JP6724979B2 - 接合体 - Google Patents

Description

本発明は、第１部材と第２部材とが接合部を介して接合された接合体に関する。

電子部品の実装の際に用いる導電性材料としては、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ等のはんだ材料が広く用いられてきた。

この用途に用いられる導電性材料として、特許文献１には、第１金属と、第１金属よりも融点が高く、第１金属と反応して金属間化合物を生成する第２金属とからなる金属成分を含む導電性材料が開示されている。特許文献１に記載の導電性材料では、第１金属はＳｎ又はＳｎを７０重量％以上含む合金であり、第２金属はＣｕ−Ｍｎ合金又はＣｕ−Ｎｉ合金であり、第１金属と第２金属とは、３１０℃以上の融点を示す金属間化合物を生成することを特徴としている。特許文献１には、導電性材料がフラックス成分を含み、該導電性材料をソルダペーストとして用いることが開示されている。さらに、特許文献１には、該導電性材料を用いて接続対象物を接続する方法も開示されている。

また、ソルダペーストを用いない接合方法として、特許文献２には、第１の接合対象物と第２の接合対象物とをインサート材を用いて接合する方法が開示されている。第１の接合対象物及び／又は第２の接合対象物は、インサート材を構成する合金よりも融点の低いＳｎ又はＳｎを含む合金から構成される第１金属を有し、インサート材は、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ及びＣｒから選ばれる少なくとも１種と、Ｃｕとを含む合金である第２金属を主成分としている。特許文献２に記載の接合方法では、第１の接合対象物と第２の接合対象物との間に、インサート材を配置した状態で熱処理を行い、第１の接合対象物及び／又は第２の接合対象物が有する第１金属と、インサート材を構成する第２金属との金属間化合物を生成させることにより、第１の接合対象物と第２の接合対象物を接合することを特徴としている。特許文献２には、表面積の小さい板状等の形態でインサート材を供給することが開示されている。

特許文献１及び特許文献２に記載の方法によれば、第１金属（例えばＳｎ）と第２金属（例えばＣｕ−Ｎｉ合金）とが加熱されることによって、第１金属と第２金属とが反応して金属間化合物（例えば（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５）が形成され、この金属間化合物を含む接合部を介して接合対象物が接合される。

特許第５０１８９７８号公報 国際公開第２０１３／１３２９５４号

特許文献１及び特許文献２に記載の方法では、第１金属と第２金属とが速やかに反応することにより融点の高い金属間化合物の形成が促進されるため、融点の低い第１金属の残留量を少なくすることができる。その結果、従来のはんだ材料を用いる方法と比べて接合部の耐熱性を高くすることができる。

しかし、特許文献１及び特許文献２に記載の方法では、従来のはんだ材料を用いる方法と比べて接合部の熱伝導性が低いことが判明した。したがって、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載の方法を用いて電子部品を基板に実装した場合、電子部品で発生した熱が接合部に充分に伝わらず、電子部品に熱がこもってしまうおそれがある。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、耐熱性及び熱伝導性に優れる接合体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の接合体は、第１部材と第２部材とが接合部を介して接合された接合体であって、上記接合部は、第１金属と、上記第１金属よりも融点の高い第２金属との金属間化合物を含み、上記第１金属は、Ｓｎ又はＳｎ合金であり、上記第２金属は、Ｃｕ合金であり、上記第１部材と上記第２部材との間には、上記第２金属を含む伝熱部が存在し、上記第１部材は、上記接合部及び上記伝熱部と接していることを特徴とする。

本発明の接合体では、融点の高い金属間化合物（例えば（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５）を含む接合部を介して第１部材と第２部材とが接合されている。そのため、特許文献１及び特許文献２に記載の方法により得られる接合体と同様に耐熱性を高くすることができる。

さらに、本発明の接合体では、第１部材が、金属間化合物を含む接合部とだけでなく、第２金属を含む伝熱部とも接している。第２金属であるＣｕ合金は、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５等の金属間化合物よりも熱伝導率が高いため、第１部材と伝熱部との間の熱伝導性を高くすることができる。その結果、第１部材側で発生した熱が伝熱部にスムーズに伝わるため、効率良く放熱することができる。

