JP6898509B1 - Joint layer structure - Google Patents
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Abstract
【課題】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層構造部を提供する。【解決手段】電気電子機器の接合部を構成する接合層構造部であって、前記接合層構造部は、SnおよびSn−Cu合金を含む母相中に、Sn、Cu、NiおよびGeを含む金属間化合物を有する、接合層構造部によって上記課題を解決した。【選択図】図9PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bonding layer structure portion capable of maintaining excellent bonding strength and mechanical strength even with severe temperature fluctuations in an extremely high temperature or extremely low temperature environment. SOLUTION: The joint layer structure portion constitutes a joint portion of an electric and electronic device, and the joint layer structure portion contains Sn, Cu, Ni and Ge in a matrix containing Sn and Sn—Cu alloy. The above problem was solved by the bonding layer structure having an intermetallic compound. [Selection diagram] FIG. 9
Description
本発明は、接合層構造部に関する。 The present invention relates to a junction layer structure.
IoT(Internet of Things)の進展や、一層の省エネルギーが求められる中で、その技術の核心を担うパワー半導体の重要性が益々高まっている。しかしながら、その活用には多くの課題がある。パワー半導体は、高電圧、大電流の大きな電力を扱うことから、多くの熱を発して高温となる。現行のSiパワー半導体に求められる耐熱性は約175℃程度への対応であるが、約200℃の温度に耐えるSiパワー半導体の開発が進められており、また、SiCやGaNのような次世代のパワー半導体は250〜500℃に耐えることが要求される。 With the progress of IoT (Internet of Things) and the demand for further energy saving, the importance of power semiconductors, which play a central role in the technology, is increasing. However, there are many problems in its utilization. Since a power semiconductor handles a large amount of electric power having a high voltage and a large current, it generates a lot of heat and becomes a high temperature. The heat resistance required for current Si power semiconductors is about 175 ° C, but the development of Si power semiconductors that can withstand temperatures of about 200 ° C is underway, and next-generation products such as SiC and GaN are being developed. Power semiconductors are required to withstand 250 to 500 ° C.
一方、接合材に関して言えば、上述のようなSiCやGaNのような次世代のパワー半導体に求められる高い耐熱性を有する接合材は存在しない。
例えば、特許文献1に開示されているSnAgCu系接合材(粉末はんだ材料)では、約125℃程度に対応したパワー半導体に適用可能であるに過ぎず、次世代のパワー半導体に適用することができない。
On the other hand, regarding the bonding material, there is no bonding material having high heat resistance required for next-generation power semiconductors such as SiC and GaN as described above.
For example, the SnAgCu-based bonding material (powdered solder material) disclosed in Patent Document 1 can only be applied to a power semiconductor corresponding to about 125 ° C., and cannot be applied to a next-generation power semiconductor. ..
一方、本出願人は特許文献2において、外殻と、コア部とからなり、前記コア部は、金属又は合金を含み、前記外殻は、金属間化合物の網目状から成り、前記コア部を覆っており、前記コア部は、Sn又はSn合金を含み、前記外殻は、SnとCuとの金属間化合物を含む、金属粒子を提案している。この金属粒子により形成された接合部は、長時間にわたって高温動作状態が継続した場合でも、また、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用された場合でも、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械的強度を維持することができる。
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層構造部を提供できることになる。
On the other hand, in
However, the intermetallic compound has a weakness of being brittle, and if this problem is solved, it is possible to provide a joint layer structure portion having higher heat resistance, joint strength and mechanical strength.
本発明の目的は、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、優れた接合強度および機械的強度を維持できる接合層構造部を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a joint layer structure portion capable of maintaining excellent joint strength and mechanical strength even with severe temperature fluctuations in an extremely high temperature or extremely low temperature environment.
本発明者は鋭意検討を重ねた結果、特定の母相中に特定の金属化合物を有する金属粒子によって、金属内に前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、電気電子機器の接合部を構成する接合層構造部であって、前記接合層構造部は、SnおよびSn−Cu合金を含む母相中に、Sn、Cu、NiおよびGeを含む金属間化合物を有する、接合層構造部を提供するものである。
As a result of diligent studies, the present inventor has found that the above-mentioned problems can be solved in a metal by using metal particles having a specific metal compound in a specific matrix, and have completed the present invention.
That is, the present invention is a joint layer structure portion constituting a joint portion of an electric and electronic device, and the joint layer structure portion contains Sn, Cu, Ni and Ge in a matrix containing Sn and Sn—Cu alloy. It provides a junction layer structure having an intermetallic compound containing.
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層構造部を提供することができる。電気電子機器の接合部としては、1つの被着体と他方の被着体とが腺熱膨張率違いの材料体(例えばSiとCu等)であっても、上記効果を奏することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a joint layer structure portion capable of maintaining excellent joint strength and mechanical strength even with severe temperature fluctuations in an extremely high temperature or extremely low temperature environment. As a joint portion of an electric / electronic device, the above effect can be obtained even if one adherend and the other adherend are materials having different coefficients of thermal expansion (for example, Si and Cu).
