JP3045956B2 - 金属接合形成方法 - Google Patents

金属接合形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、導電性機
械接合を低温で形成する方法に関する。さらに詳細に
は、そのような接合の形成に使用される導電性接着剤の
電気的および機械的安定化に関する。
【０００２】
【従来の技術】はんだは、長い間、金属その他の導電性
材料間にボンドを形成するための最良の主要材料であっ
た。非常に選択的な表面ぬれ特性をもつフラックスなど
のように、様々な技法および材料が、はんだ接合を集積
回路やマルチチップ・モジュール技術分野にも適用する
ために開発されている。これらの技術分野では、その表
面上にはんだ継手を形成する際に、電気的に絶縁してお
かねばならない導体間の間隔は非常に狭い。
【０００３】はんだ接合そのものに使用される材料はた
いてい、スズと鉛の混合物または合金である。これらの
材料は、２２０℃以上の融点を有する。この温度範囲
は、比較的低く、種々様々な方法で容易に達成される
が、いくつかの材料および装置は、そのような温度によ
って破損することがある。いくつかの応用例に関して
は、局部加熱によるヒートシンクが、はんだボンドをう
まく形成するための解決法となる。しかしながら、ヒー
トシンクを使用する場合、一般に、ヒートシンクへの熱
接続の効率がやや不確かであるので、許容できる熱量よ
りも大きい熱量が加わる可能性がある。
【０００４】したがって、温度を厳密に制御するために
は、接合を形成する材料を適所に置いて装置を炉内で全
体的に加熱することが最良の技法である。もちろん、全
体加熱の場合、その中に存在し、最大温度に達すると破
損する可能性のある、温度に敏感な材料が保護される可
能性はない。最近開発された低誘電率材料の場合のよう
に、材料の破損する温度がはんだ材料の融点よりも低い
場合は、はんだ接合はまったく適切ではなく、低誘電率
材料を選択させたその特性を損なわずに形成できない。
【０００５】導電性機械接合を形成するための導電性接
着剤は周知である。そのような導電性接着剤は、一般
に、熱硬化性または熱可塑性結合剤中に高濃度の導電性
プラスチックを含む。導電は、いずれにせよ、粒子間の
緊密な表面接触を維持する粒子間の圧縮力に依存する。
そのような圧縮力は、一般に、熱硬化性結合剤が硬化す
る際の体積減少か、または熱可塑性結合剤を用いた場合
の接合リフローによって得られる。
【０００６】しかしながら、いずれの場合にも、結合剤
のマトリックスは熱サイクル中にクリープする傾向があ
る。その結果、圧縮力が失われ、いくつかの粒子間の機
械的接触が破壊される。すなわち、時間が経過するにつ
れて抵抗がドリフトし、少なくとも接続の抵抗が不安定
になる。ひどい場合には、しばしば不意に、特定の装置
または回路を使用し始めた後で、いくつかの接続の電気
的完全性が完全に失われる。
【０００７】要するに、導電性接着剤で形成した接続
は、一般に、導電性粒子間の圧縮力が徐々に失われた
り、緩やかな熱サイクルによっても時間が経つにつれて
ひどく損なわれるために、信頼性がなかった。一般に、
粒子間の接触は、粒子が通常球体であるために非常に小
さい領域にしかわたらないので、比較的少数の粒子間で
さえ信頼できる圧縮力が失われ、そのため、特に熱循環
中に、接続の抵抗がかなり変動する。したがって、抵抗
が不安定なため、連続性が失われるまでに至らなくと
も、回路の性能が著しく変化する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、低温で得られる、導電性接着剤のバルク中での
信頼できる金属接合を提供することである。
【０００９】本発明の他の目的は、はんだ継手を形成で
きる温度より低い温度で、安定した金属接合を、その中
の粒子間に形成できる導電性接着剤を提供することであ
る。
【００１０】本発明の他の目的は、熱サイクルが行われ
る時間中、安定性を低下させるのではなく、安定性を高
める、導電性接着剤のバルク内で等方性また異方性の接
続を形成する機構を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の上記その他の目
的を達成するために、本発明では、少なくとも導電性粒
子表面上に金属被覆を配置するステップと、前記粒子を
含む熱硬化性接着材マトリックスによる圧縮力を前記両
金属表面に前記粒子に対して加えるステップと、２３７
℃以下の温度で過渡液相反応の下に、前記金属被覆と前
記両金属表面とを合金化するステップと、から成る、２
つの金属表面間に金属接合、すなわち機械的ボンド、を
形成する方法が提供される。
【００１２】本発明の他の様態によれば、貴金属材料の
