JP6369640B2 - 接合用部材、および、接合用部材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電子部品を基板に接合する際などに用いられる接合用部材、および、接合用部材の製造方法に関するものである。
本願の出願人は、低融点金属と高融点金属とを含む、ペースト状の接合用部材を開発している（例えば、特許文献１参照）。該接合用部材は、所定温度に加熱されると、低融点金属が溶融して高融点金属と反応し、低融点金属よりも高い融点の金属間化合物を生成する。金属間化合物が生成される際には、低融点金属や高融点金属が減少したり、バインダなどの添加剤が蒸発・気化したりするので、この接合用部材から形成される接合部は、多くのボイドを含む多孔質なものになる。
一方、多孔質ではなく緻密な構造の接合部を得ることができる接合用部材（例えば特許文献２参照）も従来から開発されている。該接合用部材は、低融点金属からなる金属箔に挟んだ高融点金属の粒子を圧延または熱プレスすることにより、高融点金属の粒子同士を結着させ、シート状に成形されている。該接合用部材から形成される接合部は、金属箔の低融点金属が溶融して金属間化合物のボイドを埋めるため、ほとんどボイドが残存しない緻密な構造を得ることができる。なお、接合部にあえて金属粒子を残留させることにより、接合部の最小の厚みを大きくして接合対象部品のスタンドオフ高さを確保する場合もある（例えば特許文献３参照）。
特許文献１のような接合用部材から形成された多孔質な接合部では、強度、特にシアー強度が低下する恐れがある。一方、特許文献２のような接合用部材では、高融点金属の粒子が塑性変形した状態で互いに結着しているために、低融点金属が溶融する際に高融点金属と接触する面積が非常に小さく、金属間化合物の生成反応の速度が遅いものになる。このことによって、該接合用部材から形成される接合部は、高融点金属が残存する不均質な構造となってしまう。高融点金属が残存した不均質な構造の接合部では、異種金属間での金属拡散反応の速度差から、時間経過に伴って接合部内に微小なカーケンダルボイドが形成されてしまう。そして、カーケンダルボイドが成長することによって接合部の破壊が引き起こされる恐れがある。
そこで、接合用部材から形成される接合部を緻密かつ均質な構造とするためには、特許文献１のようなペースト状の接合用部材を低融点金属からなる金属箔に塗布して塗膜とし、その塗膜を更に別の金属箔で挟み込む構成とすることが有効と考えられる。
しかしながら、上記のような構成の場合、金属箔と塗膜との間がファンデルワールス力等の弱い接着力でしか接合されず、金属箔が剥離し易くなってしまう。
そこで、本発明の目的は、緻密かつ均質な構造の接合部を容易に得ることができ、金属箔が剥離し難い接合用部材と、その接合用部材の製造方法とを提供することにある。
本発明に係る接合用部材は、第１金属体を含む第１層と、第２金属体を含む第２層と、前記第１層と前記第２層との間に設けられた第３層と、を備え、前記第３層は、前記第１金属体の融点および前記第２金属体の融点よりも高い融点を有する第３金属体の粒子と、前記第３金属体の粒子が分散した膜材と、前記第１金属体と前記第３金属体との反応および前記第２金属体と前記第３金属体との反応で形成される金属間化合物と、を含み、前記第１金属体と前記第３金属体との間および前記第２金属体と前記第３金属体との間は、前記金属間化合物を介して接合されている。
本発明においては、第１金属体、第２金属体、第３金属体の用語は、それぞれ金属元素を指すものではなく、固溶体または金属間化合物である合金あるいは単体の金属元素からなる金属体を指す用語と定義する。
この構成では、第１層と第２層とに挟まれる第３層で、第３金属体の粒子が膜材に分散しているので、この接合用部材から接合部を形成する際に、第３金属体の表面に第１金属体または第２金属体が溶融して接触する面積を増大させられる。これにより、金属間化合物の生成反応の速度が向上し、接合用部材から形成される接合部にほとんど第３金属体が残存しなくなり、接合部の均質性が高まる。
