JP6683244B2 - 接合材料及び接合体の製造方法 - Google Patents
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Description
また、特許文献1には、該はんだペーストを用いた接合方法や、電子機器の製造方法が開示されている。
Cu−Ni合金、Cu−Ni−Co合金又はCu−Ni−Fe合金からなる第2金属粉末の割合が5重量%を超えると、加熱時に液体となって流動するSn又はSnを含む合金の割合が相対的に少なくなるため、接合材料の流動性が低下しやすくなる。
第2金属粉末のD90が4μmを超えると、大きい金属間化合物が接合材料中に形成されるため、接合材料の流動性が低下しやすくなる。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
なお、以下において記載する本発明の個々の望ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
本発明の接合材料は、第1金属粉末と、第1金属粉末よりも融点の高い第2金属粉末とを含む。第1金属粉末は、Sn又はSnを含む合金からなり、第2金属粉末は、Cu−Ni合金、Cu−Ni−Co合金又はCu−Ni−Fe合金からなる。
まず、図1(a)に示すように、第1金属粉末1と第2金属粉末2とを含む接合材料10を、第1部材(例えば電極)11と第2部材(例えば電極)12との間に配置する。
次に、この状態で加熱し、接合材料10の温度が第1金属(Sn又はSnを含む合金)の融点以上に達すると、第1金属が溶融する。さらに加熱が続くと、図1(b)に示すように、第1金属と第2金属(Cu−Ni合金、Cu−Ni−Co合金又はCu−Ni−Fe合金)とが反応して金属間化合物3が生成する。
その後、接合材料が冷却されて固化すると、図1(c)に示すように、Sn結晶粒等の第1金属由来の結晶粒4間に金属間化合物3が分散した状態となる。
この金属間化合物3によって結晶粒4の肥大化が抑制される結果、固化後のクラックの発生が抑制されると考えられる。
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。
平均粒径は、体積累積粒度分布曲線における累積度50%粒子径である。より具体的には、横軸に粒子径、縦軸に小径側からの累積頻度をとったグラフ(体積基準の粒径分布)において、全粒子の累積値(100%)に対し、小径側からの体積%の累積値が50%に当たる粒子径が平均粒径(D50)に相当する。D50は、例えば、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置(ベル・マイクロトラック社製MT3300−EX)を使用して測定することができる。
上記表記において、例えば、「Cu−5Ni」は、Niを5重量%含有し、残部をCuとする合金であることを示している。
90%体積粒径D90は、体積累積粒度分布曲線における累積度90%粒子径である。より具体的には、横軸に粒子径、縦軸に小径側からの累積頻度をとったグラフ(体積基準の粒径分布)において、全粒子の累積値(100%)に対し、小径側からの体積%の累積値が90%に当たる粒子径がD90に相当する。D90は、例えば、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置(ベル・マイクロトラック社製MT3300−EX)を使用して測定することができる。
ロジン及びそれを変性した変性ロジン等の誘導体からなるロジン系樹脂の具体的な例としては、ガムロジン、トールロジン、ウッドロジン、重合ロジン、水素添加ロジン、ホルミル化ロジン、ロジンエステル、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性アルキド樹脂、その他各種ロジン誘導体等が挙げられる。
ロジン及びそれを変性した変性ロジン等の誘導体からなる合成樹脂の具体的な例としては、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、フェノキシ樹脂、テルペン樹脂等が挙げられる。
アミンのハロゲン化水素酸塩の具体的な例として、ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、ジフェニルグアニジン塩酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、エチルアミン塩酸塩、エチルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアニリン臭化水素酸塩、ジエチルアニリン塩酸塩、トリエタノールアミン臭化水素酸塩、モノエタノールアミン臭化水素酸塩等が挙げられる。
有機ハロゲン化合物の具体的な例として、塩化パラフィン、テトラブロモエタン、ジブロモプロパノール、2,3−ジブロモ−1,4−ブタンジオール、2,3−ジブロモ−2−ブテン−1,4−ジオール、トリス(2,3−ジブロモプロピル)イソシアヌレート等が挙げられる。
