JP5877276B2 - 接合構造および電子部材接合構造体 - Google Patents
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- B22F7/002—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature
- B22F7/004—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature comprising at least one non-porous part
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- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
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- H01L2224/051—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05155—Nickel [Ni] as principal constituent
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- H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
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- H01L2224/0554—External layer
- H01L2224/05599—Material
- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05639—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05644—Gold [Au] as principal constituent
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- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05647—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
- H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
- H01L2224/0554—External layer
- H01L2224/05599—Material
- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/05664—Palladium [Pd] as principal constituent
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- H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
- H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
- H01L2224/0554—External layer
- H01L2224/05599—Material
- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/05669—Platinum [Pt] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/2612—Auxiliary members for layer connectors, e.g. spacers
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29199—Material of the matrix
- H01L2224/29294—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a liquid not provided for in groups H01L2224/292 - H01L2224/29291
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29301—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29311—Tin [Sn] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29317—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/2932—Antimony [Sb] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
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- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29317—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/29324—Aluminium [Al] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29339—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29344—Gold [Au] as principal constituent
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- H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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- H01L2224/29364—Palladium [Pd] as principal constituent
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- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29363—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/29369—Platinum [Pt] as principal constituent
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- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/32227—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bond pad of the item
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- H01L2224/7525—Means for applying energy, e.g. heating means
- H01L2224/75252—Means for applying energy, e.g. heating means in the upper part of the bonding apparatus, e.g. in the bonding head
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- H01L2224/7525—Means for applying energy, e.g. heating means
- H01L2224/753—Means for applying energy, e.g. heating means by means of pressure
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8319—Arrangement of the layer connectors prior to mounting
