JP7209126B1 - 接合材用金属粒子 - 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、金属間化合物の脆さを克服して優れた接合強度および機械的強度を維持できる接合材用金属粒子を提供する。【解決手段】Ｓｎ、Ｓｎ－Ｃｕ合金およびＳｂを含む母相中に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＳｉおよびＴｉを含む金属間化合物結晶を有する金属粒子であり、その組成がＣｕ０．７～１５質量％、Ｎｉ０．１～５質量％、Ｓｂ０．１～１４質量％、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％、残部がＳｎであり、母相の組成がＳｎ８５～９９．９質量％、Ｃｕ５質量％以下、Ｓｂ０．１～１４質量％であり、かつ母相および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金属粒子によって上記課題を解決した。【選択図】図３Ｂ
Description
本発明は、接合材用金属粒子に関する。
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と超高速伝送から、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高速通信伝送にはデバイスの表裏面に金を使用し伝送特性を維持し、極高温耐熱性２５０～５００℃に耐えることが要求される。
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。
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。
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材を提供できることになる。
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材を提供できることになる。
そこで本出願人はさらに特許文献３において、ＳｎおよびＳｎ－Ｃｕ合金を含む母相中に、Ｓｎ、ＣｕおよびＮｉからなる金属間化合物を有し、前記母相における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金属粒子を提案した。しかし、２６０℃加熱雰囲気以上では、金属間化合物を囲っている母相が収縮し、エンドタキシャル接合の崩壊が起きボイドの発生を助長することが判明した。したがって、高温下での過酷な環境下で使用された場合、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なくなる恐れがある。
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、金属間化合物の脆さを克服して優れた接合強度および機械的強度を維持できる接合材用金属粒子を提供することにある。
本発明者は鋭意検討を重ねた結果、母相の収縮を起こさせない膨張金属（Ｓｂ、ＢｉまたはＧａ）を母相に存在させることにより、上記エンドタキシャル接合の崩壊を抑制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、Ｓｎと；Ｓｎ－Ｃｕ合金と；ＳｂまたはＢｉまたはＧａと；を含む母相中に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＳｉおよびＴｉを含む金属間化合物結晶を有する、接合材用金属粒子であって、
前記金属粒子の組成が、Ｃｕ０．７～１５質量％、Ｎｉ０．１～５質量％、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％、残部がＳｎであり（ただし、不可避不純物０．１質量％以下で含み得る）、
前記母相の組成がＳｎ８５～９９．９質量％、Ｃｕ５質量％以下、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％であり、
前記母相中に前記金属間化合物が包含されて存在し、
粒子径が１μｍ～５０μｍであり、かつ
前記母相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、
ことを特徴とする接合材用金属粒子を提供するものである。
前記金属粒子の組成が、Ｃｕ０．７～１５質量％、Ｎｉ０．１～５質量％、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％、残部がＳｎであり（ただし、不可避不純物０．１質量％以下で含み得る）、
前記母相の組成がＳｎ８５～９９．９質量％、Ｃｕ５質量％以下、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％であり、
前記母相中に前記金属間化合物が包含されて存在し、
粒子径が１μｍ～５０μｍであり、かつ
前記母相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、
ことを特徴とする接合材用金属粒子を提供するものである。
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、金属間化合物の脆さを克服して優れた接合強度および機械的強度を維持できる接合材用金属粒子を提供することができる。
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、前記他の物質または他の元素は、金属粒子中、０～０．１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。
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、前記他の物質または他の元素は、金属粒子中、０～０．１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。
本発明の金属粒子は、Ｓｎと；Ｓｎ－Ｃｕ合金と；ＳｂまたはＢｉまたはＧａと；を含む母相中に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＳｉおよびＴｉを含む金属間化合物結晶を有することを特徴とする。
図１は、下記実施例１で得られた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、Ｓｎ－Ｃｕ合金およびＳｂを含む母相１４０中に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＳｉおよびＴｉを含む金属間化合物結晶１２０を有している。
本発明の金属粒子は、例えばその組成が、Ｃｕ０．７～１５質量％、Ｎｉ０．１～５質量％、Ｓｂ、ＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％、残部がＳｎである。ただし、不可避不純物０．１質量％以下で含み得る。