これに対し、特許文献１のようにペーストを用いる方法では、ペーストに含まれる第１金属と第２金属とが速やかに反応して金属間化合物が形成されるため、第１金属及び第２金属の残留量は少ない。したがって、得られる接合体において、第１部材に該当する箇所は金属間化合物と接するものの、第２金属とは接していない。また、特許文献２のようにインサート材を用いる方法では、第１の接合対象物が有する第１金属とインサート材を構成する第２金属とが反応して金属間化合物が形成されるため、インサート材を構成する第２金属と第１の接合対象物との間には金属間化合物が存在する。したがって、仮にインサート材の一部が接合部の内部に残存する場合であっても、得られる接合体において、第１部材に該当する箇所は第２金属とは接していない。

以上のように、本発明の接合体では、第１部材を接合部及び伝熱部の両方と接触させることによって、耐熱性及び熱伝導性を高くすることができる。

本発明の接合体において、上記第１部材と接している上記伝熱部は、上記第２部材とも接していることが好ましい。
伝熱部が第１部材だけでなく第２部材とも接していると、第１部材側で発生した熱が伝熱部を介して第２部材側へスムーズに伝わるため、さらに効率良く放熱することができる。

本発明の接合体において、上記第１部材は、貫通孔を有する伝熱部と接しており、上記貫通孔内に存在する接合部とも接していることが好ましい。
この場合、貫通孔内に存在する接合部によって第１部材を固定できるため、第１部材と接している面積が同じで形状が板状である伝熱部を設ける場合と比べて、第１部材と接合部との接合を強固にすることができる。

本発明の接合体において、上記第１部材は、複数の伝熱部と接しており、複数の伝熱部間に存在する接合部とも接していることが好ましい。
この場合、複数の伝熱部間に存在する接合部によって第１部材を固定できるため、第１部材と接している面積が同じで形状が板状である伝熱部を設ける場合と比べて、第１部材と接合部との接合を強固にすることができる。

本発明の接合体において、上記第２金属は、Ｃｕ−Ｎｉ合金又はＣｕ−Ｍｎ合金であることが好ましい。
Ｃｕ−Ｎｉ合金又はＣｕ−Ｍｎ合金は第１金属と速やかに反応して金属間化合物を形成するため、接合強度を高くすることができる。

本発明の接合体においては、上記第１部材が電子部品の電極、上記第２部材が基板上の電極であることが好ましい。上記電子部品は、半導体チップであることが好ましい。
本発明の接合体は、半導体チップをダイボンドするタイプの半導体装置等の電子機器の構成として特に適している。

本発明によれば、耐熱性及び熱伝導性に優れる接合体を提供することができる。

図１は、本発明の接合体の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の接合体の別の一例を模式的に示す断面図である。 図３は、電子部品が基板上に実装された電子機器の一例を模式的に示す図である。 図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の接合体の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。 図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の接合体の製造方法の別の一例を模式的に示す断面図である。 図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第２金属部材の平面視形状の例を模式的に示す平面図である。 図７は、実施例１の接合体の金属顕微鏡写真である。 図８は、比較例１の接合体の金属顕微鏡写真である。

以下、本発明の接合体について説明する。
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。

図１は、本発明の接合体の一例を模式的に示す断面図である。
図１に示す接合体１は、第１部材（例えば電極）１１と第２部材（例えば電極）１２とが接合部１０を介して接合されてなる。第１部材１１と第２部材１２との間には伝熱部２０が存在し、第１部材１１は、接合部１０及び伝熱部２０の両方と接している。

図１に示すように、第１部材及び第２部材は、いずれも、少なくとも１つの主面を有する板状等の形状を有することが好ましく、伝熱部も、少なくとも１つの主面を有する板状等の形状を有することが好ましい。この場合、第１部材の一主面と第２部材の一主面とが接合部を介して接合される。そして、第１部材の一主面と第２部材の一主面との間に伝熱部が存在し、第１部材の一主面が、伝熱部の一主面と面で接する。具体的には、第１部材と接触する部分の伝熱部の面積を第１部材の一主面の面積よりも小さくすることにより、第１部材の一主面を接合部及び伝熱部の両方に接触させることができる。

図２は、本発明の接合体の別の一例を模式的に示す断面図である。
図２に示す接合体２は、第１部材１１と接している伝熱部２０が第２部材１２とも接している以外は、図１に示す接合体１と同じ構成を有している。