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
先に、本明細書における用語法は、特に説明がない場合であっても、以下による。
(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、金属間化合物を含むことがある。
(2)ある単体の金属元素に言及する場合、完全に純粋に当該金属元素のみからなる物質だけを意味するものではなく、微かな他の物質を含む場合もあわせて意味する。すなわち、当該金属元素の性質にほとんど影響を与えない微量の不純物を含むものを除外する意味ではないことは勿論、たとえば、母相という場合、Snの結晶中の原子の一部が他の元素(たとえば、Cu)に置き換わっているものを除外する意味ではない。例えば、Al、Co、Fe、Mn、Mo、Crのような前記他の物質または他の元素は、金属粒子中、0〜1質量%含まれる場合がある。
(3)エンドタキシャル接合とは、金属・合金となる物質中(本発明ではSnおよびSn−Cu合金を含む母相)に金属間化合物が析出し、この析出の最中にSn−Cu合金と金属間化合物とが結晶格子レベルで接合し、結晶粒を構成することを意味している。エンドタキシャルという用語は公知であり、例えばNature Chemisry 3(2): 160-6、2011年の160頁左欄最終パラグラフに記載がある。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
First, the terminology used herein is as follows, even if not specifically explained.
(1) The term metal may include not only a simple substance of a metal element but also an alloy containing a plurality of metal elements and an intermetallic compound.
(2) When referring to a single metal element, it does not mean only a substance completely purely composed of the metal element, but also means a case containing a slight other substance. That is, it does not mean to exclude those containing a trace amount of impurities that have almost no effect on the properties of the metal element. Of course, in the case of a matrix, for example, some of the atoms in the Sn crystal are other elements ( For example, it does not mean to exclude those that have been replaced with Cu). For example, the other substance or other element such as Al, Co, Fe, Mn, Mo, Cr may be contained in the metal particles in an amount of 0 to 1% by mass.
(3) Endotactic bonding means that an intermetallic compound is deposited in a substance that becomes a metal / alloy (in the present invention, a matrix phase containing Sn and a Sn—Cu alloy), and during this precipitation, a Sn—Cu alloy is formed. It means that the intermetallic compound is bonded at the crystal lattice level to form crystal grains. The term endotactic is well known and is described, for example, in Nature Chemisry 3 (2): 160-6, 2011, page 160, left column, final paragraph.
本発明の接合層構造部は、下記の金属粒子(以下、本発明の金属粒子と呼ぶことがある)を用いて形成することができる。 The joint layer structure portion of the present invention can be formed by using the following metal particles (hereinafter, may be referred to as the metal particles of the present invention).
図1は、本発明の金属粒子をFIB(集束イオンビーム)で薄くカッティングした断面のSTEM像である。図1で示される金属粒子の粒子径は、およそ5μmであるが、本発明の金属粒子の粒子径は、例えば好適には1μm〜50μmの範囲である。図1の金属粒子を参照すると、該金属粒子は、SnおよびSn−Cu合金を含む母相140中に、Sn、Cu、NiおよびGeを含む金属間化合物120を有している。
FIG. 1 is an STEM image of a cross section obtained by thinly cutting the metal particles of the present invention with a FIB (focused ion beam). The particle size of the metal particles shown in FIG. 1 is about 5 μm, but the particle size of the metal particles of the present invention is preferably in the range of, for example, 1 μm to 50 μm. Referring to the metal particles of FIG. 1, the metal particles have an
本発明の金属粒子は、例えばCuが0.7〜15質量%、Niが0.1〜5質量%、Geが0.001〜0.1質量%、残部がSnであり、好ましくは、Cuが1〜15質量%、Niが0.1〜3質量%、Geが0.001〜0.01質量%、残部がSnである。 The metal particles of the present invention contain, for example, 0.7 to 15% by mass of Cu, 0.1 to 5% by mass of Ni, 0.001 to 0.1% by mass of Ge, and Sn in the balance, preferably Cu. Is 1 to 15% by mass, Ni is 0.1 to 3% by mass, Ge is 0.001 to 0.01% by mass, and the balance is Sn.
本発明の金属粒子は、例えば8質量%Cu、1質量%Ni、0.001質量%Geおよび残部がSnからなる組成の原材料から製造することができる。例えば、該現原材料を溶融し、これを窒素ガス雰囲気中で高速回転する皿形ディスク上に供給し、遠心力により該溶融金属を小滴として飛散させ、減圧下で冷却固化させることにより得られる。 The metal particles of the present invention can be produced from, for example, a raw material having a composition of 8% by mass Cu, 1% by mass Ni, 0.001% by mass Ge and the balance Sn. For example, it is obtained by melting the current raw material, supplying it onto a dish-shaped disk that rotates at high speed in a nitrogen gas atmosphere, scattering the molten metal as small droplets by centrifugal force, and cooling and solidifying under reduced pressure. ..
