JP6101389B1

JP6101389B1 - 接合部

Info

Publication number: JP6101389B1
Application number: JP2016107152A
Authority: JP
Inventors: 重信関根; 千礼島谷
Original assignee: 有限会社ナプラ
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: JP2017136640A

Abstract

【課題】長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度を維持し得る接合部を提供すること。【解決手段】接合部３００の合金体または金属体は、金属間化合物を含み、前記金属間化合物は帯状構造をとり、複数の前記帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織（第１層３０１）を形成し、おりたたまれた構造やラメラ構造を呈し、かつ前記間隔が１０００ｎｍ以下である。【選択図】図３

Description

本発明は、金属体または合金体（金属/合金体）を接合した接合部に関するものである。

先に、本明細書において使用する用語について、次の通り定義しておく。
（１）「金属」、「金属粒子」又は「金属成分」というときは、金属元素単体のみならず、複数の金属元素を含む合金、コンポジット構造、又は、それらの組合せを含む。
（２）ナノとは、1μｍ（1000ｎｍ）以下の大きさをいう。
（３）金属マトリクスとは、その他の成分の間隙を充填し、それらを支持する母材となる金属又は合金のことをいう。

長時間にわたって高温動作状態が継続し、しかも、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用される機器、例えば、車載用電力制御素子（パワーデバイス）は、上述した熱履歴にかかわらず、長期にわたって高い接合強度が維持できることが要求される。しかし、従来知られた接合材は、必ずしも上述した要求を満たし得るものではなかった。

例えば、特許文献１に開示されているSnAgCu系接合材（粉末はんだ材料）では、到底上述した要求を満たすことができない。

また、複数の半導体基板を積層して接合する場合や、金属や合金による三次元造形物を成形する場合等に固有の問題として、カーケンダルボイドによる機械的強度の低下の問題がある。カーケンダルボイドは、金属の相互拡散の不均衡により発生した原子空孔（格子）が、消滅することなく集積したことにより発生する。例えば、SnとCuの界面の場合、Cuの拡散に対してSnの拡散が少ないため、金属間化合物とCu界面とに空孔が集積し、カーケンダルボイドを形成する。このカーケンダルボイドが、より大きな空洞又はクラックに発展し、接合部や三次元造形物の信頼性及び品質を低下させ、更には機械的強度の低下、剥離、破断、破損等を生じてしまうこともある。

特開２００７−２６８５６９号公報

本発明の課題は、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度を維持し得る接合部を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る接合部は、金属間化合物を含み、金属/合金体を接合する。前記金属間化合物は、帯状構造をとり、複数の前記帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成し、前記間隔がナノサイズである。

上述したように、本発明に係る接合部は、縞状組織を形成する金属間化合物を含む。よって、接合強度が高く、高温耐熱性に優れた接合部になる。

また、前記金属間化合物は、帯状構造をとり、複数の前記帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成し、前記間隔がナノサイズである。したがって、仮に、カーケンダルボイドが発生したとしても、前記帯状構造に当たった地点でカーケンダルボイドの成長が止まる。また、前記帯状構造の間隔がナノサイズであるから、カーケンダルボイドは狭い範囲に抑えられ、クラックなどの重篤な欠陥に発展することはない。そのため、機械的強度が大で、剥離、破断、破損等を生じにくい高信頼性及び高品質の接合部を形成することが可能になる。

また、本発明に係る接合部に含まれる前記縞状組織は、折りたたまれた構造をとることができる。

上述したような折りたたまれた構造をとる場合、発生したカーケンダルボイドがどの方向へ成長したとしても、すぐに金属間化合物の帯状構造に当たることになり、クラックへの発展を防ぐことが可能である。

さらに、本発明に係る接合部に含まれる前記縞状組織は、ラメラ構造をとることもできる。この場合においても、上述した作用効果を得ることができる。

本発明に係る接合部は、Cu、Al、Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd、Si、B、Ti、Bi、In、Sb、Ga、Zn、Cr、Coから選択された金属元素を含んでおり、前記金属間化合物は、前記金属元素を少なくとも1つを含んでいる。

また、本発明に係る接合部に含まれる金属間化合物は、典型的には、CuとSnとから構成される。この場合の作用効果については、実施例において詳しく説明する。

本発明に係る接合部は、低融点成分と高融点成分とを組合せて形成することもできる。その場合、材料を、初期融解時には、主に低融点成分のもつ融点で溶解させて、前記金属間化合物を形成することが可能である。形成された金属間化合物は、再融解温度を、高融点成分の持つ融点によって支配されるような温度まで、高温化することができる。したがって、耐熱性に優れた高信頼性及び高品質の接合部を形成し得る。この特性は、発熱量の大きな電力制御用半導体素子（パワーデバイス）のための電気配線及び導電性接合材として有用である。

