JP6265688B2

JP6265688B2 - 接続構造体

Info

Publication number: JP6265688B2
Application number: JP2013229620A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　義浩; 義浩佐藤; 藤原　英道; 英道藤原
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: JP2015090900A

Description

本発明は、半導体パッケージ、半導体チップ等の電子部品の被着体を、金属微粒子と有機分散媒を含む加熱接合材料を用いて、加熱、又は加圧下での加熱により接合する接合方法、及び該方法により形成される接続構造体に関する。

最近、半導体部品の大電力化、モジュール化、高集積化、高信頼性化等が急速に進んでいる。このような実装機器の大電力化、高集積化等を実現するための電流密度の増大に伴う半導体製品の発熱により、半導体の動作温度は高温になる傾向にある。

従来、ダイボンド材料として、高温での使用に耐えうる高温鉛はんだが使用されてきたが、環境問題から高温鉛はんだの使用が抑制される傾向にあることから、高温での使用に耐えうる、他のダイボンド材料として、鉛を使用せずにバルク体の金属よりも低温の条件下で接合が可能になる、金属微粒子が配合された導電性ペーストによる接合が着目されてきている。

金属粉末を配合した加熱接合用の金属粉末含有ペーストや板状の成形体を用いて、電子部品（例えば半導体チップ）を加圧下で加熱・焼結して基板等に接合する方法が知られている。例えば、銅の金属粉末と接着材により電子部品を基板に接合する方法がある（特許文献１）。

また、金電極と銅ワイヤーを接合する場合に用いられる金層の厚さに着目し、カーケンダルボイド防止のために金層の厚さを０．５〜５μｍとすることが知られている（特許文献２）。

特開２００９−９４３４１号公報特開２０１２−６９６９１号公報

一般に、金属微粒子を含む加熱接合材料を被着体間に配置して加熱・加圧して接合部が形成されるが、このような接合方法としてはフリップチップボンダーやプレスなどの装置を用いて、電子部品（例えば半導体チップ）を加圧、加熱して実装する方法が一般的である。

しかし、これらの方法を用いて単に接合しただけでは、十分な信頼性を得られないことが明らかになってきた。特に、パワーデバイスではその使用環境が厳しいことから、厳しい信頼性試験（熱衝撃試験やパワーサイクル試験）の実施が必要であり、上記従来の方法で接合しても、接合条件によっては信頼性試験の結果に大きな差が出てくることが分かってきた。

例えば、上記特許文献１のように接合しただけでは、焼結体の状態が一定でなく再現性の良い接合を行うことができない。特に、信頼性に重要な影響を及ぼす空孔に関する開示が無く、信頼性の高い接合を行うことができないという問題がある。

また、特許文献２では、カーケンダル効果による接合界面のカーケンダルボイドについて開示されており、金層ができるだけ薄い方がよいとされている。しかしながら、本発明者が実験したところでは、特許文献２において最も薄い０．５μｍよりも薄い０．２μｍの金層にも、カーケンダルボイドが発生することが分かっている。この発生現象は、ワイヤーボンディングと加熱・加圧実装の違いや、銅ワイヤーと銅微粒子の違いに起因すると考えられる。このため、特許文献２で開示されている方法を用いても、銅微粒子焼結体では信頼性の高い接合を行うことができない。

本発明の目的は、加熱接合材料を用いて電子部品を基板に接合する際に、信頼性の高い接合を実現することができる接合方法および接続構造体を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、銅微粒子焼結体とチップ電極界面の空孔率が高いほど信頼性に乏しく、また、金、白金、ニッケル又はパラジウムを含有する電極が銅との合金電極に変化するところ、変化後の電極厚さが厚いほど信頼性に乏しいことが分かった。

また、上記空孔率や銅合金電極の厚さは、焼結時の圧力により決定されていることが分かった。

すなわち、本発明は、以下に記載する発明を要旨とする。

平均一次粒子径が２〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ）と、分子中に２以上の水酸基を有する１種または２種以上の多価アルコールを含む有機分散媒（Ｓ）とを含有してなる加熱接合材料（Ｍ）を電子部品の被着体間に配置して、加熱、又は加圧下の加熱により接合する電子部品の接合方法および接続構造体であって、焼結時の圧力を制御することにより焼結体とチップ電極界面の空孔率や合金化したチップ電極の厚さを最適化することを特徴とする電子部品の接合方法および接続構造体である。