図２のように、伝熱部が第１部材及び第２部材の両方と接する場合、第１部材及び第２部材は、いずれも、少なくとも１つの主面を有する板状等の形状を有することが好ましく、伝熱部は、少なくとも２つの主面を有する板状等の形状を有することが好ましい。図１と同様、第１部材の一主面と第２部材の一主面とが接合部を介して接合される。そして、第１部材の一主面と第２部材の一主面との間に伝熱部が存在し、第１部材の一主面が、伝熱部の一方主面と面で接し、第２部材の一主面が、伝熱部の他方主面と面で接する。具体的には、第１部材と接触する部分の伝熱部の面積を第１部材の一主面の面積よりも小さくすることにより、第１部材の一主面を接合部及び伝熱部の両方に接触させることができ、第２部材と接触する部分の伝熱部の面積を第２部材の一主面の面積よりも小さくすることにより、第２部材の一主面を接合部及び伝熱部の両方に接触させることができる。

本発明の接合体において、接合部は、第１金属（例えばＳｎ）と第２金属（例えばＣｕ−Ｎｉ合金）との金属間化合物（例えば（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５）を含んでいる。
金属間化合物は、融点以上まで加熱されて溶融した第１金属が第２金属と反応することにより生成する。後述するように、接合部は、例えば、第１金属ペーストと第２金属部材とを反応させることにより形成することができる。

第１金属は、Ｓｎ又はＳｎ合金であり、例えば、Ｓｎ単体、又は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ及びＰからなる群より選ばれる少なくとも１種とＳｎとを含む合金が挙げられる。中でも、Ｓｎ、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−０．７５Ｃｕ、Ｓｎ−５８Ｂｉ、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が好ましい。
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。

第２金属は、Ｃｕ合金であり、例えば、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｍｎ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金又はＣｕ−Ｃｒ合金が挙げられる。これらの中では、Ｃｕ−Ｎｉ合金又はＣｕ−Ｍｎ合金が好ましい。
Ｃｕ−Ｎｉ合金は、Ｎｉの割合が５重量％以上３０重量％以下であるＣｕ−Ｎｉ合金が好ましく、例えば、Ｃｕ−５Ｎｉ、Ｃｕ−１０Ｎｉ、Ｃｕ−１５Ｎｉ、Ｃｕ−２０Ｎｉ、Ｃｕ−２５Ｎｉ、又は、Ｃｕ−３０Ｎｉが挙げられる。Ｃｕ−Ｎｉ合金には、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金等のように第３成分を含む合金も含まれる。
Ｃｕ−Ｍｎ合金は、Ｍｎの割合が５重量％以上３０重量％以下であるＣｕ−Ｍｎ合金が好ましく、例えば、Ｃｕ−５Ｍｎ、Ｃｕ−１０Ｍｎ、Ｃｕ−１５Ｍｎ、Ｃｕ−２０Ｍｎ、Ｃｕ−２５Ｍｎ、又は、Ｃｕ−３０Ｍｎが挙げられる。
Ｃｕ−Ａｌ合金は、Ａｌの割合が５重量％以上１０重量％以下であるＣｕ−Ａｌ合金が好ましく、例えば、Ｃｕ−５Ａｌ、又は、Ｃｕ−１０Ａｌが挙げられる。
Ｃｕ−Ｃｒ合金は、Ｃｒの割合が５重量％以上１０重量％以下であるＣｕ−Ｃｒ合金が好ましく、例えば、Ｃｕ−５Ｃｒ、又は、Ｃｕ−１０Ｃｒが挙げられる。
なお、第２金属は、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ等のようにＭｎ及びＮｉを同時に含んでいてもよく、また、Ｐ等の第３成分を含んでいてもよい。
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。Ｍｎについても同様である。

接合部に金属間化合物が含まれていることは、接合体の断面を金属顕微鏡を用いて観察することによって簡易的に確認することができる。詳細には、接合部に対して、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）等による組成分析と、微小部Ｘ線回折等による結晶構造解析とを行うことによって、接合部に含まれる金属が（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５等の金属間化合物であることを確認することができる。