本発明の金属粒子は、例えばＣｕ８質量％、Ｓｂ、ＢｉまたはＧａ５質量％、Ｎｉ０.１質量％、Ｇｅ０.００１質量％、Ｓｉ０.００１質量％、Ｔｉ０.００１質量％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。
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：従来はセラミックるつぼを使用したが、本発明ではカーボンるつぼを使用している）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。
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３５ｍｍ、回転体厚さ５ｍｍ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。
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３５ｍｍ、回転体厚さ５ｍｍ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。
また、本発明の金属粒子における母相の組成は、Ｓｎ８５～９９．９質量％、Ｃｕ５質量％以下（例えば０.３～５質量％）、Ｓｂ、ＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％および不可避不純物０．１質量％以下であることが好ましい。
また、本発明の金属粒子における金属間化合物結晶及びエンドタキシャル接合部分を含む組成は、
Ｓｎ ５０～７０質量％、
Ｃｕ ３０～５０質量％、
Ｓｂ ０～３質量％、
Ｎｉ ０．１～６．５質量％、
Ｇｅ ０．００１～０．１質量％、
Ｓｉ ０．００１～０．１質量％、
Ｔｉ ０．００１～０．１質量％、
であるであることが好ましい。
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。
前記金属間化合物は、前記母相中に包含されて存在する。
Ｓｎ ５０～７０質量％、
Ｃｕ ３０～５０質量％、
Ｓｂ ０～３質量％、
Ｎｉ ０．１～６．５質量％、
Ｇｅ ０．００１～０．１質量％、
Ｓｉ ０．００１～０．１質量％、
Ｔｉ ０．００１～０．１質量％、
であるであることが好ましい。
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。
前記金属間化合物は、前記母相中に包含されて存在する。
前記母相および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。
本発明の金属粒子は、前記母相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、上述のように、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。
本発明の金属粒子のエンドタキシャル接合は、上述のように、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。
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、前記母相におけるＳｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物結晶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、Ｓｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物結晶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、下記実施例で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。
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、Ｓｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物結晶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、下記実施例で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。
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。
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。
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。
本発明の金属粒子は、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、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。
また例えば、Ｓｎより導電性が高いＣｕ、Ｎｉ合金粒子、水素化Ti粉末と、本発明の金属粒子（IMC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ることからセラミック等の異質接合材シートを作ることができ、放熱機能を有する接合材として機能する機材を得ることもできる。
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。
また例えば、Ｓｎより導電性が高いＣｕ、Ｎｉ合金粒子、水素化Ti粉末と、本発明の金属粒子（IMC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ることからセラミック等の異質接合材シートを作ることができ、放熱機能を有する接合材として機能する機材を得ることもできる。
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。
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。
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。
本発明の接合構造部は、前記本発明の金属粒子を用いて形成することができる。
図８は、本発明における接合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。接合構造部３００は、前記組成を有し、前記母相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を特徴とし、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。