本発明の金属粒子の製造に好適な製造装置の一例を図2を参照して説明する。粒状化室1は上部が円筒状、下部がコーン状になっており、上部に蓋2を有する。蓋2の中心部には垂直にノズル3が挿入され、ノズル3の直下には皿形回転ディスク4が設けられている。符号5は皿形回転ディスク4を上下に移動可能に支持する機構である。また粒状化室1のコーン部分の下端には生成した粒子の排出管6が接続されている。ノズル3の上部は粒状化する金属を溶融する電気炉(高周波炉)7に接続されている。混合ガスタンク8で所定の成分に調整された雰囲気ガスは配管9及び配管10により粒状化室1内部及び電気炉7上部にそれぞれ供給される。粒状化室1内の圧力は弁11及び排気装置12、電気炉7内の圧力は弁13及び排気装置14によりそれぞれ制御される。ノズル3から皿形回転ディスク4上に供給された溶融金属は皿形回転ディスク4による遠心力で微細な液滴状になって飛散し、減圧下で冷却されて固体粒子になる。生成した固体粒子は排出管6から自動フィルター15に供給され分別される。符号16は微粒子回収装置である。
An example of a manufacturing apparatus suitable for manufacturing the metal particles of the present invention will be described with reference to FIG. The granulation chamber 1 has a cylindrical upper portion and a cone-shaped lower portion, and has a
溶融金属を高温溶解から冷却固化させる過程は、本発明の金属粒子を形成するために重要である。
例えば次のような条件が挙げられる。
溶解炉7における金属の溶融温度を600℃〜800℃に設定し、その温度を保持したまま、ノズル3から皿型回転ディスク4上に溶融金属を供給する。
皿形回転ディスク4として、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として、9×10-2Pa程度まで減圧する性能を有する真空槽を使用して減圧した上で、15〜50℃の窒素ガスを供給しつつ排気を同時に行って、粒状化室1内の気圧を1×10−1Pa以下とする。
The process of cooling and solidifying the molten metal from high temperature melting is important for forming the metal particles of the present invention.
For example, the following conditions can be mentioned.
The melting temperature of the metal in the melting furnace 7 is set to 600 ° C. to 800 ° C., and the molten metal is supplied from the nozzle 3 onto the dish-shaped rotating disk 4 while maintaining the temperature.
As the dish-shaped rotating disk 4, a dish-shaped disk having an inner diameter of 60 mm and a depth of 3 mm is used, and the rotation speed is 80,000 to 100,000 rpm.
As the granulation chamber 1, a vacuum chamber having the ability to reduce the pressure to about 9 × 10-2 Pa is used to reduce the pressure, and then exhaust is performed simultaneously while supplying nitrogen gas at 15 to 50 ° C. The atmospheric pressure in 1 is 1 × 10 -1 Pa or less.
また、本発明の金属粒子における金属間化合物の組成は、Sn、Cu、Ni、Geの原子数の比として、例えばSn40〜60、Cu30〜50、Ni4〜9、Ge0.001〜0.01である。 The composition of the intermetallic compound in the metal particles of the present invention is, for example, Sn40 to 60, Cu30 to 50, Ni4 to 9, Ge0.001 to 0.01 as the ratio of the atomic numbers of Sn, Cu, Ni, and Ge. is there.
また、本発明の金属粒子における金属間化合物の割合は、金属粒子全体に対し、例えば20〜60質量%であり、30〜40質量%が好ましい。
前記金属間化合物の組成および割合は、前記金属粒子の製造条件に従うことにより満たすことができる。
The proportion of the intermetallic compound in the metal particles of the present invention is, for example, 20 to 60% by mass, preferably 30 to 40% by mass, based on the total amount of the metal particles.
The composition and proportion of the intermetallic compound can be satisfied according to the production conditions of the metal particles.
本発明の金属粒子は、前記Sn−Cu合金および前記金属間化合物の少なくとも1部が、エンドタキシャル接合してなることが好ましい。上述のように、エンドタキシャル接合とは、金属・合金となる物質中(本発明ではSnおよびSn−Cu合金を含む母相)に金属間化合物が析出し、この析出の最中にSn−Cu合金と金属間化合物とが結晶格子レベルで接合し、結晶粒を構成するものである。エンドタキシャル接合の形成により、金属間化合物の脆さの課題を解決できるとともに、下記で説明するSnの結晶構造の変化による機械的強度の低下も抑制でき、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。なお、本発明の金属粒子を用いて形成された接合層構造部は、金属粒子のエンドタキシャル接合が維持されることを本発明者らは確認している。
本発明の金属粒子のエンドタキシャル接合は、本発明の金属粒子を形成するための、溶融金属を高温溶解から冷却固化させる条件にしたがって形成することができる。
The metal particles of the present invention preferably have at least one part of the Sn—Cu alloy and the intermetallic compound endutally bonded. As described above, in the endotactic junction, an intermetallic compound is precipitated in a substance to be a metal / alloy (in the present invention, a matrix phase containing Sn and a Sn—Cu alloy), and Sn—Cu is in the middle of this precipitation. The alloy and the intermetallic compound are bonded at the crystal lattice level to form crystal grains. By forming an endotactic junction, the problem of brittleness of the intermetallic compound can be solved, and the decrease in mechanical strength due to the change in the crystal structure of Sn described below can be suppressed, and further higher heat resistance, junction strength and mechanical strength can be suppressed. A strong bonding material can be provided. The present inventors have confirmed that the joint layer structure formed by using the metal particles of the present invention maintains the end-tactical bonding of the metal particles.
The endotic bonding of the metal particles of the present invention can be formed according to the conditions for forming the metal particles of the present invention, in which the molten metal is cooled and solidified from high temperature melting.