接合部の耐熱性を確保する観点から、接合部には第１金属が残留していないことが好ましいが、接合体が２４０℃程度に加熱されても再溶融しなければ、接合部に第１金属が残留していてもよい。

本発明の接合体において、伝熱部は、第２金属を含んでいる。第２金属としては、接合部で説明したＣｕ合金が挙げられる。
後述するように、伝熱部は、例えば、接合部を形成する際に用いる第２金属を第１金属と反応させずに残存させることにより形成することができる。そのため、伝熱部を構成する第２金属は、接合部を構成する金属間化合物に含まれる第２金属と同じ金属元素を含むことが好ましい。

伝熱部に第２金属が含まれていることは、接合体の断面を金属顕微鏡を用いて観察することによって簡易的に確認することができる。詳細には、伝熱部に対して、ＥＤＸ等による組成分析を行うことによって、伝熱部に含まれる金属がＣｕ−Ｎｉ合金等の第２金属であることを確認することができる。

伝熱部は、第２金属であるＣｕ合金のみからなることが好ましいが、Ｃｕ合金の表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ又はこれらの金属を含む合金からなるめっき層が形成されていてもよい。上記めっき層を構成する金属は第２金属であるＣｕ合金とは反応せず、第１部材と伝熱部との間に金属間化合物が形成されないため、熱伝導性が低下するおそれがない。

伝熱部は、第１部材と接している限り、他の部分が接合部から露出していてもよいが、接合部の内部に存在することが好ましい。すなわち、図１に示すように、伝熱部の第１部材と接していない部分は、接合部と接していることが好ましい。また、図２に示すように、伝熱部が第２部材とも接している場合には、伝熱部の第１部材及び第２部材と接していない部分は、接合部と接していることが好ましい。

伝熱部が第１部材と接する形態は特に限定されず、第１部材と線又は点で接していてもよいが、図１及び図２に示すように、第１部材と面で接することが好ましい。また、伝熱部が第２部材とも接する場合においても、伝熱部が第２部材と接する形態は特に限定されず、第２部材と線又は点で接していてもよいが、図２に示すように、第２部材と面で接することが好ましい。伝熱部が第１部材又は第２部材と面で接すると、第１部材又は第２部材との接触面積が大きくなるため、熱伝導性を高くすることができる。

伝熱部の形状も特に限定されず、例えば、板状、柱状、メッシュ状、箔状、線状（ワイヤ状）、球状、粉状等が挙げられる。これらの中では、第１部材又は第２部材と面で接することができる板状、柱状、メッシュ状又は箔状が好ましい。

伝熱部は、貫通孔及び／又は切り欠き部を有していることが好ましく、貫通孔を有していることがより好ましい。１つの伝熱部に設けられる貫通孔の数は、１つでもよいし、複数でもよい。同様に、１つの伝熱部に設けられる切り欠き部の数は、１つでもよいし、複数でもよい。１つの伝熱部が、貫通孔及び切り欠き部の両方を有していてもよい。
伝熱部が貫通孔及び／又は切り欠き部を有していると、貫通孔内及び／又は切り欠き部に接合部が存在することになる。したがって、貫通孔内及び又は切り欠き部に存在する接合部によって第１部材を固定できるため、第１部材と接している面積が同じで形状が板状である伝熱部を設ける場合と比べて、第１部材と接合部との接合を強固にすることができる。

第１部材と第２部材との間には、伝熱部が１つだけ存在していてもよいが、複数の伝熱部が存在することが好ましい。複数の伝熱部が存在すると、複数の伝熱部間に接合部が存在することになる。したがって、複数の伝熱部間に存在する接合部によって第１部材を固定できるため、第１部材と接している面積が同じで形状が板状である伝熱部を設ける場合と比べて、第１部材と接合部との接合を強固にすることができる。

なお、複数の伝熱部が存在する場合、すべての伝熱部が第１部材と接していることが好ましいが、第１部材と接していない伝熱部が存在してもよい。また、複数の伝熱部が第２部材と接している場合、すべての伝熱部が第２部材とも接していることが好ましいが、第２部材と接している伝熱部と第２部材と接していない伝熱部が混在していてもよい。

また、複数の伝熱部が貫通孔及び／又は切り欠き部を有する場合、すべての伝熱部が貫通孔及び／又は切り欠き部を有している必要はなく、貫通孔も切り欠き部も有しない伝熱部が存在してもよく、貫通孔を有する伝熱部と切り欠き部を有する伝熱部とが混在していてもよい。

