JP4770379B2 - 金属部材の接合方法およびその組立治具 - Google Patents

金属部材の接合方法およびその組立治具 Download PDF

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Description

本発明は、パワー半導体モジュールなどを対象に、その組立工程でナノ金属ペーストを用いて部品相互間を接合する金属部材の接合方法,およびその接合方法に適用する組立治具の構成に関する。
まず、本発明の実施対象となる頭記のパワー半導体モジュールについて、従来例の組立構造を図５に示す。図において、１は放熱用銅ベース、２はアルミナなどのセラミック板２ａの上下両面に導体パターン（銅箔）２ｂ，２ｃを形成して前記銅ベース１の上に搭載して接合した絶縁基板（例えば、Direct Bonding Copper基板）、３は絶縁基板２の上面導体パターン（回路パターン）２ｃにマウントした半導体チップ（例えば、ＩＧＢＴ）、３ａは半導体チップ３の下面電極面にメタライズしたＮｉ／Ａｕメッキ膜、３ｂはチップ上面にメタライズしたアルミ膜、４は半導体チップ３の上面に接合したヒートスプレッダ（銅あるいはアルミ板）、５はヒートスプレッダ４を介して半導体チップ３の上面電極とこれに対応する導体パターン２ｃとの間に配線したリードフレーム（銅，アルミ材の導体）、６は導体パターン２ｃに接合した外部導出リードであり、銅ベース１／絶縁基板２の導体パターン２ｂ，絶縁基板２の導体パターン２ｃ／半導体チップ３，半導体チップ３の上面／ヒートスプレッダ４，ヒートスプレッダ４／リードフレーム５，絶縁基板２の導体パターン２ｃ／リード５，６の間をそれぞれ半田７により接合してモジュールを組立てている。
ところで、前記した半導体モジュールの各部品間を接合する半田について、昨今では環境保全の問題からＳｎ−Ｐｂ系の共晶半田を鉛フリー半田（例えばＳｎ−Ａｇ系半田）に代替する転換が進められている。しかしながら、鉛フリー半田はＳｎ−Ｐｂ半田に比べて融点が高く、また熱履歴による金属間化合物の成長に伴い半田接合部への応力集中が大きくなり、さらに過電流により半導体チップに半田の融点を超える熱が発生した場合には半田接合部に溶融，剥離，短絡などのダメージが発生するおそれがあるなど、このことが原因で半導体モジュールのパワーサイクル耐性，信頼性が低下する問題がある。
一方、昨今では金属ナノ粒子の研究が進み、半導体デバイスの製造技術分野でも金属ナノ粒子の量子サイズ効果による低温焼結現象および高い表面活性を利用した低温焼成形の導電性ペースト（以下、「ナノ金属ペースト」と称する）が開発されており（例えば、非特許文献１参照）、さらに半田の代わりにナノ金属ペーストを適用して半導体チップ／基板間の金属接合して構成した半導体装置も公知である（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
このナノ金属ペーストは、銀あるいは銅などの金属ナノ粒子，金属ナノ粒子が常温で凝集するのを抑制してナノ粒子を独立分散状態に保持する有機分散材，加熱により有機分散材と反応して金属ナノ粒子を裸にする分散材捕捉材、および加熱により前記分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散（ガス化）する揮発性有機成分をペースト状に混合した組成になる。
そして、このナノ金属ペーストを用いて金属板（バルク金属）間を接合する従来の接合方法では、一方の金属板の接合面にナノ金属ペーストをスクリ−ン印刷法などにより均一厚さに塗布し、この上に相手側の金属板を重ね合わせた状態で外部から加熱，加圧力を加えて接合を行うようにしている。なお、加熱，加圧に伴う金属ナノ粒子，および金属ナノ粒子と被接合金属板との融合／溶着メカニズム，およびそのキュアー条件，接合強度，耐熱温度等の特性については、先記の特許文献１，２および非特許文献１に詳しく述べられており、ここではその説明を省略する。