本発明によれば、加熱接合材料（Ｍ）を電子部品の被着体間に配置して、加熱、又は加圧下の加熱により被着体間を接合する際、銅とチップ電極の最表面の金、白金、ニッケル又はパラジウムとの間で銅合金が形成される。その際、チップ電極直下の空孔率をバルクの空孔率以上２０％以下にすることにより、合金化により増加した空孔に起因する破断を防ぐことができ、強固な接合を実現することができる。

本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法を概略的に示す図であり、（ａ）〜（ｃ）はその行程を説明する図である。本実施形態に係る接続構造体の一例を概略的に示す断面図である。（ａ）は、チップ電極層直下の空孔率と冷熱衝撃試験の寿命回数の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、チップ電極層におけるＡｕ−Ｃｕ合金層厚さと冷熱衝撃試験の寿命回数との関係を示すグラフである。焼結圧力とチップ電極層直下の空孔率との関係を示すグラフである。

本発明の電子部品の接合方法は、平均一次粒子径が２ｎｍ〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ）と、分子中に２以上の水酸基を有する１種または２種以上の多価アルコールを含む有機分散媒（Ｓ）とを含有してなる加熱接合材料（Ｍ）を電子部品の被着体間に配置して、加熱、又は加圧下の加熱により接合する接合方法であって、接合圧力を制御することによって、焼結体とチップ電極層界面の空孔率や銅合金電極の状態を最適化することにより、信頼性の高い接合を行うことができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
〔１〕加熱接合材料（Ｍ）
加熱接合材料（Ｍ）は、平均一次粒子径が２ｎｍ〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ）と、分子中に２以上の水酸基を有する１種または２種以上の多価アルコールを含む有機分散媒（Ｓ）とを含有してなる加熱接合材料である。

加熱接合材料（Ｍ）は、例えば、常温でシート形状の加熱接合成形体（Ｔ１）、又は加熱接合ペースト状物質（Ｔ２）であり、金属微粒子（Ｐ）が有機分散媒（Ｓ）中に分散している。加熱接合材料（Ｍ）は、被接合面（例えば、セラミック板（Ｃ）表面）に、加熱接合材料（Ｍ）からなるパターン化物を配置し、更に該パターン化物上に導電性金属板（Ｋ）を配置して、金属微粒子（Ｐ）が焼結する温度の範囲で加熱すると、多価アルコール（Ａ１）が金属微粒子（Ｐ）表面を還元して活性化し、金属微粒子（Ｐ）同士の焼結を促進する。その結果、ナノサイズの金属微粒子を含むペーストを用いた場合と同様に、電極と基板を電気的、機械的に接合することが可能になる。尚、加熱接合材料（Ｍ）を加熱焼結する際、有機分散媒（Ｓ）は分解、蒸発等により除去される。

加熱接合材料（Ｍ）における有機分散媒（Ｓ）／金属微粒子（Ｐ）の割合（質量比）は、パターニングと焼結性を考慮し、安定した接合力を得るためには１０／９０〜７０／３０が望ましいが、シート形状の加熱接合成形体（Ｔ１）、又は加熱接合ペースト状物質（Ｔ２）のいずれを選択するかによって、その割合が決定される。

加熱接合材料（Ｍ）は、公知の混合機、捏和機等を使用して、金属微粒子（Ｐ）を有機分散媒（Ｓ）に分散させることにより得ることができる。加熱接合材料（Ｍ）は、はんだペーストに含まれるような不純物を含まない、高純度の金属微粒子（Ｐ）を使用することが可能であるので、接合強度と導電率を向上することが可能となる。

（１）金属微粒子（Ｐ）
金属微粒子（Ｐ）は、焼結性を有する、平均一次粒子径２ｎｍ〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ１）のみであってもよく、更に該金属微粒子（Ｐ１）に、平均一次粒子径０．５μｍ〜５０μｍの金属微粒子（Ｐ２）を併用することができる。金属微粒子（Ｐ１）としては、銅又は銅合金の微粒子を使うことができる。

加熱接合材料（Ｍ）に使用する金属微粒子（Ｐ）は、はんだペーストの場合と異なり、少なくとも１種以上の高純度銅微粒子をそのまま使用することができるので、接合強度および導電性に優れる接合体を得ることが可能になる。一般に、はんだペーストの場合、実装対象である基板の銅パッド部分の酸化を取り除くためにフラックス（有機成分）を含有しており、更に金属材料に含まれる不純物として少量ではあるがＡｌ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｓ等の金属が含まれることが多い。