２つの部材と、該部材間に設けられ接着材マトリックス
中の金属粒子とを含む過渡液相金属接合から成る導電性
接続装置であって、前記貴金属部材の表面または前記金
属粒子の表面がインジウム、スズおよび鉛の少なくとも
１つの金属材料の金属被覆を含み、前記過渡液相金属接
合が前記両貴金属部材内に延び前記貴金属材料および前
記金属被覆材料の合金から成る領域を含む導電性接続装
置が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、等方性導電接
合１０の断面が示されている。図１は、本発明以外のシ
ステムをも本発明自体をも表す形状を示すので「関連技
術」と表示してある。したがって、図１には、本発明に
関して従来技術であると認められる部分はないことを理
解されたい。
【００１４】２つの隆起接続パッド１２、１４の間にこ
の等方性導電接続を形成するには、一般に、球体導電性
粒子１６を、熱硬化性または熱可塑性ポリマー接着剤中
に、高い濃度、好ましくはパーコレーションしきい値よ
り高い比率で混合し、隆起パッドの一方または両方の上
に塗布する。対向表面を位置合せして並置し、圧着す
る。次いで、この接続を、ポリマー接着剤を硬化させる
のに十分な時間高温で処理して、導電性粒子が圧縮され
て互いに接触しているマトリックス１８を形成する。こ
の圧縮力は、熱硬化性接着剤の体積減少か、または硬化
プロセス中の熱可塑性材料の接合リフローによって生じ
る。
【００１５】しかしながら、どちらの接着剤マトリック
ス材料も、時間の経過および熱サイクルによりクリープ
する傾向があり、導電性粒子間の圧縮力が徐々に失わ
れ、接続の導電率が損なわれる。したがって、圧縮力が
減少する際の導電率の損失の影響を回避するために、本
発明では、接着材料の硬化の直後に圧縮力が最大のとき
粒子間に金属ボンドを形成するようにしている。
【００１６】本発明では、いわゆる過渡液相（ＴＬＰ）
反応を利用して金属上での合金化を行う。基本的には、
２つの金属を圧接し加熱すると、金属を接触させた位置
のまわりの液化領域において、その合金に特徴的な２つ
の金属それぞれの濃度または比率を有する、低融点共融
合金が形成される。この領域は、熱が加えられ、各金属
の十分な量が使用可能な限り、金属が混合するにつれて
拡大する。加熱は、いつでも中断し、また再開してプロ
セスを続行することができる。一方の金属の量が限られ
ている場合、他方の金属の濃度が増加するにつれて、一
方の金属の濃度が相対的に減少し、合金の融点が上昇す
るので、このプロセスも制限される。プロセスが限界に
達すると、得られる合金の融点が主要金属の融点に近づ
く。
【００１７】この反応を利用して等方性導電接続をつく
るためには、導電性粒子を、図２に従って形成すること
が好ましい。具体的には、約１０〜１５ミクロンの好ま
しい大きさを有する支持金属または基材金属（「Ｓ」で
示す）の粒子を形成し、周知のプロセスによって、所期
の合金の形成に適した他の金属（「Ｘ」で示す）で約
１．０〜１．５ミクロンの厚さに被覆する。ＴＬＰプロ
セスは、理論上、金属のどんな組合せでも実行できる
が、２２０℃を大きく越えない温度で高導電接続を形成
するのに適した金属の選択枝は比較的限られている。
【００１８】銀は、比導電率が最も高く銅や金がこれに
続くことが周知であるので、これらの金属のうちの１つ
を導電性粒子の基材金属Ｓとして選択すべきである。こ
れらの金属は、それらの外殻電子構造のために貴金属と
呼ばれ、インジウムやスズとの合金にすると同様の挙動
を示す。（ここで使用する「ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ」と
いう語は、「主金属」、「支持金属」または「基質金
属」という意味で使用しており、「貴金属」に対する
「卑金属」であると考えてはならないことに留意された
い。）合金の材料は、それにより形成できる共融合金の
融点に基づいて選択すべきである。金属の多数の組合せ
の状態図は、文献に出ており、そこから適切な選択が容
易に行える。本発明の実施に好ましい金属系に対応する
状態図の例が図３ないし図９に示されている。
【００１９】具体的には、図３は、１５３℃の共融点を
示す銅−インジウム系の状態図である。図４は、２２７
℃の共融点を示す銅−スズ系の状態図である。図５およ
び図６は、それぞれ１４１℃および２２１℃の共融点を
示す銀−インジウム系および銀−スズ系の状態図であ
る。図７および図８は、それぞれ１５６℃および２１７
℃の融点を示す金−インジウム系および金−スズ系の状
態図である。図９は、２１２．５℃の共融点を示す金−
鉛系の状態図である。
【００２０】導電率の観点から見ると、これらの系はす