Snの結晶構造は、約13℃〜約160℃の温度領域では正方晶(なお、正方晶の結晶構造を有するSnをβ−Snという。)であり、これより低い温度領域になると立方晶(なお、立方晶の結晶構造を有するSnをα−Snという。)に結晶構造が変化する。また、β−Snの結晶構造は、約160℃を超える温度領域で高温相結晶の斜方晶に変化する(なお、斜方晶の結晶構造を有するSnをγ−Snという。)。そして、とりわけ正方晶のβ−Snと立方晶のα−Snの間の相転移時には、大きな体積変化が生じることが一般的に知られている。
本発明の金属粒子は、約160℃以下でも(たとえば、常温でも)高温相結晶を含有している。たとえば、この金属粒子を含む接合材を接合工程で加熱する際に、当該接合材を完全には溶融させない半溶融状態とし、金属間化合物と母相とのエンドタキシャル接合を含む状態とすれば、冷却後の160℃以下の温度領域でも高温相結晶を含む状態を維持する。そして、かかる高温相結晶は、ある程度まで温度を下げても、正方晶の低温相結晶β−Snへの相転移を起こしにくく、正方晶のβ−Snに相転移しないままのSnについては、α−Snへの相転移が生じず、温度の低下によるα−Snへの相転移に伴う大きな体積変化が生じない。したがって、160℃以下の温度領域でも(たとえば、常温でも)高温相結晶を有するSnを含む接合材は、Snを組成に含む他の接合材(すなわち、160℃以下の温度領域でも高温結晶相を意図的には含ませていないもの)よりも、温度変化による体積変化が低減される。
また、電子部品には、Cu、Ag、Au、Niその他さまざまな金属が用いられるが、Snは、これらのさまざまな金属と良好に接合する。
したがって、本発明の金属粒子は、幅広い温度領域で(たとえば、常温でも)高温相結晶相を含有し、正方晶の低温相β−Snが生じることを出来る限り回避することによって、温度変化による正方晶のβ−Snから立方晶のα−Snへの相転移に伴う大きな体積変化を起こしにくいという性質を有し、かつ、電子部品に用いられるさまざまな金属とも良好に接合するため、とりわけ微細な接合箇所の接合材料に有用である。
The crystal structure of Sn is tetragonal in the temperature range of about 13 ° C. to about 160 ° C. (Sn having a tetragonal crystal structure is referred to as β-Sn), and in the lower temperature range, it is cubic (cubic). Sn having a tetragonal crystal structure is referred to as α-Sn), and the crystal structure changes. Further, the crystal structure of β-Sn changes to an orthorhombic crystal of a high-temperature phase crystal in a temperature region exceeding about 160 ° C. (Note that Sn having an orthorhombic crystal structure is referred to as γ-Sn). It is generally known that a large volume change occurs, especially at the time of a phase transition between tetragonal β-Sn and cubic α-Sn.
The metal particles of the present invention contain high temperature phase crystals even at about 160 ° C. or lower (for example, at room temperature). For example, when the bonding material containing the metal particles is heated in the bonding process, the bonding material is in a semi-molten state in which the bonding material is not completely melted, and a state in which the intermetallic compound and the parent phase are included in the endotic bonding. The state containing high temperature phase crystals is maintained even in the temperature range of 160 ° C. or lower after cooling. Then, even if the temperature of the high-temperature phase crystal is lowered to a certain extent, the phase transition of the square crystal to the low-temperature phase crystal β-Sn is unlikely to occur, and for Sn which does not undergo the phase transition to the square β-Sn, α The phase transition to −Sn does not occur, and the large volume change associated with the phase transition to α-Sn due to the decrease in temperature does not occur. Therefore, a Sn-containing bonding material having a high-temperature phase crystal even in a temperature region of 160 ° C. or lower (for example, even at room temperature) has a high-temperature crystal phase in another bonding material containing Sn in the composition (that is, even in a temperature region of 160 ° C. or lower). The volume change due to temperature change is reduced as compared with the one not intentionally included).
Further, various metals such as Cu, Ag, Au, and Ni are used for electronic components, and Sn is satisfactorily bonded to these various metals.
Therefore, the metal particles of the present invention contain a high temperature phase crystal phase in a wide temperature range (for example, even at room temperature), and by avoiding the occurrence of a tetragonal low temperature phase β-Sn as much as possible, the metal particles are tetragonal due to temperature changes. It is particularly fine because it has the property that it is unlikely to cause a large volume change due to the phase transition from β-Sn of crystals to α-Sn of tetragonal crystals, and it also bonds well with various metals used for electronic parts. It is useful as a bonding material for joints.
上記Snの結晶構造の変化の抑制による効果は、金属粒子中のエンドタキシャル接合によって良好に奏される。 The effect of suppressing the change in the crystal structure of Sn is satisfactorily exhibited by the endotactic bonding in the metal particles.
また本発明の金属粒子において、エンドタキシャル接合は、母相と金属間化合物との接合面の全体を100%としたとき、30%以上が好ましく、60%以上がさらに好ましい。前記エンドタキシャル接合の割合は、例えば次のようにして算出できる。
下記図1で示すような金属粒子の断面を電子顕微鏡写真撮影し、金属間化合物とSn−Cu合金との接合面を任意に50か所サンプリングする。続いて、その接合面を画像解析し、下記図4に示すようなエンドタキシャル接合が、サンプリングした接合面に対してどの程度存在するのかを調べる。
Further, in the metal particles of the present invention, the endotactic bonding is preferably 30% or more, more preferably 60% or more, assuming that the entire bonding surface between the matrix and the intermetallic compound is 100%. The ratio of the endotactic junction can be calculated, for example, as follows.