図８は、本発明における接合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。接合構造部３００は、前記組成を有し、前記母相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を特徴とし、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。
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。
本発明の接合構造部は、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（ただし、金属/合金体１０１，５０１がＣｕを含む場合は接合構造部にＣｕがさらに加わる）。
本発明の接合構造部は、Ｓｎと；Ｓｎ－Ｃｕ合金と；ＳｂまたはＢｉまたはＧａと；を含む母相中に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＳｉおよびＴｉを含む金属間化合物結晶及びエンドタキシャル接合部分を含む組成を有し、
前記接合構造部の組成が、Ｃｕ８～４０質量％、Ｎｉ０．１～５質量％、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％、残部がＳｎであり（ただし、不可避不純物０．１質量％以下で含み得る）、
前記母相の組成がＳｎ８５～９９．９質量％、Ｃｕ５質量％以下、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％であり、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％であり、
前記母相中に前記金属間化合物が包含されて存在し、
前記母相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を特徴とする。
前記接合構造部の組成が、Ｃｕ８～４０質量％、Ｎｉ０．１～５質量％、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％、残部がＳｎであり（ただし、不可避不純物０．１質量％以下で含み得る）、
前記母相の組成がＳｎ８５～９９．９質量％、Ｃｕ５質量％以下、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％であり、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％であり、
前記母相中に前記金属間化合物が包含されて存在し、
前記母相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を特徴とする。
また、本発明の接合構造部における前記金属間化合物の組成は、
Ｓｎ ５０～７０質量％、
Ｃｕ ３０～５０質量％、
Ｓｂ ０～３質量％、
Ｎｉ ０．１～６．５質量％、
Ｇｅ ０．００１～０．１質量％、
Ｓｉ ０．００１～０．１質量％、
Ｔｉ ０．００１～０．１質量％、
であることが好ましい。
Ｓｎ ５０～７０質量％、
Ｃｕ ３０～５０質量％、
Ｓｂ ０～３質量％、
Ｎｉ ０．１～６．５質量％、
Ｇｅ ０．００１～０．１質量％、
Ｓｉ ０．００１～０．１質量％、
Ｔｉ ０．００１～０．１質量％、
であることが好ましい。
また、本発明の接合構造部における金属間化合物の割合は、接合構造部に対し、例えば２０～６０質量％であり、３０～４０質量％が好ましい。
本発明の接合構造部は、前記母相における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、前記母相における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。
また、本発明の接合構造部は、前記Ｓｎ－Ｃｕ合金及び／または前記金属間化合物が、金属/合金体１０１，５０１とエピタキシャル接合している構造を有するのも好ましい形態である。
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。
実施例１
原材料としてＣｕ８質量％、Ｓｂ５質量％、Ｎｉ０.１質量％、Ｇｅ０.００１質量％、Ｓｉ０.００１質量％、Ｔｉ０.００１質量％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３～１３μｍ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、直径３５ｍｍ、回転盤厚さ３～５ｍｍ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。
原材料としてＣｕ８質量％、Ｓｂ５質量％、Ｎｉ０.１質量％、Ｇｅ０.００１質量％、Ｓｉ０.００１質量％、Ｔｉ０.００１質量％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３～１３μｍ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、直径３５ｍｍ、回転盤厚さ３～５ｍｍ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。
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おり、金属粒子１断面のEDSによる元素マッピング分析を行ったところ（図３Ａ参照）、金属粒子の組成はＣｕ７.３２質量％、Ｓｂ４.３５質量％、Ｎｉ０.１３質量％、Ｇｅ０.００１質量％、Ｓｉ０.００１質量％、Ｔｉ０.００１質量％、残部Ｓｎであることが判明した。
また、金属間化合物結晶及びエンドタキシャル接合部分を含む組成は、
Ｓｎ ５０～６５質量％、
Ｃｕ ３０～４５質量％、
Ｓｂ １～２.５質量％、
Ｎｉ ０.３～０.５質量％、
Ｇｅ ０.００１質量％、
Ｓｉ ０.００１質量％、
Ｔｉ ０.００１質量％
であることが判明した。
また、金属間化合物結晶及びエンドタキシャル接合部分を含む組成は、
Ｓｎ ５０～６５質量％、
Ｃｕ ３０～４５質量％、
Ｓｂ １～２.５質量％、
Ｎｉ ０.３～０.５質量％、
Ｇｅ ０.００１質量％、
Ｓｉ ０.００１質量％、
Ｔｉ ０.００１質量％
であることが判明した。
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。
図３Ｂは、実施例１で得られた金属粒子１の断面のＳＴＥＭ像および部分分析結果である。