べて望ましい。インジウム（Ｓ−Ｉｎ）を含む系はすべ
て１５０℃に近い共融点を有する。スズ（Ｓ−Ｓｎ）を
含む系および金−鉛系は、２２０℃付近の共融点を有す
る。ＴＬＰ反応は、それぞれの共融点より５℃〜１５℃
高い温度範囲で、比較的短い時間（約１０分）で実行で
き、したがって最近開発された低誘電率材料を破損する
温度より低い温度で金属接合を製造するのに非常に適し
ている。
【００２１】さらに、硬化によりＴＬＰ反応を最も確実
に進行させる圧縮力が生じるので、ポリマー接着剤の硬
化は、ＴＬＰ反応が開始する温度より低い温度で、ＴＬ
Ｐ反応を行わせる前に実行することが望ましい。幸いな
ことに、既知の熱硬化性ポリマー接着剤は、一般に１０
０℃ないし２００℃の温度範囲で硬化させることがで
き、既知の熱可塑性接着剤の場合は、融解および接合リ
フローを１３５℃ないし３００℃の温度範囲で行う。し
たがって、どちらの種類の材料にも、ＴＬＰ反応を実行
する前に硬化させ、得られた接着剤マトリックス内の導
電性粒子間に圧縮力を発生させるのに適した、硬化温度
の範囲があることがわかる。ＴＬＰ反応は、前述の金属
系のいずれかを使用して、選択した特定の金属系の共融
点よりも好ましくは約１０℃高い温度で実行する。ただ
し、破損する恐れのある他の材料が存在するために、こ
の温度差が制限されることがある。すなわち、共融点よ
り１０℃高い温度差では、前述の金属系では、最高で２
３７℃の温度が必要であり、本発明の他の金属系ではそ
れを実施するのにそれよりも低い温度で十分なことにな
る。合金プロセスを行わせるのに時間の追加が許される
場合は、やや低い温度も使用できる。本発明による金属
接合を含む装置を製造する間にプロセスがすべて完全に
完了している必要はなく、後の熱循環や後で行う熱処理
（アニールなど）が、このプロセスを続行し接合を強化
するのに役立つことにも留意されたい。
【００２２】完璧を期して、次に図１０を参照して、等
方性導電接続を形成するためのＴＬＰ反応について詳細
に議論する。最初に、図１０（ａ）は、図２による２つ
の導電性粒子の接触点を示す。この接触は、硬化した接
着剤マトリックスによって維持される圧縮力により行わ
れると仮定する。図１０（ｂ）に示すように、温度が、
選択された金属系に対応する共融合金の融点に達しそれ
を越えると、被覆金属Ｘは、領域１１２の基材金属Ｓ内
に幾分拡散し、基材金属と被覆金属の元の界面の位置に
液相合金が形成される。図１０（ｃ）に示すように、後
で適温を維持する間、液相は、１１３に示すように、元
の被覆領域と、被覆金属Ｘの濃度が基材金属Ｓと共融合
金を形成するのに十分である基材金属の領域中に広が
る。時間が経過し反応が終わる時（または冷却時）、合
金中の基材金属の質量が被覆金属の利用可能な質量を越
え始める（例えば、被覆材料が、合金化によって減損す
る）と、得られた合金の融点が上昇するので、固相のＳ
リッチ（例えば基質金属リッチ）な合金が領域１１４中
に形成される（図１０（ｄ））。したがって、金属接合
が粒子間に形成され、合金の特性が、基材金属の特性に
近づくようになる。例えば、さらに熱サイクルを続ける
と、合金の焼きなまし温度が上昇して、基材金属の焼き
なまし温度に近づく。液相の存在はまた、硬化した接着
剤マトリックスの圧縮力をいくらか緩和するのにも役立
ち、接着剤マトリックスによるものと考えられる接続強
度の一部も、本発明により増加する。
【００２３】ＴＬＰ反応は、図１１に示すように、異方
性導電接続を形成するのにも使用できる。図１１は、等
方性導電接合の形成にも適用できる本発明のいくつかの
変形例も示す。具体的には、図１１は、パッドの表面が
導電性粒子の単一層でもって接触せんばかりに互いによ
り近接している隆起パッド間の接続を示す。導電性接着
剤が、隆起パッド間から押し出され、それに圧力はかか
らない。金属粒子の濃度は、圧力がかからない領域にお
いて粒子間の接触を回避するために、等方性接合を形成
する場合よりもやや低くなり、導電性粒子の濃度を、パ
ーコレーションしきい値未満とすることが好ましい。ま
た、異方性導電接合を形成する場合、導電性粒子間で合
金化が生じないように、被覆を導電性粒子には塗布せ
ず、隆起パッド上の層１１５上にのみに塗布することが
好ましい。
【００２４】図１２（ａ）は、その上に合金の被覆を有
する貴金属の２つの隆起パッド１１６の間のＳで示した
貴金属の単一粒子（Ｓ）の拡大断面図を示す。本発明の
等方性導電接合の実施例の場合と同様に、温度が上昇
し、選択した金属系の共融合金の融点を越えると、１１
８に示すように、被覆金属がパッドと導電性粒子の両方
の基材金属中に拡散し、図１２（ｂ）に示すように、液
相領域１１７が粒子とパッドの間の界面に形成される。