An electron micrograph is taken of the cross section of the metal particles as shown in FIG. 1 below, and the joint surface between the intermetallic compound and the Sn—Cu alloy is arbitrarily sampled at 50 points. Subsequently, the joint surface is image-analyzed to examine how much end-tactical joint as shown in FIG. 4 below exists with respect to the sampled joint surface.
本発明の接合層構造部は、前記金属粒子をシート状あるいはペースト状に加工し、これを接合対象物に接した状態で160℃〜180℃を3分以上保持し235℃〜265℃で溶融させた上で固化させることにより得られ、接合対象物間で良好な接合を形成することができる。
本発明の金属粒子を材料に含むシートは、当該金属粒子を、例えば、以下のようにローラーで圧接することによって得ることができる。すなわち、対向する向きに回転する一対の圧接ローラーの間に、本発明の金属粒子を供給し、圧接ローラーから金属粒子に約100℃から150℃程度の熱を加えて、金属粒子を圧接することによりシートが得られる。
In the bonding layer structure portion of the present invention, the metal particles are processed into a sheet or paste, and the metal particles are held at 160 ° C. to 180 ° C. for 3 minutes or more in a state of being in contact with the object to be bonded and melted at 235 ° C. to 265 ° C. It is obtained by solidifying after being allowed to form a good bond between the objects to be joined.
The sheet containing the metal particles of the present invention as a material can be obtained by pressing the metal particles with a roller as follows, for example. That is, the metal particles of the present invention are supplied between a pair of pressure welding rollers rotating in opposite directions, and heat of about 100 ° C. to 150 ° C. is applied to the metal particles from the pressure welding rollers to pressure-weld the metal particles. To obtain a sheet.
また、本発明の金属粒子を有機ビヒクル中に混在させて、導電性ペーストを得ることもできる。 Further, the metal particles of the present invention can be mixed in the organic vehicle to obtain a conductive paste.
なお、前記シートまたは前記導電性ペーストは、SnAgCu系合金粒子、Cu、Cu合金粒子、Ni、Ni合金粒子またはこれらの混合物のような他の粒子を加え、金属粒子との混合物としてもよい。これら他の粒子は、必要に応じてSiのような金属でコートされていてもよい。
例えば、Snより導電性が高いCuやNi合金粒子と金属粒子とを組み合わせると、導電性がよく、かつ、比較的幅広い温度領域で体積変化が抑制された金属接合層が得られる。
The sheet or the conductive paste may be mixed with metal particles by adding other particles such as SnAgCu-based alloy particles, Cu, Cu alloy particles, Ni, Ni alloy particles or a mixture thereof. These other particles may be coated with a metal such as Si, if desired.
For example, by combining Cu or Ni alloy particles having higher conductivity than Sn and metal particles, a metal bonding layer having good conductivity and suppressed volume change in a relatively wide temperature range can be obtained.
前記シートまたは前記導電性ペーストにおける、本発明の金属粒子の割合は、例えば50質量%以上であり、好ましくは70〜80質量%である。 The proportion of the metal particles of the present invention in the sheet or the conductive paste is, for example, 50% by mass or more, preferably 70 to 80% by mass.
図8は、本発明における接合層構造部の構造を説明するための模式断面図である。
図8において、接合層構造部300は、対向配置された基板100、500に形成された金属/合金体101、501(図8ではCu電極)を接合する。接合層構造部300は、SnおよびSn−Cu合金を含む母相3002中に、Sn、Cu、NiおよびGeを含む金属間化合物3004を有し、好ましくは、前記Sn−Cu合金および前記金属間化合物の少なくとも1部が、エンドタキシャル接合してなり、前記母相が、前記金属体または合金体101、501と接合している。
また、接合層構造部300において、金属/合金体101、501との接合面では、前記母相(Sn−Cu合金)と金属/合金体101、501とが、エンドタキシャル接合を形成することができる。また、金属/合金体101、501が腺熱膨張率違いの材質(例えばSiとCu)であっても、本発明の接合層構造部300は、下記実施例で説明する金属間化合物の骨格構造を有するため、例えば前記SiチップとCu基板の熱膨張係数の相違による歪みが生じても、優れた耐熱性を付与するとともに、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。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of the joint layer structure portion in the present invention.
In FIG. 8, the bonding
Further, in the joint
基板100,500は、半導体素子を備え、例えばパワーデバイスなどの電子・電気機器を構成する基板であり、金属/合金体101,501は、電極、バンプ、端子またはリード導体などとして、基板100,500に一体的に設けられている接続部材である。パワーデバイスなどの電子・電気機器では、金属/合金体101,501は、一般にはCuまたはその合金として構成される。もっとも、基板100,500に相当する部分が、金属/合金体で構成されたものを排除するものではない。
The
本発明の接合層構造部は、上述のように、本発明の金属粒子を用いて形成することができる。該金属粒子を用いて加熱後に得られる本発明の接合層構造部は、該金属粒子の結晶構造と同様の結晶構造を有することが、本発明者らによって確認されている。 As described above, the bonded layer structure portion of the present invention can be formed by using the metal particles of the present invention. It has been confirmed by the present inventors that the bonded layer structure portion of the present invention obtained after heating using the metal particles has a crystal structure similar to the crystal structure of the metal particles.