図３Ｂ左下部を参照すると、Ｓｎ、Ｓｎ－Ｃｕ合金およびＳｂを含む母相１４０中に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＳｉおよびＴｉからなる金属間化合物１２０が包含されて存在していることが分かる。また、図３Ｂ右部の拡大図によれば、母相１４０におけるＳｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物１２０との間で、格子定数（および結晶方位）が揃い、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３Ｂ右部の拡大図によれば、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３Ｂ左上部の母相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。
図３Ｂ左下部を参照すると、Ｓｎ、Ｓｎ－Ｃｕ合金およびＳｂを含む母相１４０中に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＳｉおよびＴｉからなる金属間化合物１２０が包含されて存在していることが分かる。また、図３Ｂ右部の拡大図によれば、母相１４０におけるＳｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物１２０との間で、格子定数（および結晶方位）が揃い、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３Ｂ右部の拡大図によれば、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３Ｂ左上部の母相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。
また図３Ｂから、本実施例の金属粒子１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。
次に、金属粒子１を乾粉圧接してシートを作成し、当該シートを金電極と銅基板との接合に用い、接合構造部を形成して、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、（-４０～２００℃）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。
その結果を図４Ａに示す。図４Ａ下段は図４Ａ上段の一部拡大図である。図４Ａの結果から、実施例１で作成した接合構造部は、クラック等が全く見られず、このことから、過酷な温度変動に対しても、金属間化合物の脆さを克服して優れた接合強度および機械的強度を維持できることが分かる。
また、実施例１で作成した接合構造部の断面のＳＴＥＭ像および部分分析結果を図４Ｂに示す。図４Ｂの左図は、実施例１で作成した接合構造部の断面のＳＴＥＭ像であり、中央図はその拡大写真であり、右図は更なる拡大写真である。図４Ｂの右図から、母相１４０におけるＳｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物１２０との間で、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４Ｂの右図から、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４Ｂの右図の母相１４０と金属間化合物１２０の界面の透過型電子回折パターン（Diffraction pattern）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。
また、（-４０～２００℃）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。
その結果を図４Ａに示す。図４Ａ下段は図４Ａ上段の一部拡大図である。図４Ａの結果から、実施例１で作成した接合構造部は、クラック等が全く見られず、このことから、過酷な温度変動に対しても、金属間化合物の脆さを克服して優れた接合強度および機械的強度を維持できることが分かる。
また、実施例１で作成した接合構造部の断面のＳＴＥＭ像および部分分析結果を図４Ｂに示す。図４Ｂの左図は、実施例１で作成した接合構造部の断面のＳＴＥＭ像であり、中央図はその拡大写真であり、右図は更なる拡大写真である。図４Ｂの右図から、母相１４０におけるＳｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物１２０との間で、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４Ｂの右図から、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４Ｂの右図の母相１４０と金属間化合物１２０の界面の透過型電子回折パターン（Diffraction pattern）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。
実施例２
原材料としてＣｕ１５質量％、Sb質量４．２６質量％、Ｎｉ０．２２質量％、Ｇｅ0.001質量％、Ｓｉ0.001質量％、Ｔｉ0.001質量％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。
また、金属粒子２においても、母相のＳｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物との間で、図３Ｂに示すようなエンドタキシャル接合が確認された。
原材料としてＣｕ１５質量％、Sb質量４．２６質量％、Ｎｉ０．２２質量％、Ｇｅ0.001質量％、Ｓｉ0.001質量％、Ｔｉ0.001質量％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。
また、金属粒子２においても、母相のＳｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物との間で、図３Ｂに示すようなエンドタキシャル接合が確認された。
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、（-４０～２００℃）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。
その結果を図５に示す。図５下段は図５上段の一部拡大図である。図５の結果から、実施例２で作成した接合構造部は、クラック等が全く見られず、このことから、過酷な温度変動に対しても、金属間化合物の脆さを克服して優れた接合強度および機械的強度を維持できることが分かる。
また、（-４０～２００℃）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。
その結果を図５に示す。図５下段は図５上段の一部拡大図である。図５の結果から、実施例２で作成した接合構造部は、クラック等が全く見られず、このことから、過酷な温度変動に対しても、金属間化合物の脆さを克服して優れた接合強度および機械的強度を維持できることが分かる。
実施例３