上記のように半導体モジュールの組立部品の接合に、従来の半田接合に代えてナノ金属ペーストを用いて接合することにより、低温加熱による接合で耐熱性，伝熱性，接合強度の面で優れた高信頼性が期待でき、また接合後はナノ金属粒子（銀，銅）の溶融温度以下では接合部が溶断することもないなど、半田接合に較べて高い耐熱性を確保できる。
小田 正明，「ナノ金属粒子」，エレクトロニクス実装学会誌，２００２年，ｖｏｌ５，No６，ｐ５２３−５２８ 特開２００１−２２５１８０号公報 特開２００４−２１３０３７１号公報
ところで、図５に示した半導体モジュールの部品接合について、前記ナノ金属ペーストの適用，およびその接合条件などに関して様々な実験，検証を行ったところ、従来の接合方法のように、常温で部品の接合面に塗布したナノ金属ペーストに接合相手の部品を重ね合わせて仮組み立てし、この仮組立状態で外部より加熱，加圧力を加えて接合を行った場合には接合面の中央部分に未接合の欠陥が多く発生することが知見された。
そこで、発明者はこの接合欠陥の発生原因について究明した結果、その発生要因が次の点にあることが明らかになった。すなわち、金属ナノ粒子の粒子間，および金属ナノ粒子と被接合金属部材(半導体モジュールの部品)とを適正に融合／溶着（焼結）させるには、金属ナノ粒子を独立分散状態に保持している分散材と分散材捕捉材との反応促進に加えて、この反応物質を捕捉した揮発性物質を揮散させて接合面域から完全に排除し、金属ナノ粒子を裸の状態にしてその表面活性を高めるようにすることが必須条件となる。
しかしながら、接合の開始当初からナノ金属ペーストの塗布面を挟んで両側から被接合金属部材を重ね合わせた状態で加熱，加圧力を加えると、特に接合面の中央面域ではナノ金属ペーストが被接合金属部材の間に封じ込められているために、前記有機成分の周囲への自由な揮散（ガス化）が阻害されることになる。また、加熱による有機成分の揮散には周囲雰囲気中の酸素との反応も関与していることが確認されているが、被接合金属板の間に封じ込められた有機成分は酸素との接触反応が進まないために、結果として金属板間の接合面中央部では金属ナノ粒子の融合／溶着が十分に進行せずに未接合部分が残るようになると推測される。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、図５に示した半導体モジュールのように絶縁基板，半導体チップ，ヒートスプレッダからなる三つの組立部品を上下に積み重ねてその相互間を接合する組立構造体への適用を対象として、その組立部品の間をナノ金属ペーストにより接合させる際に三つの部品を同じ接合工程で同時に接合でき、しかもナノ金属ペーストの未接合部分を残すことなく接合面全域を適正に接合てきるように改良した金属部材の接合方法、およびその接合方法の実施に適用する組立治具を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明によれば、金属ナノ粒子，金属ナノ粒子の常温での凝集を抑制する有機分散材，加熱により有機分散材と反応する分散材捕捉材，および加熱により前記分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散させる揮発性有機成分との混合組成になるナノ金属ペーストを用いて組立部品の相互間を接合する接合方法であって、前記組立部品はその接合面の母材が金属である上位，中位，下位の三つの板状部品からなり、各部品を上下に重ねてその相互間を面接合するようにしたものにおいて、
常温で前記ナノ金属ペーストを接合面に塗布した部品と接合相手の部品を組立治具にセットして各部品の相互を離間させて保持した状態で、熱を加えてナノ金属ペーストの有機成分を揮散させるプレ加熱工程と、プレ加熱工程に続き各部品の接合面を重ね合わせた上で、加圧力を加えてナノ金属粒子同士，およびナノ金属粒子と部品の接合母材とを融合して溶着させる加圧接合工程を経て部品相互間を接合するようにし（請求項１）、ここで前記下位部品を半導体装置の絶縁基板，中位部品を半導体チップ，上位部品をヒートスプレッダとして、その部品相互間をナノ金属ペーストにより接合して半導体装置を組み立てる（請求項２）。