すなわち、本発明の接合層構造部の組成は、例えばCuを0.7〜40質量%、Niを0.1〜5質量%およびGeを0.001〜0.01質量%含み、好ましくは、Cuを1〜15質量%、Niを1〜3質量%およびGeを0.001〜0.01質量%含む。
また、本発明の接合層構造部における前記金属間化合物の組成は、Sn、Cu、Ni、Geの原子数の比として、例えばSn40〜60、Cu30〜50、Ni4〜9、Ge0.01〜0.06である。
また、金属間化合物は、Snを60〜95質量%、Cuを4〜40質量%、Niを0.1〜5質量%およびGeを0.01〜0.06質量%含む。
また、本発明の接合層構造部における金属間化合物の割合は、接合層構造部に対し、例えば50〜90質量%であり、60〜80質量%が好ましい。
That is, the composition of the bonding layer structure portion of the present invention contains, for example, 0.7 to 40% by mass of Cu, 0.1 to 5% by mass of Ni, and 0.001 to 0.01% by mass of Ge, and is preferable. It contains 1 to 15% by mass of Cu, 1 to 3% by mass of Ni, and 0.001 to 0.01% by mass of Ge.
Further, the composition of the intermetallic compound in the bonding layer structure portion of the present invention is, for example, Sn40 to 60, Cu30 to 50, Ni4 to 9, Ge0.01 to 0 as the ratio of the atomic numbers of Sn, Cu, Ni and Ge. It is .06.
The intermetallic compound contains 60 to 95% by mass of Sn, 4 to 40% by mass of Cu, 0.1 to 5% by mass of Ni, and 0.01 to 0.06% by mass of Ge.
The proportion of the intermetallic compound in the joint layer structure portion of the present invention is, for example, 50 to 90% by mass, preferably 60 to 80% by mass, based on the joint layer structure portion.
本発明の接合層構造部は、前記Sn−Cu合金および前記金属間化合物の少なくとも1部が、エンドタキシャル接合してなることが好ましい。エンドタキシャル接合は、Sn−Cu合金と金属間化合物との接合面の全体を100%としたとき、30%以上が好ましく、60%以上がさらに好ましい。 In the bonding layer structure portion of the present invention, it is preferable that at least one portion of the Sn—Cu alloy and the intermetallic compound is endically bonded. The endotactic bonding is preferably 30% or more, more preferably 60% or more, assuming that the entire bonding surface between the Sn—Cu alloy and the intermetallic compound is 100%.
また、本発明の接合層構造部は、前記Sn−Cu合金及び前記金属間化合物が、接合層構造部中でエンドタキシャル接合を有し、かつ、金属/合金体101,501とエピタキシャル接合している構造であることができる。
Further, in the bonding layer structure portion of the present invention, the Sn—Cu alloy and the intermetallic compound have an endpoint bonding in the bonding layer structure portion and epitaxially bond with the metal /
以下、本発明を実施例および比較例によりさらに説明するが、本発明は下記例に制限されない。 Hereinafter, the present invention will be further described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following examples.
実施例1
原材料として8質量%Cu、1質量%Ni、0.001質量%Geおよび残部がSnからなる組成の原材料を用い、図2に示す製造装置により、直径約3〜40μmの金属粒子1を製造した。
その際、以下の条件を採用した。
溶解炉7に溶融るつぼを設置し、その中に上記原材料を入れ、650℃で溶融し、その温度を保持したまま、ノズル3から皿型回転ディスク4上に溶融金属を供給した。
皿形回転ディスク4として、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として、9×10-2Pa程度まで減圧する性能を有する真空槽を使用して減圧した上で、15〜50℃の窒素ガスを供給しつつ排気を同時に行って、粒状化室1内の気圧を1×10−1Pa以下とした。
Example 1
Using a raw material having a composition of 8% by mass Cu, 1% by mass Ni, 0.001% by mass Ge and Sn as the raw material, metal particles 1 having a diameter of about 3 to 40 μm were produced by the production apparatus shown in FIG. ..
At that time, the following conditions were adopted.
A melting pot was installed in the melting furnace 7, the above raw materials were put therein, and the metal was melted at 650 ° C., and the molten metal was supplied from the nozzle 3 onto the dish-shaped rotating disk 4 while maintaining the temperature.
As the dish-shaped rotating disk 4, a dish-shaped disk having an inner diameter of 60 mm and a depth of 3 mm was used, and the rotation speed was 80,000 to 100,000 rpm.
As the granulation chamber 1, a vacuum chamber having the ability to reduce the pressure to about 9 × 10-2 Pa is used to reduce the pressure, and then exhaust is performed simultaneously while supplying nitrogen gas at 15 to 50 ° C. The atmospheric pressure in 1 was set to 1 × 10 -1 Pa or less.
得られた金属粒子1は、前記図1に示すような断面を有していた。
図3は、図1で示した金属粒子断面のEDSによる元素マッピング分析結果である。この分析結果から、Cuが10.24質量%、Niが0.99質量%、Geが0.001質量%、残部Snであることが判明した。
The obtained metal particles 1 had a cross section as shown in FIG.
FIG. 3 shows the result of element mapping analysis by EDS of the cross section of the metal particle shown in FIG. From this analysis result, it was found that Cu was 10.24% by mass, Ni was 0.99% by mass, Ge was 0.001% by mass, and the balance was Sn.
また、金属粒子1における金属間化合物は、金属粒子中、30〜35質量%を占めていた。 The intermetallic compound in the metal particles 1 accounted for 30 to 35% by mass in the metal particles.