本発明の接合体においては、第１部材が電子部品の電極、第２部材が基板上の電極であることが好ましい。電子部品としては、例えば、半導体チップ（ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ショットキーバリアダイオード、ＬＥＤ等）、コンデンサ、インダクタ、サーミスタ、抵抗器、バリスタ、その他チップ状の積層フィルタ等が挙げられ、これらの中では半導体チップが好ましい。
本発明の接合体は、半導体チップをダイボンドするタイプの半導体装置等の電子機器の構成として特に適している。なお、第２部材は電極箔であってもよい。

図３は、電子部品が基板上に実装された電子機器の一例を模式的に示す図である。図３では、電子部品の電極、及び、基板上の電極は省略している。
図３に示す電子機器３０では、半導体チップ等の電子部品３１が、金属間化合物を含む接合部１０を介して基板３２にダイボンドされている。電子部品３１と基板３２との間には伝熱部２０が存在し、電子部品３１は、接合部１０及び伝熱部２０の両方と接している。さらに、電子部品３１は、樹脂３３によってモールドされている。なお、図３には示していないが、電子部品３１は、ワイヤボンディング等によって基板３２の端子と接続されていることが好ましい。

本発明の接合体において、第１部材が電子部品の電極、第２部材が基板上の電極である場合、第１部材である電子部品の電極の表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ又はこれらの金属を含む合金からなるめっき層が形成されていてもよい。電極側から１層目がＮｉ、２層目がＡｕであるＮｉ／Ａｕめっき層、電極側から１層目がＮｉ、２層目がＰｄ、３層目がＡｕであるＮｉ／Ｐｄ／Ａｕめっき層等の複数層からなるめっき層が形成されていてもよい。第１部材である電子部品の電極の表面に上記めっき層が形成されている場合、めっき層を構成する金属は第２金属であるＣｕ合金とは反応せず、第１部材と伝熱部との間に金属間化合物が形成されないため、熱伝導性が低下するおそれがない。
同様に、第２部材である基板上の電極の表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ又はこれらの金属を含む合金からなるめっき層が形成されていてもよい。Ｎｉ／Ａｕめっき層、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕめっき層等の複数層からなるめっき層が形成されていてもよい。第２部材である基板上の電極の表面に上記めっき層が形成されている場合、めっき層を構成する金属を含有する金属間化合物が基板と接合部との界面に形成される可能性があるが、接合体の特性に影響するものではない。
また、第２部材である基板上の電極の表面には、Ｓｎ又はＳｎ合金からなるめっき層が形成されていてもよい。めっき層を構成するＳｎ又はＳｎ合金は、金属間化合物の形成に寄与するものの、通常、めっき層の厚みは接合部の厚みに比べて非常に小さいため、めっき層が接合体の特性に与える影響は小さい。一方、第１部材である電子部品の電極の表面には、Ｓｎ又はＳｎ合金からなるめっき層が形成されていないことが好ましい。
なお、第１部材が電子部品の電極、第２部材が基板上の電極である場合に限らず、第１部材及び第２部材の表面には、上述のめっき層がそれぞれ形成されていてもよい。

本発明の接合体において、第１部材及び／又は伝熱部にめっき層が形成されている場合、Ｓｎを含有する金属間化合物がＣｕ合金と第１部材との間に形成されていなければ、「第１部材は伝熱部と接する」と考えることができる。

本発明の接合体において、第１部材及び第２部材は、電極等の板状体に限定されるものではなく、例えば、第１部材がＣｕ線等の金属線、第２部材が基板上の電極又は電子部品の電極等であってもよい。また、本発明の接合体は、電子機器以外の接合体であってもよい。

本発明の接合体は、好ましくは、以下のように製造される。
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の接合体の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。図４Ａ〜図４Ｄは、図１に示す接合体１を製造する方法の一例であり、第１部材１１及び第２部材１２として板状体を使用している。

まず、図４Ａに示すように、第１金属を含むペースト（以下、第１金属ペーストという）１Ａを第２部材１２の上面に塗布する。
第１金属ペーストは、第１金属とフラックスとを含み、例えば、市販のソルダペーストを用いることができる。塗布方法としては、例えば、スクリーン印刷、ディスペンサーによる塗布等の方法が挙げられる。