- H01L2224/83192—Arrangement of the layer connectors prior to mounting wherein the layer connectors are disposed only on another item or body to be connected to the semiconductor or solid-state body
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/832—Applying energy for connecting
- H01L2224/83201—Compression bonding
- H01L2224/83203—Thermocompression bonding, e.g. diffusion bonding, pressure joining, thermocompression welding or solid-state welding
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83385—Shape, e.g. interlocking features
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83399—Material
- H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/83439—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83399—Material
- H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/83447—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/838—Bonding techniques
- H01L2224/8384—Sintering
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- H01L2224/83909—Post-treatment of the layer connector or bonding area
- H01L2224/83948—Thermal treatments, e.g. annealing, controlled cooling
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- H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
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- H01L2924/053—Oxides composed of metals from groups of the periodic table
- H01L2924/0544—14th Group
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- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
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Description
本発明は、金属を含有する部材に金属多孔質体を接合させた接合構造および電子部材接合構造体に関し、特に、金属を含有する部材が、回路基板、金属層等をもつセラミックス基板等の基板またはリードフレームなどである場合の接合構造に関する。
電力の制御や供給等を行う半導体素子(いわゆるパワー半導体素子)と回路基板、セラミックス基板等の基板またはリードフレームなどの配線体との接続では、一般に半田が使用されている。このような半田としては、半田の粉末にフラックスを加えて適当な粘度にしたクリーム半田が主に用いられている。しかしながら、フラックスを用いると、半導体素子表面を汚染する可能性があり、洗浄工程が必要になるという問題があった。また、近年、環境上の配慮から、鉛を含まない鉛フリー半田材料を用いることが要求されている。パワー半導体素子の発熱に対応可能な鉛フリー半田材料としてAu−Sn系半田があるが、高価であるため、実用的ではない。Au−Sn系半田より安価な半田材料としてSn−Ag−Cu系半田があるが、熱履歴による金属間化合物の成長が信頼性の低下につながるという問題があった。
一方、半田を用いない接合部材として、熱硬化性樹脂に導電性を持つ微細な金属粒子を混ぜ合わせたものを膜状に成形した異方性導電フィルム(Anisotropic Conductive Film:ACF)がある。しかしながら、ACFは、高熱による熱硬化性樹脂の劣化が懸念されるため、発熱量の大きいパワー半導体素子の接続には適さない。
そこで、半田を用いない他の接合部材として、Agの粒子を樹脂に分散させたAgペーストを用いることが提案されている。パワー半導体素子の接合部材としてAgペーストを適用する場合、高熱伝導性と高導電性が要求されるため、ペースト中のAgの含有量を高くする必要がある。ところが、Agの含有量が高くなると、弾性変形しやすい樹脂の比率が小さくなるため、硬化処理後の接合層の剛性が増して接合層の歪吸収能力が低くなる。この接合層に歪吸収能力を超える歪が加わると、半導体素子の電極あるいはダイパッドとAg粒子との接触界面や接続材料内で欠陥が生じ、剥離が生じる問題があった。
また、半導体素子の電極や基板の電極がNiを含有する場合、接合部材としてAgペーストを用いると、接合強度(密着性)が低く、取扱い時の外力で界面が破断したり、必要な長期信頼性が得られないという問題があるため、半導体素子の電極や基板の電極に貴金属めっきを施す必要がある。ところが、このように貴金属めっきを施して接合した場合、部材間の熱膨張差による半導体チップへの熱応力が増大するため、耐久性が低下するという問題があった。
そこで、近時、有機物で表面が被覆された平均粒径100nm以下の金属粒子を被接合材間に供給し、加熱により有機物を分解させて金属粒子同士を焼結させることで接合を行うことが知られている(例えば、特許文献1)。
また、被接合材の接合界面に酸素を含む酸化物層を形成し、この接合界面に、平均粒径が1nm以上50μm以下の金属化合物粒子と有機物からなる還元剤とを含む接合材を配置し、被接合材間を加熱、加圧することにより被接合材を接合することが提案されている(例えば、特許文献2)。この構成では、金属化合物粒子単体を加熱分解するよりも低温で金属化合物粒子が還元され、その際に平均粒径が100nm以下の金属粒子が作製されるとされている。また、接合前にあらかじめ接合面に酸化物層を生成させた後に、その層に酸化処理を施して自然酸化膜厚以上の厚さの酸化層を生成させておくことで、接合時に接合材中の有機物の排出を効率的に行うことができ、これにより接合面のせん断強度を上げることが可能となるとされている。
また、同じ金属イオン及び/又は金属原子間の置換拡散によって形成される、導電性を有する接続が形成可能であるように、2つの金属表面を処理した後に2つの金属表面同士を接続することが提案されている(例えば、特許文献3)。
しかしながら、特許文献1および特許文献2に記載の構成では、金属微粒子による接合において、金属微粒子間の接合に比べて、金属微粒子のペースト接続部と金属部材の銅との間に結晶粒径の大きな差があり、その界面に歪集中が起こり(降伏歪の差)、繰り返し歪付加時のクラック発生点が形成されやすいという問題があった。また、特許文献3の構成では、2つの金属表面の界面近傍における結晶粒径については何ら開示されていない。
本発明の目的は、金属を含有する部材と金属多孔質体との接合部でのクラック発生を防止して、信頼性の高い接合を実現することができる接合構造および電子部材接合構造体を提供することにある。
以上のような目的を達成するため、本発明に係る接合構造は、金属を含有する部材と、前記金属を含有する部材上に接合部材として形成された金属多孔質体とを有する接合構造であって、前記金属を含有する部材は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された第1外部金属層と、前記第1外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された第1内部金属層とを有し、前記第1外部金属層の平均結晶粒径dsが、前記第1内部金属層の平均結晶粒径diよりも小さく、前記金属多孔質体の平均結晶粒径dpが、前記第1外部金属層の平均結晶粒径dsよりも小さい又は同じであることを特徴とすることを特徴とする。