また、接合用部材から接合部を形成する際に、第３金属体の粒子を含む第３層にボイドが形成されても、そのボイドを第１金属体や第２金属体が溶融して埋めるので、接合部の緻密性が高まる。
また、第１金属体や第２金属体と第３金属体との間が金属間化合物を介して接合するので、第１層や第２層が第３層から剥がれ難くなる。
なお、前記膜材は、フラックスを含むことが好ましい。これにより、接合用部材から接合部が形成される際に、第３金属体の粒子表面の酸化膜を除去して、金属間化合物の生成反応の速度を向上させられる。したがって、接合用部材から形成される接合部に第３金属体が更に残存しにくくなる。
また、前記第３金属体の粒子の平均粒径（Ｄ９０）は、０．１μｍ以上４５μｍ以下であることが好ましい。このことによっても、粒子の中心部まで金属間化合物にすることができ、接合用部材から形成される接合部に第３金属体が更に残存しにくくなる。
また、前記第１金属体は、Ｓｎ純金属またはＳｎ合金であり、前記第２金属体は、Ｓｎ純金属またはＳｎ合金であり、前記第３金属体は、Ｃｕ−Ｎｉ合金またはＣｕ−Ｍｎ合金であることが好ましい。これにより、金属間化合物の生成反応の速度を特に向上させることができ、接合用部材から形成される接合部に第３金属体が更に残存しにくくなる。
また、前記第３層は、更に、Ｓｎ純金属またはＳｎ合金の粒子を含むことが好ましい。これにより、第３層において、第１層や第２層に近接する領域だけでなく、それらの間の領域でも、金属間化合物の形成が促進され、第１層と第２層とを第３層から更に剥がれ難くすることができる。
また、本発明に係る接合用部材の製造方法では、第１金属体を含む第１箔と、第２金属体を含む第２箔と、前記第１金属体の融点および前記第２金属体の融点よりも高い融点を有する第３金属体の粒子を膜材中に分散させたペーストと、を準備し、前記第１箔と前記第２箔とのうち少なくとも一方に前記ペーストを塗布し、前記第１箔と前記第２箔との間に前記ペーストを挟み、前記第１箔と前記第２箔とのうち少なくとも一方を、前記第１金属体および前記第２金属体の融点よりも低い温度に加熱し、前記第３金属体の粒子の表面近傍を前記第１金属体または前記第２金属体と反応させて金属間化合物を形成する。
なお、前記金属間化合物を形成する際は、前記第１箔と前記第２箔との間に圧力をかけて、前記第１箔と前記第２箔とを塑性変形させることが好ましい。これにより、第１箔や第２箔と第３金属体の粒子との接触面積が増し、更に金属間化合物の生成反応の速度を向上させられる。
また、前記ペーストを準備する際に前記膜材中に分散される前記第３金属体の粒子の平均粒径（Ｄ９０）は、０．１μｍ以上５５μｍ以下であることが好ましい。これにより、接合用部材の状態における第３金属体の粒子の平均粒径（Ｄ９０）を、前述した数値範囲に設定することが容易になる。
本発明によれば、接合用部材において、接合用部材から接合部を形成する際に、第１金属体や第２金属体が溶融してボイドを埋めるとともに、第３金属体の粒子表面に第１金属体または第２金属体が接触することができる面積が増大するので、緻密性と均一性の高い接合部が得られる。また、第１金属体や第２金属体と第３金属体との間が金属間化合物を介して接合するので、第１層や第２層が第３層から剥がれ難くなる。
以下、本発明の第１実施形態に係る接合用部材と、その接合用部材の製造方法について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る接合用部材１の斜視図である。図２は、接合用部材１の模式的な断面図である。図３（Ａ）は接合用部材１のサンプル断面を視た顕微鏡画像である。
接合用部材１は、パッケージ２と収容体３とを備えている。
パッケージ２は、第１箔２１と第２箔２２とを備えている。第１箔２１と第２箔２２とは、それぞれ厚みが薄く可撓性を有し、厚み方向から視て矩形状である。厚み方向から視た第１箔２１の外縁部と第２箔２２の外縁部とは互いに貼り合わさっている。