図4は、金属粒子1の実施例1で得られた金属粒子断面のSTEM像および部分分析結果である。
図4上段を参照すると、SnおよびSn−Cu合金を含む母相140中に、Sn、Cu、NiおよびGeからなる金属間化合物120が存在していることが分かる。また、母相140と金属間化合物120との間で、格子定数(および結晶方位)が揃い(図4では0.3nm)、それぞれの結晶が、連続的に結晶格子レベルで接合していることが確認された。すなわち、図4上段によれば、格子の接合が実現していることからエンドタキシャル接合であることが確認され、なおかつ、図4下段の母相140と金属間化合物120の界面の透過型電子回折パターンによれば、その結晶間にはバッファー層がないことも確認された。
FIG. 4 shows a STEM image and a partial analysis result of the cross section of the metal particle obtained in Example 1 of the metal particle 1.
With reference to the upper part of FIG. 4, it can be seen that the
また図4から、本実施例の金属粒子におけるSnの少なくとも一部が、常温下でも高温相結晶を含有していることが分かった。 Further, from FIG. 4, it was found that at least a part of Sn in the metal particles of this example contained high temperature phase crystals even at room temperature.
次に、金属粒子1を乾粉圧接してシートを作成し、当該シートを銅基板とシリコン素子の接合に用い接合層構造部を形成し、260℃の高温保持試験(HTS)を行ったところ、試験開始時から約100時間までは、シェア強度が約50MPaから約60MPaまで上昇し、100時間超の時間領域では、ほぼ60MPaで安定するという試験結果が得られた。
また、(-40〜175℃)の冷熱サイクル試験(TCT)では、全サイクル(1000サイクル)に渡って、シェア強度が約50MPaで安定するという試験結果が得られた。
Next, a sheet was prepared by pressure-welding the metal particles 1 with dry powder, and the sheet was used for bonding a copper substrate and a silicon element to form a bonding layer structure, and a high temperature holding test (HTS) at 260 ° C. was performed. From the start of the test to about 100 hours, the shear strength increased from about 50 MPa to about 60 MPa, and in the time region over 100 hours, the test result was obtained that it was stable at about 60 MPa.
Further, in the cold cycle test (TCT) at (-40 to 175 ° C.), a test result was obtained that the shear strength was stable at about 50 MPa over the entire cycle (1000 cycles).
図5は、金属粒子1を含む接合材で銅基板とシリコン素子を接合し、冷熱衝撃試験に供した後の、接合部断面の光学顕微鏡像である。
冷熱衝撃試験は、低温さらし温度が-40℃、高温さらし温度が175℃で1000サイクル行った。
図5から、銅基板とシリコン素子との間の接合部が崩壊されず、かつシリコン素子も破壊されず、良好な接合状態が維持されていることが確認できる。
FIG. 5 is an optical microscope image of a cross section of the joint portion after the copper substrate and the silicon element are bonded with a bonding material containing the metal particles 1 and subjected to a thermal shock test.
The thermal shock test was carried out at a low temperature exposure temperature of -40 ° C and a high temperature exposure temperature of 175 ° C for 1000 cycles.
From FIG. 5, it can be confirmed that the joint portion between the copper substrate and the silicon element is not collapsed, the silicon element is not broken, and a good joint state is maintained.
図9は、実施例1で得られた接合層構造部の断面における金属間化合物結晶と母相のSn−Cu合金との界面を示すTEM像である。また右下部分は、Sn−Cu合金−金属間化合物結晶界面の透過型電子回折パターンである。このTEM像および回折パターンから、金属間化合物がSn−Cu合金とエンドタキシャル接合した結晶構造を有することが明らかとなった。 FIG. 9 is a TEM image showing the interface between the intermetallic compound crystal and the parent phase Sn—Cu alloy in the cross section of the bonding layer structure obtained in Example 1. The lower right portion is a transmission electron diffraction pattern at the Sn—Cu alloy-intermetallic compound crystal interface. From this TEM image and the diffraction pattern, it was clarified that the intermetallic compound has a crystal structure that is endarily bonded to the Sn—Cu alloy.
実施例2
8質量%Cu、3質量%Ni、0.001質量%Geおよび残部がSnからなる組成の原材料を用いて、実施例1と同様に金属粒子2を製造した。
次に、金属粒子2を70質量部と、90質量%Cu・10質量%Ni合金粉末30質量部とを均一に混合し、乾粉圧接してシートを作成した(50μm厚)。当該シートを銅基板とシリコン素子の接合に用い、260℃の高温保持試験(HTS)を行ったところ、試験開始時から約100時間までは、シェア強度が約60MPaから約70MPaまで上昇し、100時間超の時間領域では、ほぼ60MPaで安定するという試験結果が得られた。
また、(-40〜175℃)の冷熱サイクル試験(TCT)では、全サイクル(1000サイクル)に渡って、シェア強度が約50MPaで安定するという試験結果が得られた。
Example 2
Next, 70 parts by mass of the
Further, in the cold cycle test (TCT) at (-40 to 175 ° C.), a test result was obtained that the shear strength was stable at about 50 MPa over the entire cycle (1000 cycles).
