることにより、ペースト塗布域Apの他の部分の表面よりも窪ませて設けることができる。溝部6内には金属粉ペーストPmが少し存在することもある。
At this time, as shown in FIG. 3, a
ペースト塗布域Apへの溝部6の形成は、たとえば、ペースト塗布域Apの全体に金属粉ペーストPmを塗布した後に、溝部6の形状に合わせて金属粉ペーストPmを部分的に除去したり、又は、溝部6の形状に対応する所定の形状にくり抜いたカバーでペースト塗布域Ap覆って、その上から金属粉ペーストPmを塗布したりすること等により行うことができる。
To form the
ペースト塗布域Apの平面視における溝部6の形状は、ペースト塗布域Ap内からペースト塗布域Apの外縁まで延びるものであればよく、適宜選択することができる。
図3に示すところでは、ペースト塗布域Apの平面視で、互いに平行な複数本(図3の例では四本)の直線状溝を略直角に交差させて配置することにより、格子状部分を有する溝部6を設けている。格子状部分は、単に溝が交差していればよく、曲線状溝により構成されるものや、交差角度が直角ではないものも含まれる。
一方、図4では、ペースト塗布域Apの平面視にて、互いに平行に並ぶ複数本(図3の例では四本)の直線状溝で、溝部16が構成されている。
図示は省略するが、曲線状の溝部や、途中で屈曲し又は分岐する溝部等も可能である。また、接合層の平面視の中央付近から外側に向けて直線状もしくは曲線状に又は屈曲して延びる複数本の溝を含む放射状部分を有する溝部も有効である。溝部を構成する溝の本数は一本以上とすることができる。
このような溝部6、16の形状は、後述する加熱工程を経て製造される接合体における接合層の内部ガス通路の形状に対応し得る。
The shape of the
In the place shown in FIG. 3, in the plan view of the paste application area Ap, a plurality of linear grooves (four in the example of FIG. 3) parallel to each other are arranged so as to intersect at substantially right angles to form a grid-like portion. The
On the other hand, in FIG. 4, the
Although not shown, a curved groove, a groove that bends or branches in the middle, and the like are also possible. Further, a groove portion having a radial portion including a plurality of grooves extending linearly, curvedly, or bent from the vicinity of the center of the joint layer in a plan view to the outside is also effective. The number of grooves constituting the groove portion may be one or more.
The shapes of the
そして、板状部材2、3を、それらの両接合面が互いに対向する向きで重ね合わせる。これにより、板状部材2、3の間に、ペースト塗布域Apに溝部6等を設けて塗布された金属粉ペーストPmが挟み込まれて介在することになる。この際に、ペースト塗布域Ap内の溝部6等を設けた部分は、その周囲の部分に比して金属粉ペーストPmが少なくなって、そこに通路が形成される。なお、板状部材2、3を重ね合わせる際に、金属粉ペーストPmに圧力が加わり、溝部6の面積は小さくなる。そのため、ペースト塗布域Apは、溝部6が互いに隣接する金属粉ペーストPmによって架橋されないように、金属粉ペーストPmの厚み、及び金属粉ペーストPmに加わる圧力に基づいて適宜設定され得る。
Then, the plate-shaped
その後、加熱工程では、金属粉ペーストPm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Pm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、上述したように金属粉ペーストPmのペースト塗布域Apに設けた溝部6等による内部ガス通路5を通って、ペースト塗布域Apの外縁(接合層4の側面Ss)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。
After that, in the heating step, the plate-shaped
また、溝部6等による内部ガス通路5が存在することにより、金属粉の焼結による体積減少が緩和されて、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, since the
なおここでは、加熱時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 to perform heating 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Pm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Pm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 needed, but if the metal powder paste Pm is sandwiched between the plate-shaped
上述したようにして製造された接合体1は、板状部材2、3の相互が接合層4で強固に接合されたものとなる。
In the bonded body 1 manufactured as described above, the plate-shaped
そして、接合体1が備える接合層4の内部ガス通路5は、接合体1から一方の板状部材2を取り除いて観察すると、図5に示すように、図3のペースト塗布域Apに設けた溝部6と実質的に同様の形状の格子状部分を有する。なお、板状部材2、3を重ね合わせる際に金属粉ペーストPmに圧力が加わることに起因して、接合層セグメント4aの接合面積は、金属粉ペーストPmの塗布面積よりも大きくなる。そのため、内部ガス通路5は、ペースト塗布域Apに設けた溝部6と完全に対応する訳ではない。
また、ペースト塗布域Apに図4に示すような溝部16を設けた場合、それにより製造された接合体における接合層14の内部ガス通路15は、図6に示すように、図4の溝部16と実質的に同様の形状の、互いに平行に並んで直線状に延びる複数本の直線状部分を有する。
Then, the
Further, when the
また、これらの接合層4、14は、内部に側面SSに開口する内部ガス通路5、15が存在することにより、当該内部ガス通路5、15で複数個の接合層セグメント4a、14aに区画されている。
Further, these
図5では、内部ガス通路5が平面視で格子状をなすことから、接合層4を構成する各接合層セグメント4aは、立方体もしくは直方体その他の方形状を有する。また図6では、複数本の平行な直線状部分の溝部により、横断面が矩形等の棒状の接合層セグメント14aが互いに平行に並んで配置されている。ただし、板状部材2、3を重ね合せるときに、金属粉ペーストPmに力が加わり変形するため、完全な立方体や直方体の形と一致するわけではない。
In FIG. 5, since the
かかる接合層セグメント4a、14aはいずれも、接合層4、14の平面視で、該接合層セグメント4a、14aに内接可能な最大円の直径が、4mm以下の寸法形状であることが好ましい。これにより、金属粉ペーストPm内で発生するガスが金属粉ペーストPm外まで拡散する距離が抑えられ、空洞の形成を抑制することが出来る。接合層セグメント4a、14aの一個以上において、当該内接可能な最大円の直径が4mmより大きくなる場合、その接合層セグメント4a、14aに空洞が発生し、接合力が低下することが懸念される。この観点から、上記内接可能な最大円の直径は、2mm以下とすること一層好適である。