第１箔２１は、接合用部材１における第１層に相当するものである。また、第２箔２２は、接合用部材１における第２層に相当するものである。そして、第１箔２１は、第１金属体で全体が構成されている。第１金属体は、例えばＳｎ純金属またはＳｎ系合金である。また、第２箔２２は第２金属体で全体が構成されている。第２金属体は、例えばＳｎ純金属またはＳｎ系合金である。Ｓｎ系合金は、例えば、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−５Ａｇ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−０．７５Ｃｕ、Ｓｎ−５８Ｂｉ、Ｓｎ−５２Ｉｎ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ、Ｓｎ−５Ｓｂ、Ｓｎ−２Ａｇ−０．５Ｃｕ−２Ｂｉ、Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ａｇ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８Ｉｎ、Ｓｎ−９Ｚｎ、又は、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉが挙げられる。
上記表記において、例えば、「Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ」は、Ａｇを３重量％、Ｃｕを０．５重量％含有し、残部をＳｎとする合金であることを示している。
なお、第１金属体の組成と第２金属体の組成とは、互いに同じであってもよく、それぞれ異なっていてもよい。また、第１金属体と第２金属体とは、後述する第３金属体との関係を満足するならば、上記の例示した組成に限られない。なお、図３（Ａ）に示すサンプルにおいては、第１箔２１および第２箔２２として、厚み１００μｍで純度９９．９％のＳｎ純金属（Ｓｎ箔：株式会社ニラコ）を利用している。
収容体３は、接合用部材１における第３層に相当するものである。収容体３は、例えば、第１箔２１や第２箔２２の厚みの半分程度の厚み（例えば５０μｍ）で、パッケージ２の内部に設けられる。
収容体３は、金属粒子３１と膜材３２と金属間化合物３３，３４とを備える。金属粒子３１は、膜材３２および金属間化合物３３，３４に埋まった状態で、収容体３に分散している。より具体的には、図３（Ａ）に示すように、金属間化合物３３は、収容体３の第１箔２１に近接する第１領域４１に集中して分布している。金属間化合物３４は、収容体３の第２箔２２に近接する第２領域４２に集中して分布している。膜材３２は、収容体３の第１領域４１と第２領域４２とに挟まれる第３領域４３に集中して分布している。そして、金属粒子３１は、第１領域４１においては金属間化合物３３に囲まれるように分布し、第２領域４２においては金属間化合物３４に囲まれるように分布し、第３領域４３においては膜材３２に囲まれるように分布している。
金属粒子３１は、第３金属体で全体が構成されている。第３金属体は、前述した第１金属体および第２金属体よりも融点が高く、第１金属体および第２金属体と反応して金属間化合物を生成するものである。例えば第３金属体は、Ｃｕ系合金の金属体である。Ｃｕ系合金は、例えば、Ｃｕ−１０Ｎｉ合金、その他、Ｎｉの割合が５〜２０重量％であるＣｕ−Ｎｉ合金、または、Ｍｎの割合が５〜２０重量％であるＣｕ−Ｍｎ合金、あるいは、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等である。これらのうち、Ｃｕ−Ｎｉ合金とＣｕ−Ｍｎ合金とは、Ｓｎ純金属やＳｎ系合金と金属間化合物を生成する際の反応速度が高く、特に好ましい材料である。なお、第３金属体は、前述した第１金属体および第２金属体よりも融点が高く、第１金属体および第２金属体と反応して金属間化合物を生成するものであれば、その他の金属体であってもよい。さらに、第３金属体は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｚｎ等の第３成分を含んでいてもよい。ただし、第３金属体は第１金属体や第２金属体と共通する金属元素、特にＳｎ、を含まないことが望ましい。なお、図３（Ａ）に示すサンプルにおいては、金属粒子３１として、Ｃｕ−１０Ｎｉ合金の粒子を利用している。該金属粒子３１の出発原料粉の状態での平均粒径（Ｄ９０）は約５３μｍであり、当該顕微鏡画像上での画像解析による平均粒径（Ｄ９０）は約４２μｍである。なお、平均粒径の定義については後述する。