また、本発明に係る金属間化合物の帯状構造の間隙を、金属マトリクスで充填することができる。その結果、前記接合部は、金属間化合物による高温耐熱性と、金属マトリクスによる柔軟性とを兼ね備えることが可能である。このため、長時間にわたって高温動作状態が継続した場合でも、また、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用された場合でも、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度が維持されることになる。

以上述べたように、本発明によれば、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度を維持し得る接合部を提供することができる。

本発明に係る接合部の一例を示す図である。図１のA部のSEM像を示す図である。図２のSEM像を拡大して示す図である。本発明に係る接合部のシェア強度を示す図である。本発明に係る接合部の形成に用いられる金属粒子の表面を極薄くレーザ研磨した試料のSEM像を示す図である。図５で示した金属粒子を直径で切断した時の、断面のSEM像を示す図である。

図１を参照すると、本発明に係る接合部300は、例えば、対向配置された基板100、500に形成された金属/合金体101、501を接合する。基板100、500は、例えば、パワーデバイスなどの電子・電気機器を構成する基板であり、金属/合金体101、501は、電極、バンプ、端子またはリード導体などとして、基板100、500に設けられている。パワーデバイスなどの電子・電気機器では、金属/合金体101、501は、一般にはCuまたはその合金として構成される。もっとも、基板100、500に相当する部分が、金属/合金体で構成されたものを排除するものではない。

図２及び図３において、接合部300は、金属/合金体101、501の表面に、第1層301、第2層302及び第3層303が、この順序で積層された構造を持つ。接合部300を構成する第1層301及び第2層302は、金属間化合物を含んでいる。

図２及び図３において、接合部300は、CuとSnとを含む接合材を用いることによって得られる。さらに具体的には、接合部300は、Sn、Cu、SnとCuとの合金又はSnとCuとの金属間化合物CuｘSnｙを含み、金属/合金体101、501の表層に、拡散接合によって接合されている。金属間化合物CuｘSnｙは、典型的にはCu３Sn、Cu６Sn５である。

上記構造において、第1層301は、Cu層である金属/合金体101、501に隣接しているため、CuリッチなCu３Snを主とする金属間化合物が帯状構造をとり、帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成している。Cu層である金属/合金体101、501から遠い第2層302では、Cu６Sn５を主とする金属間化合物が帯状構造をとり、帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成している。

上述したように、接合部300は、CuとSnとの金属間化合物を含んでいる。金属間化合物を含む接合部は、接合強度が高く、高温耐熱性に優れている。

仮に、カーケンダルボイドが発生したとしても、帯状構造に当たった地点でカーケンダルボイドの成長が止まる。また、前記帯状構造は、間隔がナノサイズであるため、カーケンダルボイドの成長は狭い範囲に抑えられ、クラックなどの重篤な欠陥に発展することはない。そのため、機械的強度が大で、剥離、破断、破損等を生じにくい高信頼性及び高品質の接合部を形成することが可能になる。

また、一般的なCuとSnの接合において、Cu層とCu３Sn層との界面やCu３Sn層内部において、カーケンダルボイドが発生しやすいことが知られている。しかし、図３をみると、帯状の金属間化合物がCu層と入組むように結合している。また、Cu３Sn層内部においても帯状の金属間化合物同士が入組むように結合している。その結果、Cu層とCu３Sn層との界面の接合強度が上がり、また、Cu３Sn層内部においても強固な結合が作られる。したがって、接合強度の高い接合部が得られる。

また、縞状組織は、図３の第1層301のように、折りたたまれた構造をとることができる。その結果、カーケンダルボイドがどの方向へ成長したとしても、すぐに金属間化合物の帯状構造に当たることになる。したがって、接合部の信頼性及び品質を低下させ、更には機械的強度を低下させ、剥離、破断、破損等を生じさせるような、クラックなどの重篤な欠陥に発展することはない。