また、前記平均結晶粒径dsと前記平均結晶粒径dpが1≦ds/dp<100を満たすことが好ましい。
また、前記平均結晶粒径dsが0.2μm以上10μm未満であることが好ましい。
また、前記平均結晶粒径diが10μm以上100μm未満であることが好ましい。
また、前記平均結晶粒径dpが0.1μm以上1μm以下であることが好ましい。
また、前記金属を含有する部材及び前記金属多孔質体を構成する金属材料がCu若しくはCu合金又はAg若しくはAg合金であることが好ましい。
前記金属多孔質体上に、さらに、金属板を備えることが好ましい。
前記金属板は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された第2外部金属層と、前記第2外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された第2内部金属層とを有し、前記第2外部金属層における平均結晶粒径ds’が、前記第2内部金属層における平均結晶粒径di’よりも小さいことが好ましい。
前記金属を含有する部材がリードフレーム用基材であることが好ましい。
本発明に係る電子部材接続構造体は、金属を含有する部材と、前記金属を含有する部材上に接合部材として形成された金属多孔質体と、前記金属多孔質体上に配置された電子部材とを有する電子部材接続構造体であって、前記金属を含有する部材は、セラミックス体と、前記セラミックス体上に形成された金属層とを有し、前記金属層は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された外部金属層と、前記外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された内部金属層とを有し、前記外部金属層の平均結晶粒径dsが、前記内部金属層の平均結晶粒径diよりも小さく、前記金属多孔質体の平均結晶粒径dpが、前記外部金属層の平均結晶粒径dsよりも小さい又は同じであることを特徴とする。
前記金属多孔質体と前記電子部材との間に、Au、Ag、Cu、Pd,Ptのいずれか1種又は2種以上からなる電極層を有することが好ましい。
本発明の接合構造によれば、積層体の厚み方向に関して連続的に降伏歪みが変化するため、歪み集中が抑制され、繰り返し歪みが付加される際にクラック発生点が形成され難い。また、金属を含有する部材の内部金属層の結晶粒径が大きいため、全体としての歪み緩和効果が大きい。したがって、金属を含有する部材と金属多孔質体との接合部でのクラック発生を防止して、信頼性の高い接合を実現することが可能となる。
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
[本実施形態]
図1は、本実施形態に係る接合構造を概略的に示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の接合構造は、金属を含有する部材1と、金属を含有する部材1の一方の主面上に形成された金属多孔質体2とを有する。金属多孔質体2上には、半導体チップ10が配置されている。
図1は、本実施形態に係る接合構造を概略的に示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の接合構造は、金属を含有する部材1と、金属を含有する部材1の一方の主面上に形成された金属多孔質体2とを有する。金属多孔質体2上には、半導体チップ10が配置されている。
金属を含有する部材1は、例えば、回路基板、リードフレーム等を有する基板やコネクタ材等が挙げられる。金属を含有する部材を構成する金属材料は、Cu若しくはCu合金又はAg若しくはAg合金であることが好ましい。また、回路基板としては、銅板をセラミックス基板と接合させたDBC(Direct Bonding Copper)基板やAMC(Active-metal brazed copper)基板を用いることができる。なお、DBC基板のセラミックスにはアルミナ(Al2O3)を、AMC基板のセラミックスには窒化ケイ素(Si3N4)や窒化アルミ(AlN)などを用いることができる。
金属多孔質体2は、金属微粒子と有機分散媒とを含む金属微粒子分散液を焼結させることにより形成される。金属微粒子は、Cu、Ag、Au、Al、Ni、Pt、Sn、Sb及びPdからなる金属元素群から選ばれる1種の金属からなる微粒子、当該金属元素群から選ばれる2種以上の金属を混合した微粒子、当該金属元素群から選ばれる2種以上の元素の合金からなる微粒子、当該金属元素群から選ばれる1種の微粒子又は当該金属元素群から選ばれる2種以上を混合した微粒子と当該金属元素群から選ばれる2種以上の元素の合金からなる微粒子とを混合した微粒子であることが好ましい。また、金属微粒子は、前記金属の酸化物からなる微粒子、前記合金の酸化物からなる微粒子であってもよく、酸化は微粒子の一部であってもよい。
金属微粒子の平均粒径(一次粒子の平均粒子径)は、5nm以上200nm以下であることが好ましい。ここで、一次粒子の平均粒子径とは、二次粒子を構成する個々の金属微粒子である一次粒子の直径の平均を意味する。一次粒子径は、電子顕微鏡を用いて測定することができる。また、平均粒子径とは、一次粒子の数平均粒子径を意味する。金属微粒子の平均粒径が5nm以上であることにより、焼成後に均質な粒径と空孔を有する金属多孔質体を得ることができる。
有機分散媒としては、多価アルコールが好ましく、より好ましくは分子中に2以上のヒドロキシル基を有する1種又は2種以上のポリオールである。具体的には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2−ブテン−1,4−ジオール、1,2,6−ヘキサントリオール、グリセリン、及び2−メチル−2,4−ペンタンジオールから選択された1種又は2種以上を挙げることができる。
金属微粒子分散液には、分散補助物質や溶剤を適宜含有させることができる。分散補助物質としては、公知のものを適宜使用することができるが、金属微粒子の分散性、焼結性の向上等を考慮すると、アミド基を有する化合物、アミン化合物等を用いることが好ましい。
図2は、本実施形態に係る接合構造を説明するための拡大断面模式図である。図2に示すように、金属を含有する部材1は、一方の主面1aを含み、金属多孔質体2側に形成された外部金属層1bと、外部金属層1bよりも厚み方向において金属多孔質体2から離れた位置(他方の主面を含む)に形成された内部金属層1cとを有する。図2では、説明の便宜上、外部金属層1bと内部金属層1cの境界を破線で示しているが、実際には、境界にはある程度の凸凹が形成されている。外部金属層1bの平均結晶粒径dsは、内部金属層1cの平均結晶粒径diよりも小さく、また、金属多孔質体2の平均結晶粒径dpは、外部金属層1bの平均結晶粒径dsよりも小さい又は同じである(dp≦ds<di)。平均結晶粒径dsと平均結晶粒径dpが、下記式
1≦ds/dp<100
を満たすことが好ましい。外部金属層1bの平均結晶粒径dsが内部金属層1cの平均結晶粒径diよりも小さく、金属多孔質体2の平均結晶粒径dpが外部金属層1bの平均結晶粒径dsよりも小さい又は同じであることにより、連続的に降伏歪が変化するため歪集中が抑制され、繰り返し歪付加時のクラック発生点が形成し難い。また、内部金属層1cの平均結晶粒径diが大きいため、全体としての歪み緩和効果が大きい。また、ds/dp<100であることにより、金属多孔質体2の平均結晶粒径dpが外部金属層1bの平均結晶粒径dsより小さくなりすぎず連続的に降伏歪が変化しやすいため、歪集中が抑制され、繰り返し歪を付加した際にクラック発生点が形成され難い。
1≦ds/dp<100
を満たすことが好ましい。外部金属層1bの平均結晶粒径dsが内部金属層1cの平均結晶粒径diよりも小さく、金属多孔質体2の平均結晶粒径dpが外部金属層1bの平均結晶粒径dsよりも小さい又は同じであることにより、連続的に降伏歪が変化するため歪集中が抑制され、繰り返し歪付加時のクラック発生点が形成し難い。また、内部金属層1cの平均結晶粒径diが大きいため、全体としての歪み緩和効果が大きい。また、ds/dp<100であることにより、金属多孔質体2の平均結晶粒径dpが外部金属層1bの平均結晶粒径dsより小さくなりすぎず連続的に降伏歪が変化しやすいため、歪集中が抑制され、繰り返し歪を付加した際にクラック発生点が形成され難い。
外部金属層1bの平均結晶粒径dsは0.2μm以上10μm未満であることが好ましい。平均結晶粒径dsが0.2μm未満であると、降伏歪が大きくなるため、金属多孔質体2と外部金属層1bの界面(主面1a)に応力が集中しクラックが発生しやすくなる。一方、平均結晶粒径dsが10μm以上であると、金属多孔質体2の平均結晶粒径dpに比べ、外部金属層1bの平均結晶粒径dsが大きすぎるために、金属多孔質体2と外部金属層1bの界面において連続的な降伏歪とならず、繰り返し歪が付加された時のクラックが発生しやすくなる。なお、外部金属層1bの厚さは、特に限定はされないが、0.5μm以上10μm以下であることが好ましい。