（イ）金属微粒子（Ｐ１）
金属微粒子（Ｐ１）は、一次粒子の平均粒子径が２ｎｍ〜５００ｎｍの金属微粒子であれば、特に制限されるものではない。金属微粒子（Ｐ１）の一次粒子の平均粒子径が２ｎｍ未満のものは製造上の困難性を伴い、一次粒子の平均粒子径が５００ｎｍより大きいと、精密な導電パターンを形成することができず、焼成工程が複雑になる。金属微粒子（Ｐ）中の金属微粒子（Ｐ１）は、１０重量％以上１００重量％以下であるのが好ましい。金属微粒子中の金属微粒子（Ｐ１）を１０重量％以上とすることで焼結性を向上させることができる。

（ロ）金属微粒子（Ｐ２）
加熱接合材料（Ｍ）に、一次粒子の平均粒子径が２ｎｍ〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ１）に加えて、一次粒子の平均粒子径０．５μｍ〜５０μｍの金属微粒子（Ｐ２）を分散させて使用することもできる。金属微粒子（Ｐ２）としては、特に制限はないが、金、銀、銅、白金、パラジウム、タングステン、ニッケル、鉄、コバルト、タンタル、ビスマス、鉛、インジウム、錫、亜鉛、チタン、及びアルミニウムから選択される１種もしくは２種以上の微粒子を使用することができ、特に銅が好ましい。

特に金属微粒子（Ｐ）として、平均一次粒子径が２ｎｍ〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ１）に、更に平均一次粒子径が０．５μｍ〜５０μｍの金属微粒子（Ｐ２）を使用すると、金属微粒子（Ｐ２）間に金属微粒子（Ｐ１）が分散して、加熱処理する際に金属微粒子（Ｐ１）の自由な移動を効果的に抑制することができ、前述の金属微粒子（Ｐ１）の分散性と安定を向上するのでその結果、加熱焼成でより均質な粒子径と空孔を有する多孔質体を形成することが可能になる。

金属微粒子（Ｐ２）の平均一次粒子径は、０．５μｍ〜５０μｍが好ましい。金属微粒子（Ｐ２）の平均一次粒子径が０．５μｍ未満では金属微粒子（Ｐ２）の添加効果が発現せず、５０μｍを超えると焼成が困難になるおそれがある。

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銅微粒子の一次粒子の直径の意味である。該一次粒子径は、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。

（２）有機分散媒（Ｓ）
有機分散媒（Ｓ）には、分子中に２以上の水酸基を有する１種または２種以上の多価アルコール（Ａ１）が含まれるが、他の有機溶媒として、アミド基を有する化合物（Ａ２）、アミン化合物（Ａ３）、低沸点有機溶媒（Ａ４）等を含有させることができる。

（イ）多価アルコール（Ａ１）
多価アルコール（Ａ１）としては、分子中に２以上の水酸基を有する、エチレングリコ−ル、ジエチレングリコ−ル、１，２−プロパンジオ−ル、１，３−プロパンジオ−ル、１，２−ブタンジオ−ル、１，３−ブタンジオ−ル、１，４−ブタンジオ−ル、２−ブテン−１，４−ジオール、２，３−ブタンジオ−ル、ペンタンジオ−ル、ヘキサンジオ−ル、オクタンジオ−ル、グリセロール、１，１，１−トリスヒドロキシメチルエタン、２−エチル−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、１，２，３−ヘキサントリオール、１，２，４−ブタントリオール、トレイトール、エリトリト−ル、ペンタエリスリト−ル、ペンチト−ル、１−プロパノール、２−プロパノール、２−ブタノール、２−メチル２−プロパノール、キシリトール、リビトール、アラビトール、ヘキシト−ル、マンニトール、ソルビトール、ズルシトール、グリセリンアルデヒド、ジオキシアセトン、トレオース、エリトルロース、エリトロース、アラビノース、リボース、リブロース、キシロース、キシルロース、リキソース、グルコ−ス、フルクト−ス、マンノース、イドース、ソルボース、グロース、タロース、タガトース、ガラクトース、アロース、アルトロース、ラクト−ス、イソマルト−ス、グルコヘプト−ス、ヘプト−ス、マルトトリオース、ラクツロース、及びトレハロースの中から選択される１種又は２種以上を上げることができる。

