JP6374072B1 - 接合構造部 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属間化合物および金属母相を含み、金属体または合金体を接合している接合構造部であって、前記金属間化合物は、SnおよびCuを含み、前記金属母相は、Sn−Cu合金および空隙を含み、前記接合構造部に対する前記空隙の体積比率が、5%〜50%である接合構造部によって上記課題を解決した。
【選択図】図3
Description
しかし、金属間化合物は脆いという弱点があり、この問題点を解決すれば、更に高い耐熱性、接合強度及び機械的強度を有する接合材を提供できることになる。
すなわち本発明は、以下の通りである。
前記金属間化合物は、SnおよびCuを含み、
前記金属母相は、Sn−Cu合金および空隙を含み、
前記接合構造部に対する前記空隙の体積比率が、5%〜50%である、
ことを特徴とする接合構造部。
2.前記接合構造部が、Al、Ni、Si、Ag、Au、Pt、B、Ti、Bi、In、Sb、Ga、Zn、CrおよびCoから選択された少なくとも1種の金属を含むことを特徴とする前記1に記載の接合構造部。
3.前記接合構造部は、前記金属間化合物を3〜85体積%含むことを特徴とする前記1または2に記載の接合構造部。
4.前記金属間化合物および前記金属母相が、エンドタキシャル接合してなることを特徴とする前記1〜3のいずれかに記載の接合構造部。
5.前記金属母相および前記金属体または合金体が、エピタキシャル接合してなることを特徴とする前記1〜4のいずれかに記載の接合構造部。
6.前記1〜3のいずれかに記載の接合構造部を有する、半導体装置。
本発明の接合構造部は、SnおよびCuを含む金属間化合物とSn−Cu合金を含む金属母相とを含み、前記金属母相中に空隙が特定範囲で存在しているため、温度変化による上記結晶状態の変態が起きても空隙にて応力吸収が行われ、金属間化合物及び金属母相への応力衝撃が緩和される。また、本発明の接合構造部は、金属間化合物による高温耐熱性を有し、空隙を含む金属母相によって高い柔軟性をも兼ね備える。したがって、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、優れた接合強度および機械的強度を維持することができる。
また、本発明の接合構造部は、前記金属間化合物および前記金属母相が、エンドタキシャル接合を形成し得る。エンドタキシャル接合は、Sn−Cu合金を含む金属母相中に金属間化合物が溶融時に反応析出し固化時に金属母相との結合した状態で発現し、両者が格子間レベルで接合している形態である。このようなエンドタキシャル接合によって、両者の接合強度を非常に高く保つことができ、金属間化合物の脆さを克服できる。
さらに、本発明の接合構造部は、前記金属母相および前記金属体または合金体が、エピタキシャル接合を形成し得る。エピタキシャル接合とは、下地の金属または合金体(例えば電極)界面上に結晶成長が行われ、下地の結晶面と、金属母相のSn−Cu合金とが結晶面同士で接合している状態を意味する。エピタキシャル接合によって、電極界面の結晶構造が安定し、その結果、本発明の接合構造部は、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械強度が維持されることになる。
このように本発明によれば、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、優れた接合強度および機械的強度を維持できる接合構造部を提供することができる。
先に、本明細書において使用する用語について、次の通りに定義しておく。
(1)金属というときは、金属元素単体のみならず、複数の金属元素を含む合金、金属間化合物のコンポジット構造、又それらの組み合わせを含むことがある。
(2)ナノとは、1μm(1000nm)以下の大きさをいう。
(3)金属母相とは、その他の成分を用いてバルク化したときに、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。
(4)エント゛タキシャル接合構造とは、金属、合金となる物質中に他(金属間化合物)の物質が存在してなおかつ、対象となる物質間との結晶格子レベルでの接合状態にて結晶粒を構成する構造(例えば合金間、金属間、金属間化合物間)である。
そこで本発明者は検討を重ねた結果、シランカップリング剤がコーティングされたCu粒子と、下記で説明する特定の金属粒子とを用い、金属母相に空隙を存在させ、また好適には前記金属間化合物および前記金属母相間のエンドタキシャル接合と、前記金属母相および前記金属体または合金体間のエピタキシャル接合とを共に形成させることにより、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、優れた接合強度および機械的強度を維持できる接合構造部を提供できることを見出した。
一般的にシランカップリング剤は、水分により加水分解されてシラノールとなり、部分的に縮合してオリゴマー状態となる。この反応に続き、シランカップリング剤は無機質表面(金属表面)に水素結合などにより吸着する。その後、乾燥させることにより脱水縮合反応を起こし強固な化学結合を形成する。
本発明者の検討によれば、Cu粒子表面にシランカップリング剤の層を形成し、加熱過程での蒸散成分をTG-DTA分析すると、140℃付近までの領域では水などの揮発性成分による減量が起こり、250℃を超える領域ではシランカップリング剤の縮合が、そしてさらに高温の領域ではシリカ粒子に結合している有機成分の分解による減量が生じることが分かった。更にEGA分析を行うと、高温域でのシランカップリング剤の熱分解ではベンゼンが生じていることが確認された。これまで、コーティング剤としてのシランカップリング剤の構造が壊れて蒸散が起きるのは180℃〜190℃の温度領域とされてきたが、本発明者の検討では、シランカップリング剤の昇温時の変化は、次のようになることが判明した。