内部金属層1cの平均結晶粒径diは10μm以上100μm未満であることが好ましい。平均結晶粒径diが10μm未満であると、金属多孔質体2と金属を含有する部材1の全体における歪緩和効果が小さくなる。一方、平均結晶粒径diが100μm以上であると、外部金属層1bの平均結晶粒径dsに比べ内部金属層1cの平均結晶粒径diが大きすぎることになり、金属を含有する部材1において連続的な降伏歪とならず、繰り返し歪が付加された時にクラックが発生しやすくなる。
金属多孔質体2の平均結晶粒径dpは0.1μm以上1μm以下であることが好ましい。平均結晶粒径dpが0.1μm未満であると、金属多孔質体2の焼結が不十分であり、金属粒子間の密着が弱くなりやすい。一方、平均結晶粒径dpが1μmを超えると、金属微粒子の金属拡散が進んでいるため金属多孔質体2中の微細空孔が減少し、金属多孔質体2全体の剛性が上がるため、被接続体である電子部材(例えば、半導体チップ)への応力負荷が増大してしまう。なお、金属多孔質体2を構成する金属材料がAg又はAg合金である場合には、金属多孔質体2の平均結晶粒径dpは1μmを超えてもよい。
次に、金属を含有する部材1と半導体チップ10とを、金属多孔質体2を介して接合させる方法について説明する。
まず、金属を含有する部材1の主面1aに外部金属層1bを形成する処理を行う。外部金属層1bの形成は、金属を含有する部材1の表面に、原子空孔および/または転位を生じさせるもので、ブラストやバフによる研磨等、機械的加工によることが好ましい。ブラストによる研磨の場合、研磨材としては、ガラスビーズ、アルミナビーズ、ジルコニアビーズが挙げられる。研磨材の形状は、特に限定されないが、例えば球形、多角形である。
外部金属層1bの厚さは、特に限定はされないが、0.5μm以上10μm以下であることが好ましい。また、外部金属層1bの表面粗さRaは、特に限定はされないが、0.1μm以上2.0μm以下であることが好ましい。
また、金属を含有する部材1の主面1aに外部金属層1bを形成する処理の前に熱処理を行ってもよい。熱処理を行うことで、金属を含有する部材1の再結晶化が促進され、結晶粒径を成長させることができる。再結晶化の点から、熱処理条件は300〜400℃程度、1時間以内が好ましい。
次に、金属を含有する部材1に金属微粒子分散液を塗布し、100℃〜150℃で5分〜20分加熱することで予備乾燥を行う。金属微粒子が載置された金属を含有する部材の上に、半導体チップ10を配置する。そして、金属を含有する部材1、金属多孔質体2、半導体チップ10がこの順に載置されてなる積層体を図3に示すような焼結装置にセットする。
図3(a)〜(c)は、本実施形態に係る接合構造を形成するための方法を示す図である。図3(a)に示すように、焼結装置20の下熱盤21にレイアップ用のプレス板22を載置し、その上に積層体23を載置する。プレス板22は、テフロン(登録商標)、ポリイミド、42アロイ等からなる板である。なお、レイアップ用のプレス板は、積層体23の上下に載置されてもよい。
次に、チャンバー24を閉じて、チャンバー24内を不活性雰囲気とする(図3(b))。不活性雰囲気とは、窒素などの不活性ガスを充填した雰囲気、又は真空雰囲気のことである。チャンバー24内を不活性雰囲気とすることで、金属微粒子表面の酸化層を取り除き、金属微粒子の焼結性を向上させることが可能になる。
そして、図3(c)に示すように、加圧シリンダー25により加圧した状態で、積層体23を下熱盤21と上熱盤26とで挟持して、加熱・焼成する。焼結温度は150℃以上400℃以下であることが好ましい。また、焼結時の圧力は5MPa以上20MPa以下であることが好ましく、焼結時間は0分超20分未満であることが好ましい。焼結時間は、短ければ短いほど、金属を含有する部材1における外部金属層1bの平均結晶粒径dsを、内部金属層1cの平均結晶粒径diよりも小さく、かつ、金属多孔質体の平均結晶粒径dpと同じか大きくすることができることから、15分以下であることがより好ましい。本焼成により、積層体23中の金属微粒子が焼結され、金属を含有する部材1と半導体チップ10との間に金属多孔質体2が形成される。
また、金属微粒子を焼結した後、さらに加熱処理を行ってもよい。加熱処理を行うことで、拡散接合が促進される。十分な拡散接合が得られる点から、熱処理条件は300〜500℃程度、30分〜1時間程度が好ましい。結晶粒径は、再結晶化が促進されることにより成長する。
上述したように、本実施形態の接合構造によれば、金属を含有する部材1における外部金属層1bの平均結晶粒径dsは、内部金属層1cの平均結晶粒径diよりも小さく、金属多孔質体2の平均結晶粒径dpは、外部金属層1bの平均結晶粒径dsよりも小さい又は同じである。これにより、接合の厚み方向に関して連続的に降伏歪みが変化するため、歪み集中が抑制され、繰り返し歪みが付加される際にクラック発生点が形成され難くなる。また、金属を含有する部材1の内部金属層の結晶粒径が大きいため、全体としての歪み緩和効果が大きい。特に、金属を含有する部材1と金属多孔質体2との界面に沿って横方向に形成されるクラックの進行を防止することが可能となる。
[他の実施形態]
本実施形態では、金属を含有する部材1の一方の主面1a上に金属多孔質体2が形成されているが、金属を含有する部材1の両方の主面上に金属多孔質体が形成されてもよい。
本実施形態では、金属を含有する部材1の一方の主面1a上に金属多孔質体2が形成されているが、金属を含有する部材1の両方の主面上に金属多孔質体が形成されてもよい。
例えば、図4(a)に示す接合構造は、金属を含有する部材1と、金属を含有する部材1の一方の主面上に形成された金属多孔質体2と、金属多孔質体2上に形成された半導体チップ10と、金属を含有する部材1の他方の主面上に形成された金属多孔質体3とを有する。金属を含有する部材1は、金属多孔質体2側の主面を含む第1外部金属層と、更に、金属多孔質体3側の主面を含む第2外部金属層とを有する。そして、これら第1外部金属層と第2外部金属層の間に形成された第1内部金属層とを有する。金属を含有する部材1の第1外部金属層の平均結晶粒径ds12は、金属を含有する部材1の第1内部金属層の平均結晶粒径di1よりも小さく、金属多孔質体2の平均結晶粒径dp2は、金属を含有する部材1の第1外部金属層の平均結晶粒径ds12よりも小さい又は同じである(dp2≦ds12<di1)。また、金属を含有する部材1の第2外部金属層の平均結晶粒径ds13は、金属を含有する部材1の第1内部金属層の平均結晶粒径di1よりも小さい(ds13<di1)。この場合、金属を含有する部材1の両方の主面にブラストなどの機械的加工が施される。図4(a)の構成によれば、金属を含有する部材1の両面に形成された接合部でのクラック発生を抑制することが可能となる。
また、図4(b)に示す接合構造は、厚銅板(金属を含有する部材)4と、厚銅板4の一方の主面上に形成された金属多孔質体5と、金属多孔質体5上に形成された半導体チップ10を有し、さらに厚銅板4の他方の主面には、金属多孔質体6、銅板7、セラミックス板8および銅板9がこの順に積層されている。厚銅板4は、金属多孔質体5側の主面を含む第1外部金属層と、更に、金属多孔質体6側の主面を含む第2外部金属層とを有する。そして、これら第1外部金属層と第2外部金属層の間に形成された第1内部金属層とを有する。厚銅板4の第1外部金属層の平均結晶粒径ds45は、厚銅板4の第1内部金属層の平均結晶粒径di4よりも小さく、金属多孔質体5の平均結晶粒径dp5は、第1外部金属層の平均結晶粒径ds45よりも小さい又は同じである(dp5≦ds45<di4)。また、厚銅板4の第2外部金属層の平均結晶粒径ds46は、厚銅板4の第1内部金属層の平均結晶粒径di4よりも小さく、金属多孔質体6の平均結晶粒径dp6は、厚銅板4の第2外部金属層の平均結晶粒径ds46よりも小さい又は同じである(dp6≦ds46<di4)。
また、銅板7は、金属多孔質体6側の主面を含む第3外部金属層と、第3外部金属層よりも厚み方向において金属多孔質体6から離れた位置であり、セラミックス板8側に形成された第3内部金属層とを有する。銅板7の第3外部金属層の平均結晶粒径ds76は、銅板7の第3内部金属層の平均結晶粒径di7よりも小さく、また、金属多孔質体6の平均結晶粒径dp6は、銅板7の第3外部金属層の平均結晶粒径ds76よりも小さい又は同じである(dp6≦ds76<di7)。この場合、厚銅板4の金属多孔質体6側及び金属多孔質体5側の主面(両面)と、銅板7の金属多孔質体6側の主面とにブラスト処理などの機械的加工が施される。図4(b)の構成によれば、金属多孔質体5の一方の面に形成された接合部だけでなく、金属多孔質体6の両面に形成された接合部でのクラック発生を抑制することが可能となる。