有機酸の具体的な例として、マロン酸、フマル酸、グリコール酸、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸、フェニルコハク酸、マレイン酸、サルチル酸、アントラニル酸、グルタル酸、スベリン酸、アジピン酸、セバシン酸、ステアリン酸、アビエチン酸、安息香酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、ドデカン酸等が挙げられる。
有機アミンの具体的な例として、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、トリブチルアミン、アニリン、ジエチルアニリン等が挙げられる。
多価アルコールの具体的な例として、エリスリトール、ピロガロール、リビトール等が挙げられる。
本発明の接合体の製造方法は、[接合材料]で説明した本発明の接合材料を第1部材と第2部材との間に配置する配置工程と、第1部材と第2部材との間に配置された接合材料を加熱する加熱工程とを含む。接合材料が加熱されることによって、接合材料に含まれる第1金属と第2金属とが反応して金属間化合物が形成され、この金属間化合物を含む接合部を介して第1部材と第2部材とが接合される。
図2(a)、図2(b)及び図2(c)では、電子部品の電極、及び、基板上の電極は省略している。
まず、図2(a)に示すように、電子部品(例えば半導体チップ)21と基板22との間に本発明の接合材料20を配置する。
次に、この状態で加熱することにより、図2(b)に示すように、接合材料に含まれる第1金属と第2金属との金属間化合物を形成し、この金属間化合物を含む接合部30を介して電子部品21を基板22にダイボンドする。
その後、図2(c)に示すように、電子部品21を樹脂23によりモールドする。
図2(c)には示していないが、樹脂23によるモールドの前に、ワイヤボンディング等により電子部品21を基板22の端子と接続することが好ましい。
(実施例1)
実施例1では、第1金属粉末と、第2金属粉末と、フラックスとを混合することにより接合材料ペーストを作製した。
第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を2重量%に変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を5重量%に変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を6重量%に変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を0.05μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を0.1μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%に変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を6μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu−5Ni粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu−20Ni粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu−30Ni粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu−40Ni粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてNi粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu−4Ni−1Co粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu−4Ni−4Co粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu−20Ni−10Co粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu−4Ni−3Fe粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
第2金属粉末としてCu−4Ni粉末を使用し、第1金属粉末の重量に対する第2金属粉末の割合を3重量%、第2金属粉末のD90を4μmに変更したこと以外は、実施例1と同様に接合材料ペーストを作製した。
実施例1〜15及び比較例1〜5の接合材料ペーストについて、以下の方法により流動性及びクラック抑制効果を評価した。