金属間化合物３３，３４は、第１金属体または第２金属体が第３金属体と反応して生成されるものであって、第１金属体および第２金属体よりも融点が高いものである。金属間化合物３３，３４は、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ系合金である。より具体的には、金属粒子３１がＣｕ−Ｎｉ合金である場合には、金属間化合物３３，３４は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５、Ｃｕ４Ｎｉ２Ｓｎ５、Ｃｕ５ＮｉＳｎ５、（Ｃｕ，Ｎｉ）３Ｓｎ、Ｃｕ２ＮｉＳｎ、ＣｕＮｉ２Ｓｎ等である。また、金属粒子３１がＣｕ−Ｍｎ系合金である場合には、金属間化合物３３，３４は、（Ｃｕ，Ｍｎ）６Ｓｎ５、Ｃｕ４Ｍｎ２Ｓｎ５、Ｃｕ５ＭｎＳｎ５、（Ｃｕ，Ｍｎ）３Ｓｎ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、ＣｕＭｎ２Ｓｎ等である。
膜材３２は、少なくとも、接合用部材１から接合部を形成する時に、第１金属体や第２金属体、第３金属体などと反応することにより消失する材料や、熱によって蒸発や分解する材料からなる。例えば膜材３２は、フラックスを含む。膜材３２がフラックスを含むことで、接合用部材１から接合部を形成する時に、金属粒子３１や金属間化合物３３，３４、第１箔２１、第２箔２２の表面酸化膜を除去して効率的に反応させることができる。また、フラックスを含むことで、膜材３２に適度な粘性を付与することができ、膜材３２の塗布後、フラックスが溶融するまでの間、金属粒子３１同士の結着性を高める効果や、膜材３２の第１金属体や第２金属体との付着性を高める効果を発揮することができる。フラックスとしては、天然ロジン、水素化ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、不飽和二塩基酸変性ロジン、アクリル酸変性ロジンなどのロジン誘導体等、またはこれらの混合材など適宜のロジン材料を採用することができる。なお、図３（Ａ）に示すサンプルにおいては、重合ロジン（Ｒ−９５：株式会社荒川化学工業）を利用し、Ｃｕ−１０Ｎｉ合金と重合ロジンとの重量比を９０：５となるようにしている。
また、膜材３２は、フラックスの反応を促進する活性剤を含んでもよい。活性剤としては、モノカルボン酸（例えば、ギ酸、酢酸、ラウリン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、安息香酸など）、ジカルボン酸（例えば、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フタル酸など）、ブロモアルコール類（例えば、１−ブロモー２−ブタノールなど）、有機アミンのハロゲン化水素酸塩類、ブロモアルカン類、ブロモアルケン類、ベンジルブロマイド類、ポリアミン類、塩素系活性剤など適宜の活性剤材料を採用することができる。また、膜材３２は、必要に応じて、樹脂、チクソ材、熱硬化樹脂、酸化防止剤、難燃剤、分散剤、レベリング剤、消泡剤、艶消し剤、可塑剤などの有機系添加剤などが配合されていてもよい。また、膜材３２は、ボイドを含んでいてもよい。