次に、図４Ｂに示すように、第２金属からなる部材（以下、第２金属部材という）２Ａを第１金属ペースト１Ａ上に載置する。図４Ｂでは、第２金属からなる板状体を第１金属ペースト１Ａ上に載置している。
後述するように、第１部材１１の底面を第１金属ペースト１Ａ及び第２金属部材２Ａの両方と接触させるため、第１部材と接触する部分の第２金属部材の面積は、第１部材の底面の面積よりも小さい。

続いて、図４Ｃに示すように、第１金属ペースト１Ａ及び第２金属部材２Ａの両方と接するように、第１金属ペースト１Ａ及び第２金属部材２Ａ上に第１部材１１を載置する。

その後、第２金属部材２Ａが第１部材１１と接した状態で加熱する。加熱は、第１部材及び第２部材を加圧した状態で行うことが好ましい。温度が第１金属（例えばＳｎ）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４Ｄに示すように、第１金属と第２金属（例えばＣｕ−Ｎｉ合金）とが反応して金属間化合物（例えば（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５）が生成し、接合部１０となる。また、未反応の第２金属が伝熱部２０となって残存し、第１部材１１の底面と接することになる。以上により、接合体１を製造することができる。

図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の接合体の製造方法の別の一例を模式的に示す断面図である。図５Ａ〜図５Ｄは、図２に示す接合体２を製造する方法の一例である。
図５Ａ〜図５Ｄに示す方法では、図４Ａ〜図４Ｄに示す方法で用いたものよりも厚い第２金属部材２Ａを第１金属ペースト１Ａ上に載置し（図５Ｂ参照）、第２金属部材２Ａが第１部材１１及び第２部材１２の両方と接した状態で加熱する（図５Ｃ及び図５Ｄ参照）。加熱は、第１部材及び第２部材を加圧した状態で行うことが好ましい。未反応の第２金属が伝熱部２０となって残存し、第１部材の底面及び第２部材の上面の両方と接することになる。以上により、接合体２を製造することができる。

図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第２金属部材の平面視形状の例を模式的に示す平面図である。図６（ａ）〜図６（ｆ）では、第２部材１２の上面に塗布した第１金属ペースト１Ａ上に第２金属部材２Ａ〜２Ｆを載置した状態の平面図を示している。
第２金属部材の平面視形状は特に限定されず、図６（ａ）に示す第２金属部材２Ａのような四角形をはじめとする多角形であってもよいし、図６（ｂ）に示す第２金属部材２Ｂのような円形であってもよい。また、図６（ｃ）に示す第２金属部材２Ｃ、図６（ｄ）に示す第２金属部材２Ｄ及び図６（ｅ）に示す第２金属部材２Ｅのように、１又は複数の貫通孔を有する形状であってもよい。貫通孔に代えて、あるいは、貫通孔に加えて、１又は複数の切り欠き部を有する形状であってもよい。さらに、図６（ｆ）に示す第２金属部材２Ｆのように、複数の部材からなってもよい。これらの中では、第２金属部材の平面視形状は、１又は複数の貫通孔及び／又は切り欠き部を有する形状であることが好ましく、１又は複数の貫通孔を有する形状であることがより好ましい。また、複数の部材からなることも好ましい。いずれの形状であっても、第１部材と接合部との接合を強固にすることができるだけでなく、第１金属と第２金属との反応箇所が多くなるため、第１金属の残留率を低くすることができる。

第２金属部材の形状は板状に限定されず、例えば、柱状、メッシュ状、箔状、線状（ワイヤ状）、球状、粉状等であってもよい。これらの中では、板状、柱状、メッシュ状、又は箔状が好ましい。上記形状の第２金属部材を用いると、粉状の第２金属部材を用いる場合よりも未反応の部分を伝熱部として多く残すことができるため、熱伝導性を向上することができる。

第１部材の形状が板状である場合、第１部材と接触する部分の面積が、第１部材の底面の面積よりも小さい第２金属部材を使用する。この場合、加熱後に形成される接合部と第１部材とが接合されるだけでなく、加熱前も第１金属ペーストの粘着力によって第１部材がずれることなく保持される。