なお、金属多孔質体2,5と半導体チップ10との間に、不図示の電極層を設けてもよい。電極層は、例えば、Au、Ag、Cu、Pd,Ptのいずれか1種又は2種以上から構成される。
以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
本実施例、比較例で使用した(1)原材料、(2)装置、及び(3)評価方法を以下に記載する。
(1)原材料
(イ)半導体チップ
半導体チップのサイズは7mm×7mm、厚さは230μmであり、その接合面はNi−Ti―Au合金でメタライズされている。材質は、SiCである。
(ロ)金属微粒子分散液
銅微粒子分散液:ジエチレングリコール中に、Cu濃度80質量%で銅微粒子が分散している銅微粒子分散液を用いた。なお、該銅微粒子分散液には、高分子分散剤としてポリビニルピロリドンが0.3質量%配合されている。
銀微粒子分散液:オクタンジオール中に、Ag濃度89質量%の濃度で銀微粒子が分散している銀微粒子分散液(DOWAメタルテック(株)製、銀ナノペースト)を用いた。
(ハ)金属を含有する部材
(i)DBC基板
日鉄住金エレクトロデバイス社製のDBC基板(Cu/Al2O3(アルミナ)/Cu)を使用した。Cu板の厚さ:0.3mm/セラミックス板:厚さ0.32mm/Cu板の厚さ:0.3mmである。
(ii)薄膜+めっき付きセラミックス基板
厚さ0.64mmのAl2O3(アルミナ)の白板セラミックス基板にNi・Cr/Cu(0.2μm/6μm)を蒸着し、その後以下のめっき条件にて、Cuの厚さが両面0.3mmtとなるまで厚付した。
めっき液:CuSO4・5H2O 250g/L(水)、H2SO4 50g/L(水)、NaCl 0.1g/L(水)
電流密度:5A/dm2、温度40℃
(iii)リードフレーム材
無酸素銅C1020を使用した。厚さは1.2mmである。
(iv)厚銅板積層DBC基板
日鉄住金エレクトロデバイス社製のDBC基板(Cu/Al2O3(アルミナ)/Cu)を使用した。Cu板の厚さ:0.3mm/セラミックス板の厚さ:0.32mm/Cu板の厚さ:0.3mmである。
DBC基板の一方の銅板7表面を洗浄後、粒径40μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.20MPaで処理速度10mm/secで処理した。次に、銅微粒子分散液を100μmの厚さになるようにWB処理された面に塗布し、110℃で15分間乾燥させた。更に、厚さ0.3mmの厚銅板4を、乾燥させた銅微粒子分散液上に搭載した後、焼結装置にセットした。焼結は、減圧雰囲気下(酸素濃度1000ppm以下)、300℃、圧力10MPaで15分間行い、厚銅板4とDBC基板の銅板7の間に金属多孔質体6を形成した。
(v)めっき層付き銅箔積層DBC基板
日鉄住金エレクトロデバイス社製のDBC基板(Cu/Al2O3(アルミナ)/Cu)を使用した。Cu板の厚さ:0.3mm/セラミックス板の厚さ:0.32mm/Cu板の厚さ:0.3mmである。
厚さ0.1mmの銅箔を500℃で1時間加熱処理を行った後、以下のめっき条件で銅箔の両表面にめっき層を0.1mm形成した厚銅板4を形成した。
DBC基板の一方の銅板7表面を洗浄後、粒径40μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.20MPaで処理速度10mm/secで処理した。次に、銅微粒子分散液を100μmの厚さになるようにWB処理された面に塗布し、110℃で15分間乾燥させた。更に、銅箔の両表面にめっき層を形成しためっき層付き銅箔を、乾燥させた銅微粒子分散液上に搭載した後、焼結装置にセットした。焼結は、減圧雰囲気下(酸素濃度1000ppm以下)、300℃、圧力10MPaで15分間行い、厚銅板4とDBC基板の銅板7の間に金属多孔質体6を形成した。めっき液:CuSO4・5H2O 250g/L(水)、H2SO4 50g/L(水)、NaCl 0.1g/L(水)
電流密度:5A/dm2、温度40℃
(イ)半導体チップ
半導体チップのサイズは7mm×7mm、厚さは230μmであり、その接合面はNi−Ti―Au合金でメタライズされている。材質は、SiCである。
(ロ)金属微粒子分散液
銅微粒子分散液:ジエチレングリコール中に、Cu濃度80質量%で銅微粒子が分散している銅微粒子分散液を用いた。なお、該銅微粒子分散液には、高分子分散剤としてポリビニルピロリドンが0.3質量%配合されている。
銀微粒子分散液:オクタンジオール中に、Ag濃度89質量%の濃度で銀微粒子が分散している銀微粒子分散液(DOWAメタルテック(株)製、銀ナノペースト)を用いた。
(ハ)金属を含有する部材
(i)DBC基板
日鉄住金エレクトロデバイス社製のDBC基板(Cu/Al2O3(アルミナ)/Cu)を使用した。Cu板の厚さ:0.3mm/セラミックス板:厚さ0.32mm/Cu板の厚さ:0.3mmである。
(ii)薄膜+めっき付きセラミックス基板
厚さ0.64mmのAl2O3(アルミナ)の白板セラミックス基板にNi・Cr/Cu(0.2μm/6μm)を蒸着し、その後以下のめっき条件にて、Cuの厚さが両面0.3mmtとなるまで厚付した。
めっき液:CuSO4・5H2O 250g/L(水)、H2SO4 50g/L(水)、NaCl 0.1g/L(水)
電流密度:5A/dm2、温度40℃
(iii)リードフレーム材
無酸素銅C1020を使用した。厚さは1.2mmである。
(iv)厚銅板積層DBC基板
日鉄住金エレクトロデバイス社製のDBC基板(Cu/Al2O3(アルミナ)/Cu)を使用した。Cu板の厚さ:0.3mm/セラミックス板の厚さ:0.32mm/Cu板の厚さ:0.3mmである。
DBC基板の一方の銅板7表面を洗浄後、粒径40μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.20MPaで処理速度10mm/secで処理した。次に、銅微粒子分散液を100μmの厚さになるようにWB処理された面に塗布し、110℃で15分間乾燥させた。更に、厚さ0.3mmの厚銅板4を、乾燥させた銅微粒子分散液上に搭載した後、焼結装置にセットした。焼結は、減圧雰囲気下(酸素濃度1000ppm以下)、300℃、圧力10MPaで15分間行い、厚銅板4とDBC基板の銅板7の間に金属多孔質体6を形成した。
(v)めっき層付き銅箔積層DBC基板
日鉄住金エレクトロデバイス社製のDBC基板(Cu/Al2O3(アルミナ)/Cu)を使用した。Cu板の厚さ:0.3mm/セラミックス板の厚さ:0.32mm/Cu板の厚さ:0.3mmである。
厚さ0.1mmの銅箔を500℃で1時間加熱処理を行った後、以下のめっき条件で銅箔の両表面にめっき層を0.1mm形成した厚銅板4を形成した。
DBC基板の一方の銅板7表面を洗浄後、粒径40μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.20MPaで処理速度10mm/secで処理した。次に、銅微粒子分散液を100μmの厚さになるようにWB処理された面に塗布し、110℃で15分間乾燥させた。更に、銅箔の両表面にめっき層を形成しためっき層付き銅箔を、乾燥させた銅微粒子分散液上に搭載した後、焼結装置にセットした。焼結は、減圧雰囲気下(酸素濃度1000ppm以下)、300℃、圧力10MPaで15分間行い、厚銅板4とDBC基板の銅板7の間に金属多孔質体6を形成した。めっき液:CuSO4・5H2O 250g/L(水)、H2SO4 50g/L(水)、NaCl 0.1g/L(水)
電流密度:5A/dm2、温度40℃
(2)装置
図3(a)〜(c)に示す焼結装置を使用した。
図3(a)〜(c)に示す焼結装置を使用した。
(3)評価方法
(イ)金属を含有する部材の表面粗さ
レーザー顕微鏡(KEYENCE VK9710)にて測定を行った。
(ロ)金属多孔質体の平均結晶粒径dp
金属を含有する部材上に金属多孔質体と半導体チップとを形成したサンプルを作製し、その半導体チップ側から半導体チップを10μm程度残すまで研磨する。その後、ナノ加工顕微鏡システム(FIB装置;エスアイアイ・ナノテクノロジー社製 SMI3050TB)を用いてGaビームエッチングにより厚さを50nm程度に加工して、マイクロプローブで切断してサンプルを切り出す。TEM(日本電子製 JEM3010)にそのサンプルをセットし、加速電圧200KV、5000倍の条件でTEM画像を得て、金属多孔質体の結晶粒径を確認した。TEM画像上で、TEM(日本電子製 JEM3010)付属ソフトを用いて金属多孔質体の厚み方向の中心に直線(a)を引き、その直線(a)上に存在する結晶20個について(長径+短径)/2の平均値を算出した。直線(a)は次のように引いた。