一方、前記接合方法の実施に適用する本発明の組立治具は次記のように構成する。
すなわち、組立治具を、下位部品を載置保持するベース板と、該ベース板上に植設したガイドピンに案内支持した中位部品の把持板，上位部品の把持板，および加圧板と、ベース板、把持板および加圧板の相互間に介挿して各部材を離間させるよう付勢する圧縮ばねとから構成し、プレ加熱工程では組立治具にセットした各部品の間を上下に離間させた状態に保持し、加圧接合工程で前記加圧板に外部から加圧力を加え、各部品相互を重ね合わせて押圧保持するようにする（請求項３）。
また、前記の組立治具については、その中位，および上位の把持板を、二分割してガイドピンに遊嵌した分割把持板と、分割把持板を互いに引き寄せるように付勢するばねとで構成し、板状の組立部品を二枚の分割把持板の間に挟持して所定位置に保持させるようにする（請求項４）。
さらに、前記加圧板の頂部中央の加圧端部には球面座を設けておき、部品間を加圧接合する際に、上方から前記球面座に加えた加圧力が加圧板を介して各部品の接合面に均一加圧されるようにする（請求項５）。
上記の接合方法，組立治具を採用することにより次記の効果を奏する。すなわち、接合面にナノ金属ペーストを塗布した部品を組立治具にセットした状態では、接合相手の部品がナノ金属ペーストの塗布面から離間して両者間に隙間を確保した状態に保持される。したがって、プレ加熱工程では接合面の中央面域に塗布したナノ金属ペーストが組立部品の間に封じ込められることなしに、プレ加熱による分散材と分散材捕捉材との反応促進，およびその反応物質を捕捉した揮発性有機成分が部品との間の隙間を通じて周囲に揮散する。したがって、分散材との反応物質，および該反応物質を捕捉した揮発性有機成分は、従来方法のように組立部品の間に封じ込められることがなく、また周囲雰囲気の酸素成分との反応により揮発性有機成分の揮散を促進させて金属ナノ粒子の表面活性を高めることができる。
これにより、続く加圧接合工程で被接合金属板間に加圧力を加えることより、各部品の接合面全域で金属ナノ粒子の融合／溶着が未反応の有機成分に阻害されることなく進行し、接合面域に未接合部分を残すことなく被接合金属板の間を適正に接合される。
また、前記構成の組立治具を採用して部品間の接合を行うことにより、同じ工程で上，中，下に重ね合わせる三つの板状部品の相互間を一括してナノ金属ペーストで同時接合することができて接合工程のスループット性が向上する。
そして、上記の接合方法を図５に示した半導体装置の部品（絶縁基板，半導体チップ，ヒートスプレッダ）の接合に適用することで、２００℃〜３００℃程度の低い接合温度でパワーサイクル耐性の高い接合部を確保して半導体装置の信頼性向上が図れる。
以下、本発明の実施の形態として、図５に示した半導体モジュールの組立工程に適用する組立治具の構造を図１〜図３に、またその接合方法を図４により説明する。なお、実施例の図中で図５に示した半導体モジュールに対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
まず、本発明の接合方法に適用する組立治具の構造を図１〜図３に示す。すなわち、図示の組立治具８は、半導体モジュールの絶縁基板２（下位部品）を載置保持するベース板９と、ベース板９の周域上に植設した４本のガイドピン１０と、半導体チップ３（中位部品）を保持する把持板１１と、ヒートスプレッダ４（上位部品）を保持する把持板１２と、その上方に配した加圧板１３と、前記ガイドピン１０に嵌挿してベース板１０と把持板１１，および把持板１１と加圧板１３の間に介装した圧縮ばね（コイルばね）１４と、加圧板１３に固定して上位部品の把持板１２を吊り下げ支持する４本の支持ピン１５と、ベース板９の上に載置した下位部品の位置決めガイド１６との組立体で構成されている。