It is preferable that each of the
図7に他の実施形態の接合体21を示す。
図7の接合体21は、上述した接合体1と同様に、接合層24が、その内部を通って側面Ssに開口する内部ガス通路25を有するものである。但し、この接合体21は、内部ガス通路25と一方の板状部材22の接合面との間に、接合層24の焼結体の薄肉部分24aが介在している。より詳細には、内部ガス通路25は、板厚方向(図7の上下方向)で、他方の板状部材23には達するが一方の板状部材22に到達せず、上記の薄肉部分24aにより、一方の板状部材22の接合面から離されて位置している。
FIG. 7 shows the bonded
In the
このような接合体1は、接合層24が先述の接合層セグメントを有しないが、内部ガス通路25で加熱時のガス抜きが有効に行われるので、接合層24内への空洞の発生を有効に抑制することができる。
In such a bonded body 1, although the bonded
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、試験片上に塗布する金属粉ペーストのペースト塗布域の形態が異なる実施例1〜12及び比較例1、2の各接合体を作製した。実施例1〜12ならびに比較例1及び2のペースト塗布域の平面形状を図9に示す。 Here, as shown in Table 1, the bonded bodies of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2 having different forms of the paste application area of the metal powder paste applied on the test piece were prepared by the above method. FIG. 9 shows the planar shapes of the paste coating areas of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2.
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。 Table 1 also shows the results of tests for measuring the bonding strength of these bonded bodies by peeling off the bonded copper test pieces. 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1〜12では、接合層の側面に開口する内部ガス通路により、加熱時のガスが効果的に排出された結果として、空洞の面積率が小さくなり、比較的高い接合強度が得られた。これに対し、比較例1及び2では、空洞の面積率が大きく、接合強度が低くなった。これは、比較例1は内部ガス通路がなく、また比較例2は内部ガス通路が側面に開口しなかったことにより、加熱時のガスで大きな空洞が発生したことによるものと考えられる。 From Table 1, in Examples 1 to 12, the area ratio of the cavity is reduced as a result of the effective discharge of the gas during heating by the internal gas passage opening on the side surface of the bonding layer, and the bonding strength is relatively high. was gotten. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the area ratio of the cavity was large and the joint strength was low. It is considered that this is because Comparative Example 1 did not have an internal gas passage, and Comparative Example 2 did not open the internal gas passage to the side surface, so that a large cavity was generated by the gas during heating.
1、21、31 接合体
2、3、22、23、32、33 板状部材
4、14、24、34 接合層
24a 焼結体の薄肉部分
5、15、25、35 内部ガス通路
5a、15a 開口部
6、16 溝部
Ss 側面
t 接合層の平均厚み
Ap ペースト塗布域
Pm 金属粉ペースト
1, 21, 31 Joined
Claims (9)
前記接合層が、前記接合層の内部を通って該接合層の側面に開口する内部ガス通路を有する接合体。 It is a joint body including a plurality of plate-shaped members arranged so as to be superposed on each other and a bonding layer that is interposed between the plate-shaped members to join the plate-shaped members to each other.
A bonded body in which the bonded layer has an internal gas passage that passes through the inside of the bonded layer and opens to a side surface of the bonded layer.
少なくとも二個の板状部材及び、金属粉ペーストを準備する部材準備工程と、
一方の板状部材及び/又は他方の接合部材の、互いに接合しようとする接合面に、金属粉ペーストを塗布し、ペースト塗布域内に、該ペースト塗布域の外縁まで延びる溝部を設けるペースト塗布工程と、
前記金属粉ペーストを挟んで互いに重ね合わせた板状部材を加熱し、該金属粉ペーストを、前記板状部材どうしを接合する接合層にする加熱工程と
を有する、接合体の製造方法。 A method of manufacturing a joint
A member preparation step for preparing at least two plate-shaped members and a metal powder paste, and
A paste coating step in which a metal powder paste is applied to the bonding surfaces of one plate-shaped member and / or the other bonding member to be bonded to each other, and a groove extending to the outer edge of the paste application area is provided in the paste application area. ,
A method for producing a bonded body, which comprises a heating step of heating plate-shaped members which are overlapped with each other with the metal powder paste sandwiched between them, and forming the metal powder paste into a bonding layer for joining the plate-shaped members to each other.
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