これらの多価アルコールは還元性を有するので、金属微粒子（Ｐ）表面が還元され、更に加熱処理を行うことで多価アルコール（Ａ１）が連続的に蒸発し、その液体および蒸気が存在する雰囲気で還元・焼成されると金属微粒子（Ｐ）の焼結が促進される。

尚、加熱接合材料（Ｍ）の焼結性を考慮すると、多価アルコール（Ａ１）が有機分散媒（Ｓ）中に４０質量％以上含有されていることが好ましい。

（ロ）アミド基を有する化合物（Ａ２）
アミド基を有する化合物（Ａ２）としては、Ｎ−メチルアセトアミド、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ−メチルプロパンアミド、ホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、１−メチル−２−ピロリドン、ヘキサメチルホスホリックトリアミド、２−ピロリジノン、ε−カプロラクタム、及びアセトアミドの中から選択される１種又は２種以上を例示することができる。

アミド基を有する化合物（Ａ２）は有機分散媒（Ｓ）中で１０〜８０質量％となるように配合することができる。

（ハ）アミン化合物（Ａ３）
アミン化合物（Ａ３）としては、脂肪族第一アミン、脂肪族第二アミン、脂肪族第三アミン、脂肪族不飽和アミン、脂環式アミン、芳香族アミン、及びアルカノールアミンの中から選択される１種又は２種以上のアミン化合物が挙げられ、その具体例としてはメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、ｎ−プロピルアミン、ジ−ｎ−プロピルアミン、トリ−ｎ−プロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、ジ−ｎ−ブチルアミン、トリ−ｎ−ブチルアミン、ｔ−プロピルアミン、ｔ−ブチルアミン、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、テトラメチレンジアミン、テトラメチルプロピレンジアミン、ペンタメチルジエチレントリアミン、モノ−ｎ−オクチルアミン、モノ−２エチルヘキシルアミン、ジ−ｎ−オクチルアミン、ジ−２エチルヘキシルアミン、トリ−ｎ−オクチルアミン、トリ−２エチルヘキシルアミン、トリイソブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリイソオクチルアミン、トリイソノニルアミン、トリフェニルアミン、ジメチルココナットアミン、ジメチルオクチルアミン、ジメチルデシルアミン、ジメチルラウリルアミン、ジメチルミリスチルアミン、ジメチルパルミチルアミン、ジメチルステアリルアミン、ジメチルベヘニルアミン、ジラウリルモノメチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、メタノールアミン、ジメタノールアミン、トリメタノールアミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、プロパノールアミン、イソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、ブタノールアミン、Ｎ−メチルエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルエタノールアミン、Ｎ−エチルエタノールアミン、Ｎ−エチルジエタノールアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチルエタノールアミン、Ｎ−ｎ−ブチルエタノールアミン、Ｎ−ｎ−ブチルジエタノールアミン、及び２−（２−アミノエトキシ）エタノールの中から選択される１種又は２種以上を挙げることができる。アミン化合物（Ａ３）は有機分散媒（Ｓ）中で０．３〜３０質量％となるように配合することができる。

（ニ）有機溶媒（Ａ４）
有機溶媒（Ａ４）は、常圧における沸点が６０〜１２０℃（沸点は常圧における沸点をいう。以下同じ）で、比較的沸点の低い有機溶媒である。

有機溶媒（Ａ４）としては、分子中に１つのヒドロキシル基を有するアルコール、エーテル、及びケトンから選択される１種または２種以上が好ましい。

前記分子中に１つのヒドロキシル基を有するアルコールとしては、メタノール（６４．７℃）、エタノール（７８．０℃）、１−プロパノール（９７．１５℃）、２−プロパノール（８２．４℃）、２−ブタノール（１００℃）、２−メチル２−プロパノール（８３℃）の中から選択される１種または２種以上を例示することができる。前記エーテルとしては、ジエチルエーテル（３５℃）、メチルプロピルエーテル（３１℃）、ジプロピルエーテル（８９℃）、ジイソプロピルエーテル（６８℃）、メチル−ｔ−ブチルエーテル（５５．３℃）、ｔ−アミルメチルエーテル（８５℃）、ジビニルエーテル（２８．５℃）、エチルビニルエーテル（３６℃）、アリルエーテル（９４℃）の中から選択される１種又は２種以上を例示することができる。また、前記ケトンとしては、アセトン（５６．５℃）、メチルエチルケトン（７９．５℃）、ジエチルケトン（１００℃）の中から選択される１種または２種以上を例示することができる。