ここで、前記中位部品の把持板１１は、図２で示すように前後に二分割してガイドピン１０に遊嵌した分割把持板１１ａ，１１ｂと、分割把持板１１ａと分割把持板１１ｂとの間に跨がりその左右両端に架設して双方の分割把持板を互いに中央に引き寄せるように付勢するばね（引張コイルばね）１１ｃからなる。また、上位部品の把持板１２も前記把持板１１と同様に、分割把持板１２ａ，１２ｂと引張ばね１２ｃからなり、各分割把持板を前記支持ピン１５に遊嵌して加圧板１３の下側に吊り下げ支持されている。また、加圧板１３にはその中央部位に球面座１３ａを形成し、この球面座１３ａを加圧端部として外部から下向きの加圧力を加えるようにしている。一方、ベース板１０の上面に配した下位部品位置決めガイド１６は額縁状の板で、ベース板１０に対して側方からスライド式に着脱し、その中央の開口部に絶縁基板２を嵌入して所定位置に保持するようにしている。
次に、前記構成の組立治具８に、図５に示した半導体モジュールの組立部品をセットする手順について詳記する。まず、上位部品の把持板１２を保持した加圧板１３をガイドピン１０から上方に抜き取り、裏返しにしてテーブルに置く。この状態で分割把持板１２ａと１２ｂとの間を広げた上で、ナノ金属ペースト１７を塗布したヒートスプレッダ４を図３に示すように分割把持板１２ａと１２ｂとの間に挟み込んで接合位置に保持した上で、把持板１２を図１の位置に戻す。
次いで、ベース板１０から下部部品の位置決めガイド１６を抜き取って、その位置に半導体チップ２を載せる仮置き台（図示せず）を載置した上で、この仮置き台の上にセットした半導体チップ２を中位把持板１２の分割把持板１２ａと１２ｂの間に挟み込んで定位置に保持する。次に、前記の仮置き台を外し、前もってナノ金属ペースト１７を塗布した絶縁基板２を位置決めガイド１６の開口部に挿入した上で、この位置決めガイド１６ａをベース板９の上にセットする。図１はこの部品セット状態を表しており、ナノ金属ペースト１７を塗布した絶縁基板２の上面と半導体チップ３の下面との間、および半導体チップ３の上面とナノ金属ペースト１７を塗布したヒートスプレッダ４の下面との間には、圧縮ばね１４のばね力介在により若干の隙間を確保した状態で各部品が保持される。
次に、前記の組立治具８を用いて半導体モジュール（図５参照）の各部品（絶縁基板２，半導体チップ３，ヒートスプレッダ４）をナノ金属ペーストにより接合する組立，接合工程を図４のフローチャートにより説明する。すなわち、工程＃１で絶縁基板２の銅回路パターン（上面），およびヒートスプレッダ４の下面にナノ金属ペースト１７（例えば、非特許文献１に記載の商品名：ナノペースト，ハリマ化成（株））を例えば厚さ１０〜５００μｍ程度で均一に塗布する。次に、工程＃２で前記の各部品を先述の手順にしたがって組立治具８にセットし、部品相互間に隙間を残した離間状態に保持する。
続く工程＃３（プレ加熱工程）では、前記工程＃２で部品をセットした組立治具８を加熱炉に搬入し、ここで炉内雰囲気を低酸素濃度（銅が酸化しない程度）に維持しつつ、炉内温度を所定のプレ加熱温度（１００℃前後）に上昇して数分〜数十分間加熱する。これにより、常温状態で金属ナノ粒子を独立分散状態に保持していたナノ金属ペーストの分散材が分散材捕捉材との反応により捕捉され、さらに分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉した揮発性有機成分が加熱により熱分解し、前記した部品間の隙間を通じて周囲に揮散するようになる。その結果、金属ナノ粒子が裸の状態になって表面活性が高まり、金属ナノ粒子の粒子間が結合して単体膜を形成すると同時に、絶縁基板２の銅回路パターンとの間でも金属ナノ粒子の融合／溶着が進むようになる。