まず、金属基板と金属多孔質体との界面において、直線距離が金属多孔質体の厚さとなるような任意の2点を選択し、この2点を結ぶ直線(b)を引いた。次に、直線(b)から金属多孔質体の厚さ方向へ、金属多孔質体の半分の厚さ分離れた位置に、直線(b)と平行な直線である直線(a)を引いた(図5)
(ハ)外部金属層の平均結晶粒径ds
(ロ)と同様にして得られたサンプルを、(ロ)と同条件でTEMを使用し、金属を含有する部材の外部金属層の結晶粒径を確認した。TEM画像において、金属多孔質体と金属を含有する部材との界面から金属を含有する部材側へ1μm離れた位置に、当該界面に沿った線(c)を引いた。線(c)上に存在する結晶20個について(長径+短径)/2の平均値を算出した(図5)。
(ニ)内部金属層の平均結晶粒径di
(ロ)と同様にして得られたサンプルを、(ロ)と同条件でTEMを使用し、金属を含有する部材の内部金属層の結晶粒径を確認した。TEM画像において、金属を含有する部材の厚み方向の中心に直線(d)を引き、その直線(d)上に存在する結晶20個について(長径+短径)/2の平均値を算出した。直線(d)は次のように引いた。
まず、金属基板と金属多孔質体との界面において、直線距離が金属を含有する部材の厚みとなるような任意の2点を選択し、この2点を結ぶ直線(e)を引いた。次に、直線(e)から金属を含有する部材の厚さ方向へ、金属を含有する部材の半分の厚さ分離れた位置に、直線(e)と平行な直線である直線(d)を引いた(図5)。
(ホ)熱衝撃試験(TCT)
金属を含有する部材上に金属多孔質体と半導体チップとを形成したサンプルを作製した。温度サイクル試験(150℃で30分間、その後−40℃で30分間保持するサイクル試験)へサンプルを投入し、100サイクルごとに超音波探傷機(SAT)で観察した。超音波探傷機(日立建機株式会社製、 Mi-Scope)とプローブ(型式PQ2−13、50MHz)を使用して、半導体素子側から超音波を照射し、反射法で半導体素子裏面から金属を含有する部材表面まで入るようにゲートを調整し、接合面や金属多孔質体内に剥離やボイドなどの欠陥がないか測定を行った。金属を含有する部材と金属多孔質体との接合面の面積10%以上で剥離が見られるまで試験を繰り返した。剥離が見られるまでのサイクル数について、サンプル20個の平均値を算出した。
金属を含有する部材がセラミックス基板を有する場合には、平均サイクル数が1000以上を「○」、1000未満を「×」とした。金属を含有する部材がリードフレーム材である場合には、平均サイクル数が500以上を「○」、500未満を「×」とした。
(イ)金属を含有する部材の表面粗さ
レーザー顕微鏡(KEYENCE VK9710)にて測定を行った。
(ロ)金属多孔質体の平均結晶粒径dp
金属を含有する部材上に金属多孔質体と半導体チップとを形成したサンプルを作製し、その半導体チップ側から半導体チップを10μm程度残すまで研磨する。その後、ナノ加工顕微鏡システム(FIB装置;エスアイアイ・ナノテクノロジー社製 SMI3050TB)を用いてGaビームエッチングにより厚さを50nm程度に加工して、マイクロプローブで切断してサンプルを切り出す。TEM(日本電子製 JEM3010)にそのサンプルをセットし、加速電圧200KV、5000倍の条件でTEM画像を得て、金属多孔質体の結晶粒径を確認した。TEM画像上で、TEM(日本電子製 JEM3010)付属ソフトを用いて金属多孔質体の厚み方向の中心に直線(a)を引き、その直線(a)上に存在する結晶20個について(長径+短径)/2の平均値を算出した。直線(a)は次のように引いた。
まず、金属基板と金属多孔質体との界面において、直線距離が金属多孔質体の厚さとなるような任意の2点を選択し、この2点を結ぶ直線(b)を引いた。次に、直線(b)から金属多孔質体の厚さ方向へ、金属多孔質体の半分の厚さ分離れた位置に、直線(b)と平行な直線である直線(a)を引いた(図5)
(ハ)外部金属層の平均結晶粒径ds
(ロ)と同様にして得られたサンプルを、(ロ)と同条件でTEMを使用し、金属を含有する部材の外部金属層の結晶粒径を確認した。TEM画像において、金属多孔質体と金属を含有する部材との界面から金属を含有する部材側へ1μm離れた位置に、当該界面に沿った線(c)を引いた。線(c)上に存在する結晶20個について(長径+短径)/2の平均値を算出した(図5)。
(ニ)内部金属層の平均結晶粒径di
(ロ)と同様にして得られたサンプルを、(ロ)と同条件でTEMを使用し、金属を含有する部材の内部金属層の結晶粒径を確認した。TEM画像において、金属を含有する部材の厚み方向の中心に直線(d)を引き、その直線(d)上に存在する結晶20個について(長径+短径)/2の平均値を算出した。直線(d)は次のように引いた。
まず、金属基板と金属多孔質体との界面において、直線距離が金属を含有する部材の厚みとなるような任意の2点を選択し、この2点を結ぶ直線(e)を引いた。次に、直線(e)から金属を含有する部材の厚さ方向へ、金属を含有する部材の半分の厚さ分離れた位置に、直線(e)と平行な直線である直線(d)を引いた(図5)。
(ホ)熱衝撃試験(TCT)
金属を含有する部材上に金属多孔質体と半導体チップとを形成したサンプルを作製した。温度サイクル試験(150℃で30分間、その後−40℃で30分間保持するサイクル試験)へサンプルを投入し、100サイクルごとに超音波探傷機(SAT)で観察した。超音波探傷機(日立建機株式会社製、 Mi-Scope)とプローブ(型式PQ2−13、50MHz)を使用して、半導体素子側から超音波を照射し、反射法で半導体素子裏面から金属を含有する部材表面まで入るようにゲートを調整し、接合面や金属多孔質体内に剥離やボイドなどの欠陥がないか測定を行った。金属を含有する部材と金属多孔質体との接合面の面積10%以上で剥離が見られるまで試験を繰り返した。剥離が見られるまでのサイクル数について、サンプル20個の平均値を算出した。
金属を含有する部材がセラミックス基板を有する場合には、平均サイクル数が1000以上を「○」、1000未満を「×」とした。金属を含有する部材がリードフレーム材である場合には、平均サイクル数が500以上を「○」、500未満を「×」とした。
[実施例1−1]
DBC基板の銅板表面を洗浄後、粒径14μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.20MPaで処理速度20mm/secで処理した。次に、銅微粒子分散液を100μmの厚さになるように塗布し、110℃で15分間乾燥させた。半導体チップを搭載した後、焼結装置にセットした。焼結は、減圧雰囲気下(酸素濃度1000ppm以下)、300℃、圧力10MPaで15分間行った。
[実施例1−2]
実施例1−1において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
[実施例1−3]
実施例1−1において、表面処理の条件を変更した以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径40μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.20MPaで処理速度10mm/secで行った。
[実施例1−4]
実施例1−2において、DBC基板に代えて、セラミックス板にスパッタによりNi/Cr/Cuの薄膜層とめっき層を形成した、薄膜+めっき付きセラミックス基板を使用し、表面処理の前に加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、400℃で30分間行った。
[実施例1−5]
実施例1−3において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
[実施例1−6]
実施例1−4において、表面処理の条件を変更し、焼結後にさらに加熱処理を行わなかった以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径7μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.2MPaで処理速度20mm/secで行った。
[実施例1−7]
実施例1−1において、表面処理の条件を変更した以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径7μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.2MPaで処理速度20mm/secで行った。