なお、接合用部材１には、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｚｎ等が含まれていてもよい。これらの添加形態は、金属粒子３１や膜材３２、金属間化合物３３，３４、第１箔２１、第２箔２２に含有される不純物としてであってもよく、それらとは別に、添加される金属粉や金属被膜等としてであってもよい。また、それらは金属錯体や金属化合物の形態で含まれていてもよい。
以上のような構成を有する本実施形態の接合用部材１において、第１箔２１と金属粒子３１との間、および、第２箔２２と金属粒子３１との間は、金属間化合物３３，３４を介して接合されている。より具体的には、第１箔２１と金属間化合物３３との間、金属間化合物３３と金属粒子３１との間、第２箔２２と金属間化合物３４との間、および、金属間化合物３４と金属粒子３１との間が、金属結合を主として強く結合している。
図３（Ｂ）は、比較対象としての接合用部材のサンプル断面を示す顕微鏡画像である。比較対象に係る接合用部材は、製造時に加熱せずに第１箔２１および第２箔２２を収容体３に圧着させたものであり、金属間化合物が形成されていない構成例となっている。このような場合、第１箔２１と金属粒子３１との間、および、第２箔２２と金属粒子３１との間は、ファンデルワールス力やアンカー効果によって接合することになるが、その接着力は、金属結合による接着力よりも弱いものになる。
したがって、本実施形態に係る接合用部材１は、比較対象に係る接合用部材のように金属間化合物３３，３４が形成されない場合に比べて、第１箔２１や第２箔２２が剥がれ難くなっている。
次に、本実施形態に係る接合用部材１の製造方法について説明する。図４は、本実施形態に係る接合用部材１の製造方法を示すフローチャートである。図５（Ａ），図５（Ｂ），図５（Ｃ）は、接合用部材１の製造過程を示す模式図である。
本実施形態に係る接合用部材１の製造方法は、図４に示すように、準備工程Ｓ１と、塗布工程Ｓ２と、積層工程Ｓ３と、加熱工程Ｓ４とを順に行う。
準備工程Ｓ１では、互いに分離した状態の第１箔２１および第２箔２２と、収容体３となるペーストと、を準備する。ペーストは、膜材３２（フラックスを含む）に溶剤を添加して粘度を低下させ、金属粒子３１を混練したものである。すなわち、当該ペーストは、金属粒子３１を膜材３２中に分散させたものである。なお、前述のサンプルにおいては、溶剤としてヘキシルジグリコールを利用し、Ｃｕ−１０Ｎｉ合金と重合ロジンと溶剤との重量比を９０：５：５となるようにしている。
塗布工程Ｓ２では、図５（Ａ）に示すように、第１箔２１と第２箔２２とのそれぞれの一方面に、ドクターブレード法等を用いてペーストを塗布し、熱風オーブンやリフロー炉等で加熱して溶剤を蒸発させることで、ペーストを乾燥させて塗膜３５を得る。
なお、この工程は、第１箔２１と第２箔２２との融点（前述のサンプルで示したＳｎ純金属であれば２３１．９℃）や、フラックスが軟化する温度（前述のサンプルで示した重合ロジンであれば１００℃前後）よりも低い温度、例えば９０℃程度で行うことが望ましい。
積層工程Ｓ３では、図５（Ｂ）に示すように、第１箔２１の塗膜３５を設けた側の面と、第２箔２２の塗膜３５を設けた側の面とを向かい合わせ、それぞれの塗膜３５を間に挟んだ状態で、第１箔２１と第２箔２２とを積層する。なお、この際、第１箔２１と第２箔２２との外縁部は、接着剤を用いたり、熱により溶着させたりして、直接接合させるとよい。
加熱工程Ｓ４では、熱風オーブンやリフロー炉、ホットプレート等で、第１箔２１と第２箔２２とペースト３５との積層体を加熱する。この際の加熱温度は、塗膜３５に含まれるフラックスが溶融する温度（前述のサンプルで示した重合ロジンであれば１６０℃前後）よりも高温で、第１箔２１と第２箔２２との融点（前述のサンプルで示したＳｎ純金属であれば２３１．９℃）よりも低温とすることが好ましい。例えば、加熱温度を２００〜２２０℃として、１分間程度、加熱するようにするとよい。少なくとも膜材３２の一部が加熱後に残存するような加熱温度および加熱時間を設定することが好ましい。