一方、第１部材と接触する部分の第２金属部材の面積が小さすぎると、未反応の第２金属が伝熱部として残存しにくくなり、熱伝導性向上の効果が充分に得られなくなる。そのため、第１部材と接触する部分の第２金属部材の面積は、第１部材の底面の面積の３２％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましい。また、第１部材と接触する部分の第２金属部材の面積は、第１部材の底面の面積の９０％以下であることが好ましく、８０％以下であることがより好ましい。

以上のように、第１金属ペースト及び第２金属部材を用いる場合、第１金属粉末及び第２金属粉末を含むペーストを用いる場合に比べて、緻密な接合部を得ることができる。ペーストを用いる場合、第１金属粉末と第２金属粉末とが反応すると、第１金属の流動によって金属間化合物が形成されるため、加熱前に第１金属の粒子が存在していた箇所に空隙（ボイド）が形成されてしまう。これに対し、板状等の第２金属部材を用いると、ペースト中の第１金属の粒子は第２金属部材に被覆されて一体化するため、空隙がほとんど形成されず、緻密な接合部となる。

さらに、第１金属ペーストを塗布した後に第２金属部材を載置する方法では、第１金属ペーストがフラックス成分を含有しているため、従来のはんだ箔やはんだクラッドを用いる方法のようにフラックスのみを塗布する工程を別途行う必要がない。したがって、接合体の製造工程を簡略化することができる。

以下、本発明の接合体をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。

［接合体の作製］
（実施例１）
（１）ソルダペーストの印刷
第２部材としてのＣｕ板（厚み２００μｍ）上に、市販のソルダペースト（ＳＡＣ３０５：Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ）をスクリーン印刷により塗布した。印刷サイズは５ｍｍ角とし、メタル版厚み０．１ｍｍで印刷した。

（２）Ｃｕ合金板の実装
Ｃｕ合金板として、長さ４．５ｍｍ×幅４．５ｍｍ×厚み０．１ｍｍのＣｕ−１０Ｎｉ板をソルダペーストの中央部に実装した。

（３）チップの実装
第１部材として、厚み３００μｍ、５ｍｍ角のＳｉチップをソルダペーストの中央部に実装した。なお、Ｓｉチップの接合部分にはＡｕめっき処理を施した。

（４）加熱
窒素雰囲気にて、２６０℃で５分間、１０ＭＰａで加圧して加熱した。以上により、実施例１の接合体を得た。

（実施例２〜実施例５、比較例１及び比較例２）
Ｃｕ−１０Ｎｉ板の厚みを０．１ｍｍに固定し、長さ及び幅を表１に示す値に変更した以外は、実施例１と同様に接合体を作製し、実施例２〜実施例５、比較例１及び比較例２の接合体を得た。なお、実施例５、比較例１及び比較例２では、板中央部に１ｍｍ×１ｍｍサイズの貫通孔を有するＣｕ−１０Ｎｉ板を用いた。

表１に、実施例１〜実施例５、比較例１及び比較例２の接合体を作製する際に印刷したソルダペーストのサイズ、Ｃｕ合金板の成分及びサイズ、Ｃｕ合金の接触面積比率、並びに、Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｃｕ合金）の重量比率をまとめて示す。

［接合体の評価］
（接合体の断面観察）
得られた接合体の断面を金属顕微鏡を用いて観察し、接合部及び伝熱部の成分を特定した。表１に、接合部及び伝熱部の成分を示す。表１中、ＩＭＣは金属間化合物を意味する。

図７は、実施例１の接合体の金属顕微鏡写真であり、図８は、比較例１の接合体の金属顕微鏡写真である。
図７に示す実施例１の接合体では、第１部材であるＳｉチップと第２部材であるＣｕ板との間に、金属間化合物（ＩＭＣ）を含む接合部と、Ｃｕ−Ｎｉ合金を含む伝熱部とが確認できる。一方、図８に示す比較例１の接合体では、第１部材であるＳｉチップと第２部材であるＣｕ板との間に、金属間化合物（ＩＭＣ）を含む接合部のみが確認できる。