Ｃｕ8質量％、Sb0.3質量％、Ｎｉ0.9質量％、Ｇｅ0.001質量％、Ｓｉ0.001質量％、Ｔｉ0.001質量％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３を製造した。
Ｃｕ8質量％、Sb0.3質量％、Ｎｉ0.9質量％、Ｇｅ0.001質量％、Ｓｉ0.001質量％、Ｔｉ0.001質量％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３を製造した。
得られた金属粒子３は、図６Ａに示すような断面を有しており、金属粒子３断面のEDSによる元素マッピング分析を行ったところ（図６Ｂ参照）、金属粒子の組成はＣｕ８.２６質量％、Ｓｂ１.０質量％、Ｎｉ０.０９質量％、Ｇｅ０.００１質量％、Ｓｉ０.００１質量％、Ｔｉ０.００１質量％、残部Ｓｎであることが判明した。また、金属粒子３においても、母相のＳｎ－Ｃｕ合金と金属間化合物との間で、図３Ｂに示すようなエンドタキシャル接合が確認された。
また、金属間化合物結晶及びエンドタキシャル接合部分を含む組成は、
Ｓｎ ５０～６５質量％、
Ｃｕ ３０～４５質量％、
Ｓｂ ０.１～０.５質量％、
Ｎｉ ０.３～０.５質量％、
Ｇｅ ０.００１質量％、
Ｓｉ ０.００１質量％、
Ｔｉ ０.００１質量％
であることが判明した。
また、金属間化合物結晶及びエンドタキシャル接合部分を含む組成は、
Ｓｎ ５０～６５質量％、
Ｃｕ ３０～４５質量％、
Ｓｂ ０.１～０.５質量％、
Ｎｉ ０.３～０.５質量％、
Ｇｅ ０.００１質量％、
Ｓｉ ０.００１質量％、
Ｔｉ ０.００１質量％
であることが判明した。
次に、金属粒子３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、（-４０～２００℃）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。
また、（-４０～２００℃）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。
比較例
なお比較例として、実施例１の原材料においてＣｕ８質量％、Ｓｂ０質量％、Ｎｉ０.１質量％、Ｇｅ０.００１質量％、Ｓｉ０.００１質量％、Ｔｉ０.００１質量％および残部がＳｎからなる組成の原材料を用いたこと以外は、実施例１を繰り返し、接合構造部を形成し、（-４０～２００℃）の冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）を行い、金電極－銅基板の接合構造部の断面を光学顕微鏡像で観察した。
その結果を図７に示す。図７下段は図７上段の一部拡大図である。図７の結果から、比較例で作成した接合構造部は、クラックが発生し、このことから、過酷な温度変動に対して接合強度および機械的強度の維持が不可であることが分かった。
なお比較例として、実施例１の原材料においてＣｕ８質量％、Ｓｂ０質量％、Ｎｉ０.１質量％、Ｇｅ０.００１質量％、Ｓｉ０.００１質量％、Ｔｉ０.００１質量％および残部がＳｎからなる組成の原材料を用いたこと以外は、実施例１を繰り返し、接合構造部を形成し、（-４０～２００℃）の冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）を行い、金電極－銅基板の接合構造部の断面を光学顕微鏡像で観察した。
その結果を図７に示す。図７下段は図７上段の一部拡大図である。図７の結果から、比較例で作成した接合構造部は、クラックが発生し、このことから、過酷な温度変動に対して接合強度および機械的強度の維持が不可であることが分かった。
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。
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
１００ 基板
１０１ 金属/合金体
３００ 接合構造部
５００ 基板
５０１ 金属/合金体
１２０ 金属間化合物
１４０ 母相
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
１００ 基板
１０１ 金属/合金体
３００ 接合構造部
５００ 基板
５０１ 金属/合金体
１２０ 金属間化合物
１４０ 母相
Claims (3)
- Ｓｎと；
Ｓｎ－Ｃｕ合金と；
ＳｂまたはＢｉまたはＧａと；
を含む母相中に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＳｉおよびＴｉを含む金属間化合物結晶を有する、接合材用金属粒子であって、
前記金属粒子の組成が、Ｃｕ０．７～１５質量％、Ｎｉ０．１～５質量％、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％、残部がＳｎであり（ただし、不可避不純物０．１質量％以下で含み得る）、
前記母相の組成がＳｎ８５～９９．９質量％、Ｃｕ５質量％以下、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％であり、
前記母相中に前記金属間化合物が包含されて存在し、
粒子径が１μｍ～５０μｍであり、かつ
前記母相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、
ことを特徴とする接合材用金属粒子。 - 前記金属間化合物結晶及びエンドタキシャル接合部分を含む組成は、
Ｓｎ ５０～７０質量％、
Ｃｕ ３０～５０質量％、
Ｓｂ ０～３質量％、
Ｎｉ ０．１～６．５質量％、
Ｇｅ ０．００１～０．１質量％、
Ｓｉ ０．００１～０．１質量％、
Ｔｉ ０．００１～０．１質量％、
であることを特徴とする請求項１に記載の金属粒子。 - Ｓｎと；
Ｓｎ－Ｃｕ合金と；
ＳｂまたはＢｉまたはＧａと；を含む母相中に、
Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＳｉおよびＴｉを含む金属間化合物結晶及びエンドタキシャル接合部分を含む組成、を有し、金属体または合金体を接合する接合構造部であって、
前記接合構造部の組成が、Ｃｕ８～４５質量％、Ｎｉ０．１～５質量％、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％、Ｇｅ０．００１～０．１質量％、Ｓｉ０．００１～０．１質量％、Ｔｉ０．００１～０．１質量％、残部がＳｎであり（ただし、不可避不純物０．１質量％以下で含み得る）、
前記母相の組成がＳｎ８５～９９．９質量％、Ｃｕ５質量％以下、ＳｂまたはＢｉまたはＧａ０．１～１４質量％であり、
前記母相中に前記金属間化合物が包含されて存在し、
前記母相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
ことを特徴とする接合構造部。
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