すると、図５（Ｃ）に示すように、第１箔２１近傍の金属粒子３１に第１箔２１を構成する第１金属体の一部が反応し、第１箔２１近傍の金属粒子３１の表面およびその周囲に金属間化合物３３が形成される。また、第２箔２２近傍の金属粒子３１に第２箔２２を構成する第２金属体の一部が反応し、第２箔２２近傍の金属粒子３１の表面およびその周囲に金属間化合物３４が形成される。
これにより、前述したように第１箔２１と金属粒子３１との間、および、第２箔２２と金属粒子３１との間が、金属間化合物３３，３４を介して強固に接合され、第１箔２１や第２箔２２が剥がれにくくなる。
この加熱工程は、更に好ましくは、第１箔２１と第２箔２２と収容体３とを、厚み方向に押し潰すように加圧して第１箔２１と第２箔２２とを塑性変形させるとよい。例えば、この際の圧力は、前述のサンプルで示した構成であれば５０ｋＮ（１２５ＭＰａ相当）とするとよい。このように加圧することで、第１箔２１や第２箔２２に金属粒子３１の一部が埋まるようにし、接触面積を増やして金属間化合物３３，３４の生成速度と生成量とを増すことができる。よって、より強固な接合を実現できる。
これらの工程Ｓ１〜Ｓ４を経て、本実施形態の接合用部材１は製造される。なお、上記の製造方法においては、塗材を、ペースト状態から塗膜化する例を示したが、例えば塗材をペースト状態のまま、金属箔の間に積層するようにしてもよい。また、加熱の方法は上記した例示の他、遠赤外線加熱や高周波誘導加熱等によって実現してもよい。また、加熱雰囲気は、大気中、真空中、Ｎ２、Ｈ２、ギ酸等のガス中のいずれであってもよい。
上記した製造方法で製造された接合用部材１は、電子部品の電極を基板の電極に接合する際などに用いられる。具体的には、接合対象となる対向する電極それぞれにフラックス等を塗布し、それらの対向する電極間に接合用部材１が配置される。そして、接合用部材１が第１金属体および第２金属体の融点を超える温度に加熱される。このようにして、接合用部材１が溶融および硬化して接合部５が形成され、対向する電極間が接合部５を介して接合されることになる。
ここで、接合用部材１から接合部５が形成される際に生じる反応について説明する。
図６（Ａ）は、接合用部材１の加熱前の状態を示す模式図である。図６（Ｂ）は、加熱により第１金属体および第２金属体が溶融し始めた状態を示す模式図である。
図６（Ｂ）に示すように、接合用部材１を第１金属体および第２金属体の融点を超える温度に加熱すると、第１箔２１、第２箔２２、および、膜材３２が溶融する。これにより、膜材３２に含まれるフラックスが、膜材３２中に分散している金属粒子３１の表面酸化膜を除去する。膜材３２はこのようにして消費されるとともにガス化し、膜材３２にボイド３６が形成される。このボイド３６には、第１箔２１および第２箔２２の融液が流れ込む。
図６（Ｃ）は、ボイド３６に流れ込んだ第１箔２１および第２箔２２の融液により金属間化合物が生成される状態を示す模式図である。図６（Ｃ）に示すように、ボイド３６に流れ込んだ第１箔２１および第２箔２２の融液は、金属粒子３１の表面に濡れ広がり、液相拡散接合（「ＴＬＰ接合：ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ ＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ」）によって、金属粒子３１の表面近傍を金属間化合物に変質させる。また、ボイド３６に流れ込んだ第１箔２１および第２箔２２の融液にも、金属粒子３１を組成する金属元素が拡散し、やはり金属間化合物に変質する。このようにして膜材３２は更に消費され、金属粒子３１の中心部分を残して収容体３が金属間化合物に変質していく。
図６（Ｄ）は、接合用部材１の加熱を更に一定時間維持した状態を示す模式図である。接合用部材１が加熱環境下におかれている間は、液相拡散接合が進展し、金属粒子３１の中心付近も金属間化合物に変質する。そして、第１箔２１および第２箔２２の融液のうち、金属間化合物の生成反応に消費されない余剰分は、膜材３２の残滓などとともに、接合対象の電極間から側方などに流出する。これにより、接合対象の電極間には、接合用部材１における収容体３と同程度の厚みで、ほぼ全体が金属間化合物からなる接合部５が形成される。図７は、本実施形態に係る接合用部材１から形成される接合部５により、接合対象の電極６間を接合させたサンプル断面を示す顕微鏡画像である。該サンプルでは、ほぼ全体が金属間化合物からなる接合部５が形成されている。