140℃以下:水などの揮発成分蒸散が起きる。
250℃以上400℃未満:脱水縮合が生じる。
400℃以上:シランカップリング剤が分解し、ベンゼンが生成する。
なお、250℃以上での「脱水縮合」はシランカップリング剤の塗布乾燥処理時に形成される基本機能であったはずであるが、それが250℃以上の温度暴露において再度現れるということは、シランカップリング剤の塗布乾燥処理では脱水縮合前の状態(水素結合によるカップリング剤吸着状態)が一定以上存在することを示している。即ち、IMC-TLPS処理温度領域(250-300℃)ではCu粒子表面には水酸基が多く残留している状態であり、それらが介在することにより上記のようなガス生成を可能にしている。なお本発明者の検討によれば、シランカップリング剤の使用量を適切に設定することにより、金属母相中の空隙量を制御することができることが見出された。
また、シランカップリング剤は、乾燥過程において近傍のCu或いはSnと反応し、微小CuO/Cu2O、 SnOとして接合領域内に分散される。残余の気体成分は空隙(マイクロボイド)として接合領域全体のCTE(線膨張係数)を低減させる。また、Siは4Cu96Sn領域(CuSn10)に取り込まれ、既にある4Cuと共にSn格子間距離を縮小する作用を持ち、IMCコロニーと4Cu96Sn領域(CuSn10)との格子間距離の整合に寄与する(エピタキシャル性)。
例えば次のような条件が挙げられる。
皿形回転ディスク4:内径60mm、深さ3mmの皿形ディスクを用い、毎分8万〜10万回転とする。
粒状化室1:供給する雰囲気ガス温度を15〜50℃とする。粒状化室1内の酸素濃度を0ppm以下とする。粒状化室1内の気圧を1×10−1Pa以下とする。
これら条件により製造された金属粒子の粒径は、例えば直径20μm以下であり、典型期には2μm〜10μmである。
あるいは、前記各材料を用いて接合構造部を効率的に形成するため、例えば、前記各材料を有機ビヒクル中に混在させた導電性ペーストを形成する。
そして、接合すべき2つの部材の一方の面にこの導電性ペーストを塗布し、焼成(焼き付け処理)することで接合構造部が形成される。焼き付け処理温度は、例えば250℃であり、焼き付け処理時間は適宜調整される。
直径約5μmのCu粒子に対し、シランカップリング剤として信越化学工業(株)製KBM-1403を用い、0.3質量%水溶液を調製し、Cu粒子:該水溶液の体積比を1:1として混合し、ドライスプレーで乾燥することによりCu粒子にシランカップリング剤をコーティングした。また、Cu粒子表面の酸素量は、800ppmであった。
原材料として8Cu・92Snを用い、図5に示す製造装置により、直径約3〜10μmの金属粒子を製造した。
その際、溶融金属を急速冷却固化させ、強制的に自己組織化させる際に適用される条件としては、以下の条件を採用した。
皿形回転ディスク4:内径60mm、深さ3mmの皿形ディスクを用い、毎分8万〜10万回転とした。
粒状化室1:供給する雰囲気ガス温度を30〜50℃とし、粒状化室1内の酸素濃度を00ppm以下とし、粒状化室1内の気圧を1×10−1Paとした。
図3(a)において、接合構造部300は、対向配置された基板(図示せず)に形成された金属/合金体101、501(図1ではCu電極)を接合している。接合構造部300は、金属間化合物および空隙を含有する金属母相(淡色)を含み、金属間化合物は、SnおよびCuからなり(例えばCu6Sn5(その他Cu3Sn)、濃色)、金属母相はSn−Cu合金を含む。金属母相には、図3(b)から平均直径18μmの空隙が存在することが判明した。
また、接合構造部において、前記金属間化合物は61体積%含まれていた。
図6Aおよび図6Bから、金属母相のSn−Cu合金(淡色部)が、Cu電極(濃色部)とエピタキシャル接合していることが認められた。
2 蓋
3 ノズル
4 皿形回転ディスク
5 回転ディスク支持機構
6 粒子排出管
7 電気炉
8 混合ガスタンク
9 配管
10 配管
11 弁
12 排気装置
13 弁
14 排気装置
15 自動フィルター
16 微粒子回収装置
120 金属間化合物
140 金属母相
101,501 金属/合金体
300 接合構造部
Claims (5)
- 金属間化合物および金属母相を含み、金属体または合金体を接合している接合構造部であって、
前記金属間化合物は、SnおよびCuを含み、
前記金属母相は、Sn−Cu合金および空隙を含み、
前記接合構造部に対する前記空隙の体積比率が、5%〜50%である、
ことを特徴とする接合構造部。 - 前記接合構造部は、前記金属間化合物を3〜85体積%含むことを特徴とする請求項1に記載の接合構造部。
- 前記金属間化合物および前記金属母相が、エンドタキシャル接合してなることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の接合構造部。
- 前記金属母相および前記金属体または合金体が、エピタキシャル接合してなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の接合構造部。
- 請求項1または2に記載の接合構造部を有する、半導体装置。
Priority Applications (1)
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JP2017170833A JP6374072B1 (ja) | 2017-09-06 | 2017-09-06 | 接合構造部 |
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