ＴＬＰ反応が進むにつれて、図１２（ｃ）に示すよう
に、液相は、被覆領域中に広がり、粒子とパッドの両方
の基材金属内にも幾分広がる。図１２（ｄ）に示すよう
に、プロセスが完了したとき、固相Ｓリッチ合金領域１
２０は、粒子全体および両方の隆起パッドに広がってい
る。被覆材は、Ｓリッチ合金を直接囲む領域内で減損す
ることに留意されたい。
【００２５】前記の点から、本発明は、装置内または接
続部に近い他の材料を破損する恐れのある、はんだ付け
プロセスに適した温度より低い温度での熱サイクル中
に、機械的強度および抵抗安定性の高い導電性金属接合
を提供することが明らかにわかる。
【００２６】本発明は、はんだ付けの代わりに、潜在的
な環境汚染物質である鉛の使用を完全に回避できる金属
接合を形成するシステムを提供することにも留意された
い。さらに、本発明は、はんだ入りペーストに使用でき
るよりもはるかに小さいサイズの導電性粒子を使用して
実施でき、したがって、本発明、特に異方性導電接合を
提供する変形例は、はんだ付け技法で可能なよりもはる
かに小さく密な間隔の導体上で実施できることも理解さ
れたい。
【００２７】本発明を単一の好ましい実施例について説
明したが、当業者は、本発明は、添付の特許請求の範囲
の精神および範囲内で修正を加えて実施できることを理
解するであろう。例えば、本発明の方法を用いて、異な
る貴金属を、関係する２つの金属系それぞれの２つの共
融合金の高いほうの融点によって決定される温度で接着
することができる。異なる被覆金属の組合せを使用する
ことも可能である。
【００２８】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００２９】（１）２つの金属表面間に金属接合を形成
する方法において、前記金属表面の少なくとも１つの上
に金属被覆を配置するステップと、前記金属表面に圧縮
力を加えるステップと、２３７℃以下の温度で、前記金
属被覆と前記２つの金属表面の両方とを合金化するステ
ップとを含む、金属接合形成方法。 （２）前記２つの金属表面がそれぞれ貴金属であること
を特徴とする、上記（１）に記載の方法。 （３）前記金属表面の少なくとも１つが導電性粒子の表
面であるであることを特徴とする、上記（１）に記載の
方法。 （４）前記金属被覆が、インジウム、スズおよび鉛から
なるグループから選択されることを特徴とする、上記
（１）または（３）に記載の方法。 （５）前記金属被覆が、前記粒子に付着されることを特
徴とする、上記（３）に記載の方法。 （６）前記圧縮力が、前記導電性粒子を含む硬化接着剤
マトリックスによって加えられることを特徴とする、上
記（３）に記載の方法。 （７）導電性粒子を形成するステップと、前記粒子をポ
リマー接着剤中に分散させるステップとをさらに含む、
上記（１）に記載の方法。 （８）前記金属接合が等方性導電接続を形成し、前記ポ
リマー接着剤中の前記粒子の体積比が、パーコレーショ
ンしきい値より上であることを特徴とする、上記（７）
に記載の方法。 （９）前記金属接合が異方性導電接続を形成し、前記ポ
リマー接着剤中の前記粒子の体積比が、パーコレーショ
ンしきい値より下であることを特徴とする、上記（７）
に記載の方法。 （１０）２つの貴金属本体間にあって、前記２つの貴金
属本体内に延びる領域を含み、貴金属と、インジウム、
スズおよび鉛からなるグループから選択された金属の合
金を含む、金属接合を含む装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの隆起パッドの間に形成された等方性導電
接続の断面図である。
【図２】本発明による導電性粒子の一形態の断面図であ
る。
【図３】本発明に有用な金属合金系である銅−インジウ
ム系の状態図である。
【図４】本発明に有用な金属合金系である銅−スズ系の
状態図である。
【図５】本発明に有用な金属合金系である銀−インジウ
ム系の状態図である。
【図６】本発明に有用な金属合金系である銀−スズ系の
状態図である。
【図７】本発明に有用な金属合金系である金−インジウ
ム系の状態図である。
【図８】本発明に有用な金属合金系である銀−インジウ
ム系の状態図である。
【図９】本発明に有用な金属合金系である金−鉛系の状
態図である。
【図１０】本発明による等方性導電接続の形成過程を示
す断面図である。
【図１１】本発明による異方性導電接続の形状の断面図
である。
【図１２】本発明による異方性導電接続の形成過程を示
す断面図である。
【符号の説明】
１０ 等方性導電接続 １２ 隆起接続パッド １４ 隆起接続パッド １６ 球体導電性粒子 １８ マトリックス