さらに、縞状組織は、ラメラ構造をとることもできる。この場合においても、上述した作用効果を得ることができる。

第1層301及び第2層302は、複数の金属成分を含むことができる。この場合、複数の金属成分として、低融点成分と高融点成分とを組合せ、初期融解時には、主として、低融点成分のもつ融点で溶解させ、凝固後の再融解温度を、高融点成分の持つ融点によって支配されるような温度まで、高温化することができる。例えば、本実施形態として例示したように、接合部をCuとSnとを含む接合材によって形成した場合、初期融解時には、主として、Snのもつ融点（231.9℃）で溶解させ、凝固後の再融解温度を、Snよりも高融点であるCuｘSnｙのもつ融点（Cu３Sn：約676℃、Cu６Sn５：約435℃）によって支配されるような温度まで、高温化することができる。したがって、耐熱性に優れた高信頼性及び高品質の接合部を形成し得る。接合部におけるこの特性は、発熱量の大きな電力制御用半導体素子（パワーデバイス）のための電気配線及び導電性接合材として有用である。

また、第1層301及び第2層302は、金属マトリクスを含むことができる。本実施形態における金属マトリクスとは、具体的には、Sn、Sn合金、SnとCuとの金属間化合物が混在した合金である。この金属マトリクスは、金属間化合物に比べて靭性が高い。したがって、第1層301及び第2層302、延いては接合部300は、金属間化合物による高温耐熱性と、金属マトリクスによる柔軟性とを兼ね備えることが可能である。このため、長時間にわたって高温動作状態が継続した場合でも、また、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用された場合でも、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度が維持されることになる。

もっとも、第1層301及び第2層302の組成材料は、これを用いて得ようとするものに応じて選定される。例えば、Cu、Al、Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd、Si、B、Ti、Bi、In、Sb、Ga、Zn、Cr、Coから選択された金属元素を含んでおり、金属間化合物は、前記金属元素を少なくとも1つを含んでいる。

本発明に係る接合部のシェア強度を図４に示す。Cuの含有量が異なる（8質量％と40質量％）2種類の接合部において、シェア強度を測定した。比較例として、SAC305（Sn-3.0％Ag-0.5％Cu）を用いて形成した接合部のシェア強度を記載している。SAC305を用いた場合、シェア強度は、200℃においてすでに低下し、225℃においてはゼロであり、接合状態を保てない。

一方、本発明に係る接合部のシェア強度は、200℃において十分な強度を有する。225℃になると、Cu含有量によって差はあるが、どちらもまだ強度を保っている。さらに温度を上げると、8質量％の接合部では強度が著しく低下するが、40質量％の接合部では十分な強度を保っている。つまり、使用環境に応じて、適したCu含有量を選択することで、従来の接合材では実現が難しかった、高温でも接合強度を保持した接合部を形成することが可能である。

ちなみに、260℃の高温保持試験（HTS）では、試験開始時から約100時間までは、シェア強度が約35MPaから約40MPaまで上昇し、500時間までの時間領域では、ほぼ40MPaで安定するという試験結果が得られた。

また、（-40〜200℃）の冷熱サイクル試験（TCT）では、約200サイクルを超えたあたりから、全サイクル（1000サイクル）に渡って、シェア強度が約35MPaで安定するという試験結果が得られた。

上記した構造は、例えば、8質量％のCuと、92質量％のSnの組成で成る金属粒子1を含む接合材で形成することができる。前記金属粒子1は、特許第４４０１２８１号に開示された技術を適用して製造することができる。実際の使用にあたっては、この金属粒子１の集合体である粉体が用いられる。

図５、図６を参照すると、金属粒子1は、表層に金属間化合物が集積し、外殻状の構造1aを形成している。金属粒子1を含む接合材を用いて接合部300を形成した場合、金属粒子1と金属/合金体101，501との拡散接合は、外殻状の構造1aを通じての拡散になる。そのため、拡散を起こす金属同士が直接接触して拡散反応が起こる従来の接合材よりも、反応速度が抑制される。

反応速度を抑制された状態での拡散反応により、金属間化合物の縞状組織が形成される。

また、反応速度が抑制された結果、前述したカーケンダルボイドの発生原因である、Cuの拡散に対してSnの拡散が少ないという相互拡散の不均衡が解消され、機械的強度が大で、剥離、破断、破損等を生じにくい高信頼性及び高品質の接合部を形成することが可能になる。

以上、添付図面を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。

1 金属粒子
1a 金属間化合物
1b 金属マトリクス
100,500 基板
101,501 金属/合金体
300 接合部

Claims

金属間化合物を含み、金属体または合金体を接合した接合部であって、
前記金属間化合物は、前記接合部を、前記金属体または合金体の面に対して垂直に切断した断面で見て、帯状構造をとり、複数の前記帯状構造が間隔をおいて並ぶ縞状組織を形成し、前記間隔がすべて１０００ｎｍ以下であり、
前記金属間化合物は、SnとCuとの金属間化合物である、
接合部。