（接合強度）
得られた接合体のシアー強度を、ボンディングテスタを用いて測定し、接合強度を評価した。シアー強度の測定は、横押し速度：０．１ｍｍ・ｓ^−１、室温の条件下で行った。
シアー強度が５Ｎ以上のものを○（良）、５Ｎ未満のものを×（不可）と評価した。表１に、接合強度の値と評価結果を示す。

（熱伝導性）
得られた接合体を室温の実験台に置き、さらに、Ｓｉチップの上に、予め１８０℃に加温したＳＵＳ板（１０ｍｍ角×１ｍｍ厚）を載せて、３分間放置した。その後、加温したＳＵＳ板を取り除き、３０秒間放冷した。放冷後、Ｓｉチップ上部の表面温度を表面温度計で計測した。表面温度が低いほど放熱性に優れるため、熱伝導性に優れると言える。
Ｓｉチップ上部の表面温度が１３０℃以下のものを○（良）、１３０℃を超えるものを×（不可）と評価した。表１に、表面温度の値と評価結果を示す。

（総合判定）
接合強度及び熱伝導性の評価結果がすべて○のものを○（良）、１つでも×があるものを×（不可）とした。表１に、総合判定の結果を示す。

表１より、実施例１〜実施例５、比較例１及び比較例２の接合体は、いずれも充分な接合強度を有していることが確認された。

さらに、金属間化合物（ＩＭＣ）を含む接合部とＣｕ合金（Ｃｕ−１０Ｎｉ）を含む伝熱部との両方に第１部材が接している実施例１〜実施例５の接合体は、熱伝導性に優れていることが確認された。
これに対し、Ｃｕ合金板のサイズが小さい比較例１及び比較例２の接合体では、Ｃｕ合金を含む伝熱部が形成されず、熱伝導性が充分でないことが確認された。なお、比較例２の接合体では、Ｓｎが残留しているため、耐熱性も充分でないと考えられる。

（実施例６〜実施例８及び比較例３）
Ｃｕ−１０Ｎｉ板の長さを４．０ｍｍ、幅を３．５ｍｍに固定し、厚みを表２に示す値に変更した以外は、実施例１と同様に接合体を作製し、実施例６〜実施例８及び比較例３の接合体を得た。
得られた接合体について、上記と同じ方法で評価した。表２に、各評価結果を示す。

表２より、Ｃｕ合金板の厚みを変更した場合であっても、金属間化合物を含む接合部とＣｕ合金を含む伝熱部との両方に第１部材が接している実施例６〜実施例８の接合体は、実施例１〜実施例５の接合体と同様、熱伝導性に優れていることが確認された。
一方、Ｃｕ合金板の厚みが小さい比較例３の接合体では、Ｃｕ合金を含む伝熱部が形成されず、比較例２の接合体と同様、熱伝導性が充分でないことが確認された。また、Ｓｎが残留しているため、耐熱性も充分でないと考えられる。

１，２ 接合体
１Ａ 第１金属ペースト
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ 第２金属部材
１０ 接合部（金属間化合物を含む接合部）
２０ 伝熱部（第２金属を含む伝熱部）
１１ 第１部材（電極）
１２ 第２部材（電極）
３０ 電子機器
３１ 電子部品（半導体チップ）
３２ 基板
３３ 樹脂

Claims (6)

1. 第１部材と第２部材とが接合部を介して接合された接合体であって、
   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、
   前記接合部は、第１金属と、前記第１金属よりも融点の高い第２金属との金属間化合物を含み、
   前記第１金属は、Ｓｎ又はＳｎ合金であり、
   前記第２金属は、Ｃｕ合金であり、
   前記第１部材と前記第２部材との間には、前記第２金属を含む伝熱部が存在し、
   前記第１部材は、前記接合部及び前記伝熱部と接していることを特徴とする接合体。
2. 前記第１部材と接している前記伝熱部は、前記第２部材とも接している請求項１に記載の接合体。
3. 前記第１部材は、貫通孔を有する伝熱部と接しており、前記貫通孔内に存在する接合部とも接している請求項１又は２に記載の接合体。
4. 前記第１部材は、複数の伝熱部と接しており、複数の伝熱部間に存在する接合部とも接している請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合体。
5. 前記第２金属は、Ｃｕ−Ｎｉ合金又はＣｕ−Ｍｎ合金である請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合体。
6. 前記電子部品は、半導体チップである請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合体。

Images