フロントページの続き (72)発明者 コスタス・パパトマス アメリカ合衆国13760 ニューヨーク州 エンディコット コベントリー・ロード 75 (72)発明者 ジーナ・エム・フェラン アメリカ合衆国13760 ニューヨーク州 エンディコット マーセラ・ストリート 634 (72)発明者 チャールズ・ジェラード・ウォイチク アメリカ合衆国13850 ニューヨーク州 ヴェスタルブルック・ヒル・アベニュー 412 (56)参考文献 特開 平７−69908（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−16260（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−270092（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−33849（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−79087（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−194879（ＪＰ，Ａ) 特公 平２−38309（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 1/00 - 1/20 H01B 1/22 B23K 20/00 310 H05K 3/32 H01L 21/60 311 H05K 3/34 505

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】１つの金属表面が導電性粒子表面である２
    つの金属表面間に金属接合を形成するための方法におい
    て、 少なくとも導電性粒子表面上に金属被覆を配置するステ
    ップと、 前記粒子を含む熱硬化性接着材マトリックスの熱硬化に
    より前記両金属表面間に生じる圧縮力を前記粒子に加え
    るステップと、 ２３７℃以下の温度で過渡液相反応の下に、前記金属被
    覆と前記両金属表面とを合金化するステップと、 を含む金属接合形成方法。
  2. 【請求項２】２つの金属表面間に金属接合を形成するた
    めの方法において、 少なくとも１つの金属表面上に金属被覆を配置するステ
    ップと、 導電性粒子を形成するステップと、 前記粒子をポリマー材料中に分散するステップと、 前記両金属表面間に配置した前記ポリマー材料の熱処理
    により前記両金属表面間に生じる圧縮力を前記粒子に加
    えるステップと、 ２３７℃以下の温度で過渡液相反応の下に、前記金属被
    覆と前記両金属表面とを合金化するステップと、 を含む金属接合形成方法。
  3. 【請求項３】少なくとも１つの金属表面上に金属被覆を
    有する２つの金属表面間に金属接合を形成するための方
    法において、 導電性粒子を形成するステップと、 前記粒子をポリマー材料中に分散するステップと、 前記両金属表面間に配置した前記ポリマー材料の熱処理
    により前記両金属表面間に生じる圧縮力を前記粒子に加
    えるステップと、 ２３７℃以下の温度で過渡液相反応の下に、前記粒子と
    前記両金属表面とを合金化するステップと、 を含む金属接合形成方法。
  4. 【請求項４】前記両金属表面の１つが貴金属材料である
    ことを特徴とする請求項１，２または３に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記金属被覆が、インジウム、スズおよび
    鉛からなるグループから選択される材料であることを特
    徴とする請求項１，２または３に記載の方法。
  6. 【請求項６】前記導電性粒子が、インジウム、スズおよ
    び鉛からなるグループから選択される材料で被覆される
    ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
  7. 【請求項７】前記ポリマー材料が熱硬化接着性ポリマー
    材料であることを特徴とする請求項２または３に記載の
    方法。
  8. 【請求項８】貴金属材料の２つの部材と、該部材間に設
    けられ接着材マトリックス中の金属粒子とを含む過渡液
    相金属接合から成る導電性接続装置であって、前記貴金
    属部材の表面または前記金属粒子の表面がインジウム、
    スズおよび鉛の少なくとも１つの金属材料の金属被覆を
    含み、前記過渡液相金属接合が前記両貴金属部材内に延
    び前記貴金属材料および前記金属被覆材料の合金から成
    る領域を含む導電性接続装置。
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