多数個のCu電極パターンを表面に形成したガラスエポキシ基板(配線基板)を準備し、ガラスエポキシ基板上のCu電極パターンの表面に電解めっきを行った。1個のCu電極パターンは、X方向(横方向)が0.8mm、Y方向(縦方向)が1.5mmの矩形形状である。Cu電極パターンがX方向(横方向)に0.8mm間隔で2つあるものを1組のCu電極ペアとし、このCu電極ペアがX方向に1.9mm間隔、Y方向に2.9mm間隔で各10組ずつ配列されている。Cu電極パターンは200個準備されている。つまり、Cu電極ペアが100組準備されている。
続いて、実施例1〜15及び比較例1〜5の接合材料ペーストを基板の実装部に印刷塗布し、その部分に積層セラミックコンデンサ2012サイズ(2.0mm×1.2mm×1.2mm:JEITA規格等参照)を自動チップ搭載装置で基板1枚につき100個載せ、130℃以上180℃以下で70秒予熱し、220℃以上を30秒、ピーク温度245℃の一般的なリフロー条件で実装を行った。
流動性の評価は、基板5枚、つまりチップ数500個でセルフアライメント性を評価することにより行った。リフロー後、X方向又はY方向に0.2mm以上ずれたもの、又は、チップのL方向が基板のX方向から5°以上傾いたものが20個以上であれば不良(×)、10個以上20個未満であれば可(○)、10個未満であれば良(◎)とした。
実施例1〜15及び比較例1〜5の接合材料ペーストを用いて積層セラミックコンデンサを実装したガラスエポキシ基板に対して熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験では、−40℃及び150℃のそれぞれの温度条件で各30分間保持するサイクルを3000回行った。
熱衝撃試験後のサンプルの接合部を光学顕微鏡又は電子顕微鏡で観察し、接合部におけるクラックの有無を確認した。30サンプルについて観察を行い、明瞭なクラックが観察されないサンプルの割合が29/30以上のものを良(◎)、27/30以上のものを可(○)、26/30以下のものを不良(×)とした。
前記流動性およびクラック抑制効果の評価において、クラック抑制効果が良(◎)のもので流動性が良(◎)もしくは可(○)のものを合格(◎)、クラック抑制効果が良(◎)のもので流動性が不良(×)のものを合格(○)、流動性がいかなる評価でも、クラック抑制効果が可(○)のものを合格(○)、流動性がいかなる評価でも、クラック抑制効果が不良(×)のものを不合格(×)とした。結果を表1に示す。
これは、比較例1では、第2金属粉末が極めて微粒であるため、第1金属粉末と反応して形成される金属間化合物も微粒であり、Sn結晶粒の肥大化が進み、クラックの進展を阻止できないためと考えられる。
また、比較例2、3、4及び5では、Cu、Cu−40Ni合金、Ni及びCu−4NiとSnとの反応が極めて遅いため、金属間化合物がほとんど形成されず、Sn結晶粒の肥大化が進み、クラックの進展を阻止できないためと考えられる。
2 第2金属粉末
3 金属間化合物
4 結晶粒
10 接合材料
11 第1部材(電極)
12 第2部材(電極)
20 接合材料
21 電子部品(半導体チップ)
22 基板
23 樹脂
30 接合部
Claims (5)
- 第1金属粉末と、前記第1金属粉末よりも融点の高い第2金属粉末とを含む接合材料であって、
前記第1金属粉末は、Sn又はSnを含む合金からなり、
前記第2金属粉末は、Niの割合が5重量%以上30重量%以下であるCu−Ni合金、Niの割合とCoの割合の総量が5重量%以上30重量%以下であるCu−Ni−Co合金、又は、Niの割合とFeの割合の総量が5重量%以上30重量%以下であるCu−Ni−Fe合金からなり、
前記第2金属粉末の90%体積粒径D90が0.1μm以上4μm以下であることを特徴とする接合材料。 - 前記第1金属粉末の重量に対する前記第2金属粉末の割合が5重量%以下である請求項1に記載の接合材料。
- 第1金属粉末と、前記第1金属粉末よりも融点の高い第2金属粉末とを含む接合材料であって、
前記第1金属粉末は、Sn又はSnを含む合金からなり、
前記第2金属粉末は、Niの割合が5重量%以上30重量%以下であるCu−Ni合金、Niの割合とCoの割合の総量が5重量%以上30重量%以下であるCu−Ni−Co合金、又は、Niの割合とFeの割合の総量が5重量%以上30重量%以下であるCu−Ni−Fe合金からなり、
前記第2金属粉末の90%体積粒径D90が0.1μm以上であり、
前記第1金属粉末の重量に対する前記第2金属粉末の割合が5重量%以下であることを特徴とする接合材料。 - 第1部材と第2部材とが接合された接合体の製造方法であって、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の接合材料を前記第1部材と前記第2部材との間に配置する配置工程と、
前記第1部材と前記第2部材との間に配置された前記接合材料を加熱することにより、前記第1部材と前記第2部材とを接合する加熱工程とを含むことを特徴とする接合体の製造方法。 - 前記第1部材が電子部品の電極、前記第2部材が基板上の電極であり、
前記電子部品が前記基板上に実装された電子機器を製造する請求項4に記載の接合体の製造方法。
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