以上のような反応を経て、本実施形態の接合用部材１から接合部５が形成される。この反応の過程では、前述したように第１箔２１および第２箔２２の融液がボイド３６に流れ込むので、接合用部材１から形成される接合部５のほぼ全体を、ボイド３６が埋まった緻密な構造とすることができる。
また、前述したように第１箔２１および第２箔２２から多量の融液が供給されることで、金属粒子３１の第３金属体を金属間化合物に変質させるために必要な分量の第１金属体および第２金属体が供給される。また、金属粒子３１が膜材３２および金属間化合物３３，３４中に分散して存在していたことにより、第１金属体および第２金属体の融液が金属粒子３１に接触する面積が広く、金属間化合物の生成反応が効率的に進む。すなわち、金属間化合物の生成反応の速度が向上する。したがって、接合用部材１から形成される接合部５のほぼ全体を、金属間化合物からなる均質な構造とすることができる。
なお、上記した接合用部材１において、第１金属体および第２金属体と第３金属体との配合比は、重量比で５０：５０〜９９：１の範囲内であることが好ましい。これは、第３金属体の配合量が多すぎると、接合用部材１から形成される接合部５に、未反応の第３金属体成分が残存して均質な構造でなくなる恐れや、接合部が多孔質状になって緻密な構造でなくなる恐れがあるためである。
また、上記した接合用部材１において、金属粒子３１の平均粒径（Ｄ９０）は、０．１μｍ以上４５μｍ以下であることが好ましい。この発明での平均粒径（Ｄ９０）は、サンプル断面の顕微鏡画像における金属粒子（例えば、５０個程度）の粒度分布を解析して得られる、積算値９０％での粒径を意味する。なお、接合用部材１における金属粒子３１の平均粒径は、接合用部材１を製造する前の材料段階での金属粒子３１の平均粒径よりも小さくなるため、上記した数値範囲は、接合用部材１を製造する前の材料段階（準備工程Ｓ１）においては金属粒子３１の平均粒径（Ｄ９０）が０．１μｍ以上５５μｍ以下であることに相当する。なお、材料段階における金属粒子３１の平均粒形（Ｄ９０）は、レーザ回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値９０％での粒形に相当する。金属粒子３１の平均粒径が上記した数値範囲の下限値よりも小さいと、金属粒子３１の表面積の割合が増加することにより多くの表面酸化物が形成されてしまい、第１金属体や第２金属体の溶融液との濡れ性が低下して反応が抑制されてしまう。また、金属粒子３１の平均粒径が、上記した数値範囲の上限値よりも大きいと、金属粒子３１の中心部が金属間化合物に変化しにくくなる。これらのことによっても、やはり、接合用部材１から形成される接合部５に、未反応の第３金属体成分が残存して均質な構造でなくなる恐れや、接合部が多孔質状になって緻密な構造でなくなる恐れがある。
本実施形態に係る接合用部材１では、均質な構造の接合部５が得られるために、接合部５の内部で異種金属間の拡散速度の差によって生じるカーケンダルボイドが発生しにくく、カーケンダルボイドの成長によって接合部５に破断や亀裂が生じる危険性が低い。また、本実施形態に係る接合用部材１では、緻密な構造の接合部５が得られるために、接合対象を強固に接合することができる。
次に、第２の実施形態に係る接合用部材について説明する。
図８（Ａ）は、第２の実施形態に係る接合用部材１Ａの模式的な断面図である。図８（Ａ）は接合用部材１Ａのサンプル断面を視た顕微鏡画像である。