有機分散媒（Ｓ）中に低沸点有機溶媒である有機溶媒（Ａ４）が含まれることで、有機分散媒（Ｓ）の粘度を調整してパターン形成の精度を向上することができる。

有機分散媒（Ｓ）中には、有機溶媒（Ａ４）を１〜３０質量％程度配合することができる。

〔２〕チップ電極層
チップ電極層は、チップ（マイクロチップ、Ｓｉチップ、ＩＣチップなど）の裏面に形成された１又は複数の金属層で構成される。接合前のチップ電極層における最表層（第１層）は、その厚さが２０ｎｍ〜２５０ｎｍであり、好ましくは、２０ｎｍ〜２００ｎｍである。なお、後述する実施例では焼結前の最表層の厚さを２００ｎｍに固定して実験を行ったが、焼結前の最表層の厚さは２００ｎｍに限られないのは言うまでもない。

接合前の最表層の厚さは、比較的薄い方が良好であると考えられる。ただし、焼結前の最表層が薄すぎると、最表層にピンホールが生じ、最表層に接する層（第２層）を酸化させてしまうため、実装やウェハレベルのテストにおいて不具合を起こす。このため、最表層の厚さとしては２０〜２００ｎｍが好ましいと考えられる。

最表層は、金、白金、ニッケル又はパラジウムで形成され、金で形成されることが好ましい。また、最表層に接する層は、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｗ，Ｎｉ，Ｔａの単体あるいはその窒化物、又はＴｉＷで形成されるのが好ましい。最表層が金層である場合、該最表層に接する層としては、銅との拡散速度が遅く、バリアメタルとして機能する層が望ましい。最表層に接する層が、バリアメタルではなく、銅や銅の拡散速度が速い材料で形成される場合には、実質的に金層が厚くなったのと同じことになるため好ましくない。なお、この金層やバリアメタルは、スパッタ法又は真空蒸着法で形成されるのが好ましい。

〔３〕接合方法
チップ電極層と基板の接合方法の一例を、図１を用いて説明する。以下、チップ電極層の最表層（第１層）がＡｕ、最表層に接する層（第２層）がＴｉである場合を例に挙げる。

図１（ａ）に示すように、接合は、シート形状の加熱接合材料１を、被着体である基板２と半導体チップ３（チップ６および電極（Ｔｉ層５／Ａｕ層４））の間に配置して積層体とし、この積層体を真空中でプレス可能な装置に導入する。なお、加熱接合材料１がペースト状である場合には、塗布や印刷法を用いることができる。

その後、ヒータを内蔵したプレス板で積層体を３ＭＰａ〜１３ＭＰａ、好ましくは４．５ＭＰａ〜１２ＭＰａの圧力で押圧し、真空引きを行って十分に減圧にする（図１（ｂ））。このとき、積層体に大気圧分の圧力も加えられているので、大気圧を考慮してプレス板の油圧や空圧を調整する。

その後、所定の温度、時間でヒータ板を加熱し、積層体を加熱する（図１（ｂ））。加熱焼結温度が１９０〜３００℃程度に達したら、１０〜４０分間程度保持することが好ましい。その後、プレスを終了し、積層体を取り出す。

このように、基板２、加熱接合材料１およびチップ３を接触させた状態で、加熱・焼結を行うことにより、加熱接合材料１中の銅微粒子（Ｐ）が焼結されて、多孔質状の接合層１’が形成され、被着体同士が接合される（図１（ｃ））。またこのとき、Ａｕ層４は、加熱接合材料１との接触下で加熱・焼結されることにより、Ａｕ−Ｃｕ合金層４’に変化する。なお、本実施形態では積層体を所定圧力下で加熱しているが、積層体を無加圧下で加熱することで接合してもよい。

〔４〕接合後の接続構造体
本接合方法により形成される接合層１’の厚さは、５０μｍ以上５００μｍ以下である。接合層１’の厚さが５０μｍ未満では、導電性金属板（Ｋ）上に大きな熱を発する部品（パワーデバイス）を実装した場合、部品から発生した熱を下の金属板に伝える際の熱抵抗は小さくなるが、接合の信頼性が低下する。一方、５００μｍを越えると、熱抵抗が大きくなるという不都合を生ずる。