[実施例1−8]
実施例1−4において、表面処理の前における加熱処理を400℃で15分間行った以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−9]
実施例1−1において、DBC基板に代えて、セラミックス板にスパッタによりNi/Cr/Cuの薄膜層とめっき層を形成した、薄膜+めっき付きセラミックス基板を使用した以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−10]
実施例1−1において、焼結を250℃で行った以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−11]
実施例1−2において、表面処理の前に加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、400℃で1時間行った。
[実施例1−12]
実施例1−3において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
[実施例1−13]
実施例1−6において、焼結を200℃で行い、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
[実施例1−14]
実施例1−12において、焼結を200℃で行った以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−15]
実施例1−13において、表面処理の前に加熱処理を行わず、焼結を250℃で行った以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−16]
実施例1−11において、表面処理の条件を変更し、焼結を200℃で行った以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径40μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.2MPaで処理速度20mm/secで行った。
[比較例1−1]
実施例1−1において、表面処理を行わなかった以外は同様の方法で実施した。
[比較例1−2]
実施例1−1において、表面処理をWB処理からプラズマ処理に変更した以外は同様の方法で実施した。具体的に、まず、DBC基板をスパッタリング装置のチャンバー内にセットし、真空引きを行った。そして、Arガスをチャンバー内に導入し、チャンバー内圧力を1Paとした。RF電源によって電力を供給することで、DBC基板の銅板表面付近にArプラズマを発生させ、銅板表面に照射した。このRF電源の入カパワーの条件は、0.25W/cm2とし、照射時間は5分間とした。
[比較例1−3]
実施例1−10において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
DBC基板の銅板表面を洗浄後、粒径14μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.20MPaで処理速度20mm/secで処理した。次に、銅微粒子分散液を100μmの厚さになるように塗布し、110℃で15分間乾燥させた。半導体チップを搭載した後、焼結装置にセットした。焼結は、減圧雰囲気下(酸素濃度1000ppm以下)、300℃、圧力10MPaで15分間行った。
[実施例1−2]
実施例1−1において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
[実施例1−3]
実施例1−1において、表面処理の条件を変更した以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径40μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.20MPaで処理速度10mm/secで行った。
[実施例1−4]
実施例1−2において、DBC基板に代えて、セラミックス板にスパッタによりNi/Cr/Cuの薄膜層とめっき層を形成した、薄膜+めっき付きセラミックス基板を使用し、表面処理の前に加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、400℃で30分間行った。
[実施例1−5]
実施例1−3において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
[実施例1−6]
実施例1−4において、表面処理の条件を変更し、焼結後にさらに加熱処理を行わなかった以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径7μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.2MPaで処理速度20mm/secで行った。
[実施例1−7]
実施例1−1において、表面処理の条件を変更した以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径7μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.2MPaで処理速度20mm/secで行った。
[実施例1−8]
実施例1−4において、表面処理の前における加熱処理を400℃で15分間行った以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−9]
実施例1−1において、DBC基板に代えて、セラミックス板にスパッタによりNi/Cr/Cuの薄膜層とめっき層を形成した、薄膜+めっき付きセラミックス基板を使用した以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−10]
実施例1−1において、焼結を250℃で行った以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−11]
実施例1−2において、表面処理の前に加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、400℃で1時間行った。
[実施例1−12]
実施例1−3において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
[実施例1−13]
実施例1−6において、焼結を200℃で行い、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
[実施例1−14]
実施例1−12において、焼結を200℃で行った以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−15]
実施例1−13において、表面処理の前に加熱処理を行わず、焼結を250℃で行った以外は同様の方法で実施した。
[実施例1−16]
実施例1−11において、表面処理の条件を変更し、焼結を200℃で行った以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径40μmであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト(WB)法により、圧力0.2MPaで処理速度20mm/secで行った。
[比較例1−1]
実施例1−1において、表面処理を行わなかった以外は同様の方法で実施した。
[比較例1−2]
実施例1−1において、表面処理をWB処理からプラズマ処理に変更した以外は同様の方法で実施した。具体的に、まず、DBC基板をスパッタリング装置のチャンバー内にセットし、真空引きを行った。そして、Arガスをチャンバー内に導入し、チャンバー内圧力を1Paとした。RF電源によって電力を供給することで、DBC基板の銅板表面付近にArプラズマを発生させ、銅板表面に照射した。このRF電源の入カパワーの条件は、0.25W/cm2とし、照射時間は5分間とした。
[比較例1−3]
実施例1−10において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、500℃で30分間行った。
[実施例2−1〜実施例2−16]
実施例1−1ないし実施例1−16において、金属を含有する部材をリードフレーム材に変更した以外は同様の方法で実施した。
[比較例2−1]
実施例2−2において、表面処理を行わなかった以外は同様の方法で実施した。
[比較例2−2]