比較例1
なお、比較例として、従来のSnAgCu系接合材(粒径5μmの粉末はんだ材料)のSTEM像と、EDSによる元素マッピング分析結果を図6に示す。
図6(a)〜(d)によれば、従来のSnAgCu系接合材は、金属間化合物が存在せず、単一金属の元素が分散していることが確認された。また金属母相のSn−Cu合金が高温相の結晶構造をもたないことも確認された。このような従来のSnAgCu系接合材では、(-40〜175℃)の冷熱サイクル試験(TCT)では100サイクルも持たず接合部崩壊してしまい、本発明の金属粒子のような耐熱性および強度を到底得ることができない。
図7は比較例1で得られた接合材で銅基板とシリコン素子を接合し、冷熱衝撃試験に供した後の、接合部断面の光学顕微鏡像である。
冷熱衝撃試験は、低温さらし温度が-40℃、高温さらし温度が175℃で50サイクル行った。
図7から、冷熱衝撃試験50サイクル後であっても銅基板およびシリコン素子間の接合部が崩壊してしまったことが確認できる。
Comparative Example 1
As a comparative example, FIG. 6 shows a STEM image of a conventional SnAgCu-based bonding material (powder solder material having a particle size of 5 μm) and an element mapping analysis result by EDS.
According to FIGS. 6A to 6D, it was confirmed that the conventional SnAgCu-based bonding material does not have an intermetallic compound and a single metal element is dispersed. It was also confirmed that the Sn—Cu alloy of the metal matrix does not have the crystal structure of the high temperature phase. With such a conventional SnAgCu-based joint material, the joint part collapses in less than 100 cycles in the cold heat cycle test (TCT) of (-40 to 175 ° C.), and the heat resistance and strength like the metal particles of the present invention. Can never be obtained.
FIG. 7 is an optical microscope image of a cross section of the joint portion after the copper substrate and the silicon element are bonded with the bonding material obtained in Comparative Example 1 and subjected to a thermal shock test.
The thermal shock test was carried out for 50 cycles at a low temperature exposure temperature of -40 ° C and a high temperature exposure temperature of 175 ° C.
From FIG. 7, it can be confirmed that the joint between the copper substrate and the silicon element has collapsed even after 50 cycles of the thermal shock test.
実施例3
実施例1で製造した接合層構造部に対し、Snエッチング剤を用いて接合層構造部n含まれる単体Snを除去した。図10は、単体Snを除去した後の接合層構造部を示す断面SEM写真である。図10から、接合層構造部は、ランダムな方向に伸びる柱状の金属間化合物を有することが判明した。接合層構造部は、多数の柱状の金属間化合物の言わば骨格構造を有するため、Si素子とCu基板の熱膨張係数の相違による歪みが生じても、該骨格構造により優れた耐熱性が付与され、また柔軟性のある母相によって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。
Example 3
With respect to the bonding layer structure produced in Example 1, a simple substance Sn contained in the bonding layer structure n was removed by using a Sn etching agent. FIG. 10 is a cross-sectional SEM photograph showing the joint layer structure portion after removing the simple substance Sn. From FIG. 10, it was found that the junction layer structure portion had a columnar intermetallic compound extending in a random direction. Since the joint layer structure has a so-called skeleton structure of a large number of columnar intermetallic compounds, even if distortion occurs due to a difference in the coefficient of thermal expansion between the Si element and the Cu substrate, the skeleton structure imparts excellent heat resistance. Also, the flexible matrix allows excellent bonding and mechanical strength to be maintained.
以上、添付図面を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。 Although the present invention has been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited thereto, and those skilled in the art can use various modifications based on the basic technical idea and teachings thereof. It is self-evident that you can think of it.
1 粒状化室
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 母相
1
Claims (1)
前記接合層構造部の組成は、Cuを0.7〜40質量%、Niを0.1〜5質量%、Geを0.001〜0.01質量%含み、残部がSnであり、
前記接合層構造部における金属間化合物の組成は、Snを60〜95質量%、Cuを4〜40質量%、Niを0.1〜5質量%、Geを0.01〜0.06質量%含むものであり、
前記接合層構造部における金属間化合物の割合は、50〜90質量%であり、
前記接合層構造部は、160℃以下の温度において、斜方晶の結晶構造を有するSnを含有し、
前記接合層構造部は、前記Sn−Cu合金と前記金属間化合物との間で形成されたエンドタキシャル接合を含み、前記Sn−Cu合金と前記金属間化合物との接合面の全体を100%としたとき、前記エンドタキシャル接合が30%以上である、
接合層構造部。 A junction layer structure that constitutes a junction of electrical and electronic equipment, and the junction layer structure contains an intermetallic compound containing Sn, Cu, Ni, and Ge in a matrix containing Sn and Sn—Cu alloy. Yes, and
The composition of the bonding layer structure portion contains 0.7 to 40% by mass of Cu, 0.1 to 5% by mass of Ni, 0.001 to 0.01% by mass of Ge, and the balance is Sn.
The composition of the intermetallic compound in the joint layer structure is 60 to 95% by mass of Sn, 4 to 40% by mass of Cu, 0.1 to 5% by mass of Ni, and 0.01 to 0.06% by mass of Ge. Including
The proportion of the intermetallic compound in the joint layer structure is 50 to 90% by mass.
The junction layer structure contains Sn having an orthorhombic crystal structure at a temperature of 160 ° C. or lower.
The joint layer structure portion includes an endotactic bond formed between the Sn—Cu alloy and the intermetallic compound, and the entire joint surface between the Sn—Cu alloy and the intermetallic compound is 100%. When the end tactical joint is 30% or more,
Joint layer structure part.
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