接合用部材１Ａは、第１箔２１と第２箔２２と収容体３Ａとを備えている。収容体３Ａは、第１の金属粒子３１と第２の金属粒子３１Ａと膜材３２と金属間化合物３３，３４とを備える。第２の金属粒子３１Ａは、第４の金属体で全体が構成されている。第４の金属体は、第１箔２１と第２箔２２と同種の金属材料、例えばＳｎ純金属やＳｎ系合金からなる。
この構成では、第２の金属粒子３１Ａの周辺でも、第２の金属粒子３１Ａと第１の金属粒子３１とが反応することによって金属間化合物３５Ａの生成が促進される。したがって、収容体３Ａは、第１箔２１に近接する領域から第２箔２２に近接する領域にかけて、金属間化合物３３，３４，３５Ａが連続して繋がって、厚み方向の全体が金属結合を主として強く結合する。したがって、第２の実施形態に係る接合用部材１Ａによれば、第１の実施形態よりも更に、第１箔２１や第２箔２２が剥がれ難くなる。
以上の各実施形態に示したように、本発明は実施することができるが、各実施形態での説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１…接合用部材
２…パッケージ
３…収容体
５…接合部
６…電極
２１…第１箔
２２…第２箔
３１…金属粒子
３２…膜材
３３，３４…金属間化合物
３５…ペースト
３６…ボイド
４１…第１領域
４２…第２領域
４３…第３領域
２…パッケージ
３…収容体
５…接合部
６…電極
２１…第１箔
２２…第２箔
３１…金属粒子
３２…膜材
３３，３４…金属間化合物
３５…ペースト
３６…ボイド
４１…第１領域
４２…第２領域
４３…第３領域
Claims (8)
- Ｓｎ純金属またはＳｎ系合金である第１金属体からなる第１層を構成する第１箔と、
Ｓｎ純金属またはＳｎ系合金である第２金属体からなる第２層を構成する第２箔と、
前記第１箔と前記第２箔との間に設けられた第３層と、を備え、
前記第１箔の外縁部と前記第２箔の外縁部とは互いに貼り合わされていて、
前記第３層は、
前記第１金属体の融点および前記第２金属体の融点よりも高い融点を有する、Ｃｕ−Ｎｉ系合金またはＣｕ−Ｍｎ系合金である第３金属体の粒子と、
前記第３金属体の粒子が分散した膜材と、
前記第１金属体または前記第２金属体と前記第３金属体との反応で形成される金属間化合物と、を含み、
前記第１層と前記第３金属体の粒子との間および前記第２層と前記第３金属体の粒子との間は、前記金属間化合物を介して接合されている、
接合用部材。 - 前記第３金属体の粒子の一部は前記第１箔と前記第２箔の少なくとも一方に埋まっている、
請求項１に記載の接合用部材。 - 前記膜材は、フラックスを含む、
請求項１または２に記載の接合用部材。 - 前記第３金属体の粒子の平均粒径（Ｄ９０）は、０．１μｍ以上４５μｍ以下である、
請求項１から３のいずかに記載の接合用部材。 - 前記第３層は、更に、Ｓｎ純金属またはＳｎ系合金の粒子を含む、
請求項１から４のいずれかに記載の接合用部材。 - 第１金属体を含む第１箔と、第２金属体を含む第２箔と、前記第１金属体の融点および前記第２金属体の融点よりも高い融点を有する第３金属体の粒子を膜材中に分散させたペーストと、を準備し、
前記第１箔と前記第２箔とのうち少なくとも一方に前記ペーストを塗布し、
前記第１箔と前記第２箔との間に前記ペーストを挟み、
前記第１箔の外縁部と前記第２箔との外縁部とを直接接合し、
前記第１箔と前記第２箔とのうち少なくとも一方を、前記第１金属体および前記第２金属体の融点よりも低い温度に加熱し、前記第３金属体の粒子の表面近傍を前記第１金属体または前記第２金属体と反応させて金属間化合物を形成する、
接合用部材の製造方法。 - 前記金属間化合物を形成する際は、前記第１箔と前記第２箔との間に圧力をかけて、前記第１箔と前記第２箔とを塑性変形させる、
請求項６に記載の接合用部材の製造方法。 - 前記ペーストを準備する際に前記膜材中に分散される前記第３金属体の粒子の平均粒径（Ｄ９０）は、０．１μｍ以上５５μｍ以下である、
請求項６または７に記載の接合用部材の製造方法。
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