実施例2−1において、表面処理をWB処理からプラズマ処理に変更した以外は同様の方法で実施した。なお、プラズマ処理は比較例1−2と同様の方法で行った。
実施例1−1ないし実施例1−16において、金属を含有する部材をリードフレーム材に変更した以外は同様の方法で実施した。
[比較例2−1]
実施例2−2において、表面処理を行わなかった以外は同様の方法で実施した。
[比較例2−2]
実施例2−1において、表面処理をWB処理からプラズマ処理に変更した以外は同様の方法で実施した。なお、プラズマ処理は比較例1−2と同様の方法で行った。
[実施例3−1〜実施例3−16]
DBC基板に焼結体を介して厚銅板を接続した厚銅板積層DBC基板を用いた。
厚銅板積層DBC基板の厚銅板の上下両表面に対して、実施例1−1ないし実施例1−16と同様に表面処理及び加熱処理を行い、半導体チップを、金属多孔質体を介して厚銅板上に搭載した。
[実施例3−17]
実施例3−1において、厚銅板積層DBC基板の金属多孔質体側の厚銅板のセラミックス基板側の表面に対して表面処理を行わず、厚銅板の半導体チップ側の表面のみに表面処理を行った以外は同様の方法で実施した。
DBC基板に焼結体を介して厚銅板を接続した厚銅板積層DBC基板を用いた。
厚銅板積層DBC基板の厚銅板の上下両表面に対して、実施例1−1ないし実施例1−16と同様に表面処理及び加熱処理を行い、半導体チップを、金属多孔質体を介して厚銅板上に搭載した。
[実施例3−17]
実施例3−1において、厚銅板積層DBC基板の金属多孔質体側の厚銅板のセラミックス基板側の表面に対して表面処理を行わず、厚銅板の半導体チップ側の表面のみに表面処理を行った以外は同様の方法で実施した。
[実施例4−1〜実施例4−16]
実施例1−1〜実施例1−16において、銅微粒子分散液を銀微粒子分散液に変更し、焼結を大気雰囲気下で行った以外は同様の方法で実施した。
[比較例4−1〜比較例4−3]
比較例1−1〜比較例1−3において、銅微粒子分散液を銀微粒子分散液に変更し、焼結を大気雰囲気下で行った以外は同様の方法で実施した。
実施例1−1〜実施例1−16において、銅微粒子分散液を銀微粒子分散液に変更し、焼結を大気雰囲気下で行った以外は同様の方法で実施した。
[比較例4−1〜比較例4−3]
比較例1−1〜比較例1−3において、銅微粒子分散液を銀微粒子分散液に変更し、焼結を大気雰囲気下で行った以外は同様の方法で実施した。
表1、2に示すように、実施例1−1〜1−16では、TCTにおける平均サイクル数がいずれも1000以上であり、クラックの発生防止性が良好であることが分かった。特に、実施例1−1〜1−9では、TCTにおける平均サイクル数がいずれも1200以上であり、クラックの発生防止性が特に優れていることが分かった。一方、外部金属層の結晶粒径と内部金属層の結晶粒径が同じである比較例1−1、比較例1−2では、TCTにおける平均サイクル数が600、580と少なかった。また、外部金属層の結晶粒径が内部金属層の結晶粒径より大きい比較例1−3では、TCTにおける平均サイクル数が510と非常に少なかった。
表3、4に示すように、実施例2−1〜2−16では、TCTにおける平均サイクル数がいずれも600以上であり、クラックの発生防止性が良好であることが分かった。特に、実施例2−1〜2−9では、TCTにおける平均サイクル数がいずれも650以上であり、クラックの発生防止性が特に優れていることが分かった。一方、外部金属層の結晶粒径と内部金属層の結晶粒径が同じである比較例2−1、比較例2−2では、TCTにおける平均サイクル数が330、410と少なかった。
表5、6に示すように、実施例3−1〜3−17では、TCTにおける平均サイクル数がいずれも1000以上であり、クラックの発生防止性が良好であることが分かった。特に、実施例3−1〜3−16では、TCTにおける平均サイクル数がいずれも2000以上であり、クラックの発生防止性が極めて優れていることが分かった。
表7、8に示すように、実施例4−1〜4−16では、TCTにおける平均サイクル数がいずれも1000以上であり、クラックの発生防止性に優れていることが分かった。一方、外部金属層の結晶粒径と内部金属層の結晶粒径が同じである比較例4−1、比較例4−2では、TCTにおける平均サイクル数が590、530と少なかった。また、外部金属層の結晶粒径が内部金属層の結晶粒径より大きい比較例4−3では、TCTにおける平均サイクル数が500と非常に少なかった。
1 金属を含有する部材
1a 主面
1b 外部金属層
1c 内部金属層
2,3,5,6 金属多孔質体
4 厚銅板
7,9 銅板
8 セラミックス板
21 下熱盤
22 プレス板
23 積層体
24 チャンバー
25 加圧シリンダー
26 上熱盤
1a 主面
1b 外部金属層
1c 内部金属層
2,3,5,6 金属多孔質体
4 厚銅板
7,9 銅板
8 セラミックス板
21 下熱盤
22 プレス板
23 積層体
24 チャンバー
25 加圧シリンダー
26 上熱盤
Claims (11)
- 金属を含有する部材と、前記金属を含有する部材上に接合部材として形成された金属多孔質体とを有する接合構造であって、
前記金属を含有する部材は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された第1外部金属層と、前記第1外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された第1内部金属層とを有し、
前記第1外部金属層の平均結晶粒径dsが、前記第1内部金属層の平均結晶粒径diよりも小さく、
前記金属多孔質体の平均結晶粒径dpが、前記第1外部金属層の平均結晶粒径dsよりも小さい、又は同じであることを特徴とする接合構造。 - 前記平均結晶粒径dsと前記平均結晶粒径dpが
1≦ds/dp<100
を満たすことを特徴とする、請求項1に記載の接合構造。 - 前記平均結晶粒径dsが0.2μm以上10μm未満であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の接合構造。
- 前記平均結晶粒径diが10μm以上100μm未満であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の接合構造。
- 前記平均結晶粒径dpが0.1μm以上1μm以下であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の接合構造。
- 前記金属を含有する部材及び前記金属多孔質体を構成する金属材料がCu若しくはCu合金又はAg若しくはAg合金であることを特徴する、請求項1から5のいずれか1項に記載の接合構造。
- 前記金属多孔質体上に、さらに、金属板を備えることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の接合構造。
- 前記金属板は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された第2外部金属層と、前記第2外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された第2内部金属層とを有し、
前記第2外部金属層における平均結晶粒径ds’が、前記第2内部金属層における平均結晶粒径di’よりも小さいことを特徴とする、請求項7に記載の接合構造。 - 前記金属を含有する部材がリードフレーム用基材であることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の接合構造。
- 金属を含有する部材と、前記金属を含有する部材上に接合部材として形成された金属多孔質体と、前記金属多孔質体上に配置された電子部材とを有する電子部材接合構造体であって、
前記金属を含有する部材は、セラミックス体と、前記セラミックス体上に形成された金属層とを有し、
前記金属層は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された外部金属層と、前記外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された内部金属層とを有し、
前記外部金属層の平均結晶粒径dsが、前記内部金属層の平均結晶粒径diよりも小さく、
前記金属多孔質体の平均結晶粒径dpが、前記外部金属層の平均結晶粒径dsよりも小さい、又は同じであることを特徴とする電子部材接続構造体。 - 前記金属多孔質体と前記電子部材との間に、Au、Ag、Cu、Pd,Ptのいずれか1種又は2種以上からなる電極層を有する請求項10に記載の電子部材接合構造体。
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