そして、前記のプレ加熱工程＃３に続く加圧接合工程＃４では、炉内温度を所定の接合温度（２００〜３００℃）まで高めるとともにと、図１に示した加圧板１３に上方から加圧力を加え、この加圧状態を所定時間保持する。これにより、加圧板１３が下降して絶縁基板２の上に半導体チップ３，ヒートスプレッダ４を重ね合わせて押圧し、部品相互間の接合面全域で金属ナノ粒子との融合／溶着が進行し、その結果として未接合部分を残すことなく接合面全域で高融点化した金属接合部が得られることになる。
なお、前記の加圧接合工程＃４では、外部からの加圧力を加圧板１３の球面座１３ａに加えることにより、仮にセット状態で部品相互間に多少の傾きがあっても、球面座１３ａの働きにより傾きを修正して部品間の接合面に均一な加圧力を加わえることができる。
本発明の実施例による組立治具に半導体モジュールの部品をセットした状態を表す側面図、 図１の矢視Ａ−Ａから見た部品セット状態の平面図 図１のＢ−Ｂから見た部品セット状態の平面図 本発明による接合方法の工程を表すフローチャート図 本発明の接合方法を適用する半導体モジュールの従来における組立構造図
符号の説明
２ 絶縁基板
３ 半導体チップ
４ ヒートスプレッダ
８ 組立治具
９ ベース板
１０ ガイドピン
１１ 中位部品の把持板
１２ 上位部品の把持板
１３ 加圧板
１３ａ 球面座
１４ 圧縮ばね
１５ 支持ピン
１６ 下位部品位置決めガイド
１７ ナノ金属ペースト

Claims (5)

  1. 金属ナノ粒子，金属ナノ粒子の常温での凝集を抑制する有機分散材，加熱により有機分散材と反応する分散材捕捉材，および加熱により前記分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散させる揮発性有機成分との混合組成になるナノ金属ペーストを用いて組立部品の相互間を接合する接合方法であって、前記組立部品はその接合面の母材が金属である上位，中位，下位の三つの板状部品からなり、各部品を上下に重ねてその相互間を面接合するようにしたものにおいて、
    常温で前記ナノ金属ペーストを接合面に塗布した部品と接合相手の部品を組立治具にセットして各部品の相互を離間させて保持した状態でナノ金属ペーストの有機成分を揮散させるプレ加熱工程と、プレ加熱工程に続き各部品の接合面を重ね合わせた上で、加圧力を加えてナノ金属粒子同士，およびナノ金属粒子と部品の接合母材とを融合して溶着させる加圧接合工程からなることを特徴とする金属部材の接合方法。
  2. 請求項１記載の接合方法において、下位部品を半導体装置の絶縁基板，中位部品を上下主面にメタライズを施した半導体チップ，上位部品をヒートスプレッダとして、半導体装置の部品相互間をナノ金属ペーストにて接合することを特徴とする金属の接合方法。
  3. 請求項１記載の接合方法に用いる部品組立用の組立治具が、下位部品を載置保持するベース板と、該ベース板上に植設したガイドピンに案内支持した中位部品の把持板，上位部品の把持板，および加圧板と、ベース板、把持板および加圧板の相互間に介挿して各部材を離間させるよう付勢する圧縮ばねとから構成し、プレ加熱工程では組立治具にセットした各部品の間を上下に離間させた状態に保持し、加圧接合工程で前記加圧板に外部から加圧力を加え、各部品相互を重ね合わせて押圧保持するようにしたことを特徴とする組立治具。
  4. 請求項３記載の組立治具において、中位，上位の把持板が、二分割してガイドピンに遊嵌した分割把持板と、各分割把持板を互いに引き寄せるように付勢するばねからなり、板状の部品を二枚の分割把持板の間に挟持して所定位置に保持するようにしたことを特徴とする組立治具。
  5. 請求項３記載の組立治具において、加圧板の加圧端部に球面座を設け、該球面座を介して上方から加圧力を加えることを特徴とする組立治具。
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