また、チップ電極層のＡｕ層４は、上述のように、加熱接合後、銅を含むＡｕ−Ｃｕ合金層４’に変化している。Ａｕ−Ｃｕ合金層４’の厚さは、２００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下であり、好ましくは２００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。また、Ａｕ−Ｃｕ合金層４’と接合層１’との界面において、当該接合層の空孔率が２０％以下であり、好ましくは１７．５％以下、さらに好ましくは１５％以下である。界面での接合層１’の空孔率が２０％を超えると、機械的強度が低下し、接合の信頼性が低下する。なお、空孔率の測定位置は界面に限らず、界面近傍、具体的には当該界面から接合層１’側に３００ｎｍの範囲内であればよい。

また、加熱接合後のＡｕ−Ｃｕ合金層４’における銅は、接合性の観点から５％以上、好ましくは１０％以上含有されるのが好ましい。

次に、実施例により本発明をより具体的に説明する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本実施例、比較例において使用した材料、及び評価方法を以下に記載する。

（実施例１〜４および比較例１）
（１）使用した材料
（イ）加熱接合材料の調製
グリセリン２０ｇからなる分散媒に、平均一次粒子径５０ｎｍの銅微粒子８０ｇを配合し、乳鉢によって十分混合することで加熱接合材料を得た。得られた加熱接合材料をプレスして厚さ０．５ｍｍの加熱接合シート体とし、該加熱接合シート体を切断して、加熱接合成形体を作製した。
（ロ）基板と電子部品
（ｉ）基板
実施例において、基板は調質が半硬質の無酸素銅板を用いた。基板厚さは１．２ｍｍである。
（ii）電子部品
長さ、幅、厚さがそれぞれ７ｍｍ×７ｍｍ×０．２３ｍｍのシリコンチップを準備し、該シリコンチップのエッチング面に、スパッタによりＴｉ／Ａｕ＝１００ｎｍ／２００ｎｍのチップ電極層を形成した。

（２）接合方法
基板と電子部品の間に加熱接合成形体を配置して積層体を作製し、該積層体をチャンバ内に配置した。その後、所定圧力にて積層体を押圧した状態で、真空引きを行ってチャンバ内を十分に減圧した後、加熱接合成形体を加熱および焼結して、基板と電子部品を接合した。また、同様の積層体を複数作製し、焼結時の圧力を変えて、同様の方法で接合を行った。

（３）評価方法
作製したシリコンチップ実装サンプルについて、−５５℃で３０分間と２００℃で３０分間を１サイクルとする冷熱衝撃試験を行った。１００回ごとにサンプルを取り出し、割れ、剥離が無いか目視にて検査し、その後、超音波顕微鏡により観察を行い、２０００回行った時点で、剥離面積が１０％以下である場合を合格、剥離面積が１０％を超えた場合を不合格と判定した。なお、剥離面積は、チップの接続裏面の面積に対する剥離した全面積の割合として算出した。

また、サンプル内部を観察して接合層内の空孔の状態を確認できるように、サンプルを樹脂に埋め込んで樹脂成形体を作製し、樹脂成形体をチップに垂直な方向に切断、研磨して、サンプルの断面を得た。その後、サンプルの断面を、日本電子製のクロスセクションポリッシャにより研磨した。

次に、ＳＥＭにより倍率５０００倍で断面を観察して観察像を得た。この観察像を元に、接合層とチップ電極層におけるＡｕ−Ｃｕ合金層との界面から１００ｎｍ離れた位置（図２の位置Ａ、以下、チップ電極層直下ともいう）で、当該界面と平行に長さ２０μｍの線分を引き、この線分上で空孔に該当する部分の長さの和を計測し、全長で割ることにより、界面近傍の空孔率を求めた。

また、バルク（接合層）の空孔率は、接合層とＡｕ−Ｃｕ合金層との界面から１０μｍ離れた位置（図２の位置Ｂ）に、当該界面と平行に長さ２０μｍの線分を引き、同じ倍率でＳＥＭ観察を行い、空孔率を算出した。

上記評価方法によって評価した結果を表１に示す。また、表１の結果に基づき、チップ電極層直下の空孔率と冷熱衝撃試験の寿命回数の関係、およびチップ電極層におけるＡｕ−Ｃｕ合金層厚さと冷熱衝撃試験の寿命回数との関係を表したグラフを、それぞれ図３（ａ）および図３（ｂ）に示す。

表１および図３の結果から、チップ電極層直下の空孔率が高いほど冷熱衝撃試験の寿命回数が少なく、チップ電極層直下の空孔率が２０％を超えると、信頼性に乏しく実用に耐えないことが分かる。また、焼結後のチップ電極層におけるＡｕ−Ｃｕ合金層厚さが厚いほど信頼性が乏しく、厚さ８５０ｎｍ以上では実用に耐えない。

チップ電極層と加熱接合成形体は、電極層の金と加熱接合成形体の銅微粒子とが反応して、合金化して一体化することにより接合される。そのため、チップ電極層の最表層は、比較的低温で銅と合金化し、広い比率で合金を作る金属からなることが必要である。このような金属としては、金、白金、ニッケル又はパラジウムが存在するが、本実施例のように全率固溶の金が好ましい。

一方、焼成によって銅と金が合金化すると、カーケンダル効果により周辺の銅が金層に移動し、チップ電極層直下に形成される銅層には空孔が発達する。過度の空孔はその部分の機械強度を弱めるため、過度の合金化はかえって信頼性を悪化させる。

焼結後のチップ電極層が厚いほど、周辺の銅がＡｕ−Ｃｕ合金層に集められていることになるので、焼結後のチップ電極層の厚さは、焼結前のチップ電極層における金層厚さ（２００ｎｍ）以上であり、かつ８５０ｎｍ以下がよい。

また、金属微粒子を用いた接合では焼結時に圧力や熱が必要となるが、必要以上の圧力はチップ電極層と加熱接合成形体との界面の合金化を必要以上に促進してしまい、かえって信頼性を乏しくしてしまうと考えられる。ただし、焼結温度に関しては加熱接合材料の還元剤の分解や反応を司っているために変えることができない。

焼結圧力とチップ電極層直下の空孔率との関係を表したグラフを図４に示す。図４において、焼結圧力を低下させると空孔率が低くなっていくことが分かる。焼結圧力を低下させていくとバルクの空孔率と同じになると推察されることから、焼結圧力は３ＭＰａ以上１３ＭＰａ以下がよいことが分かる。

このため、実施例１〜４に示すように、チップ電極層直下の空孔率がバルクの空孔率以上２０％以下であり、チップ電極層の厚さが８５０ｎｍ以下であれば、寿命回数が２０００回を超え、信頼性の高い強固な接合を実現できることが分かる。一方、比較例に示すように、焼結圧力が１３．５ＭＰａを超えると、チップ電極層直下の空孔率がバルクの空孔率以上２０％を超えてしまい、寿命回数が２０００回を下回り、信頼性に劣ることが分かった。

Claims

加熱接合材料を焼結することによって基板と電子部品を接合する接続構造体であって、
前記電子部品に形成された少なくとも１つの電極層と、
前記少なくとも１つの電極層と前記基板との間に配置され、銅を含む焼結体で形成される接合層とを備え、
前記少なくとも１つの電極層のうち、前記接合層と接する第１層が金、白金、ニッケルおよびパラジウムからなる群から選択されるいずれかの材料を含有する銅合金層であり、
前記銅合金層の厚さが２００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下であり、前記銅合金層と前記接合層との界面或いは前記銅合金層と前記接合層との界面から３００ｎｍ以内での当該接合層の空孔率が２０％以下であることを特徴とする接続構造体。
前記銅合金層の厚さが、２００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下であり、前記銅合金層と接合層の界面或いは前記銅合金層と前記接合層との界面から３００ｎｍ以内での当該接合層の空孔率が１７．５％以下であることを特徴とする、請求項１記載の接続構造体。
前記銅合金層の厚さが、２００ｎｍ以上７００ｎｍ以下であり、前記銅合金層と接合層の界面或いは前記銅合金層と前記接合層との界面から３００ｎｍ以内での当該接合層の空孔率が１５％以下であることを特徴とする、請求項１記載の接続構造体。
前記少なくとも１つの電極層が、複数の電極層からなり、
前記第１層と接する第２層が、Ｔｉ，Ｗ，Ｎｉ，Ｔａの単体又はその窒化物からなる、請求項１から３のいずれか１項に記載の接続構造体。
前記接合層の厚さは、５０μｍ以上５００μｍ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項に記載の接続構造体。
前記空孔率は、カーケンダル効果により生じた空孔に基づいて求められることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の接続構造体。