JPH08238564A - 金属接合形成方法 - Google Patents
金属接合形成方法Info
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- JPH08238564A JPH08238564A JP7336248A JP33624895A JPH08238564A JP H08238564 A JPH08238564 A JP H08238564A JP 7336248 A JP7336248 A JP 7336248A JP 33624895 A JP33624895 A JP 33624895A JP H08238564 A JPH08238564 A JP H08238564A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低温の導電性接着剤のバルク中で信頼できる
金属接合を提供することである。 【解決手段】 はんだ付けプロセスの代わりになる金属
接合は、貴金属よりなる基板金属と、接着される表面の
うちの少なくとも1つに適用されるインジウム、スズま
たは鉛の金属被覆との合金を低温における過渡液相(T
LP)反応によって形成することで得られる。このよう
な導電性粒子を含むポリマー接着剤を介して接着面を並
置し、TLPプロセス開始前に、選択された金属系の共
融合金の融点よりも低い温度でポリマー接着剤を硬化さ
せることによって、表面間に圧縮力が生じ、合金化を容
易にする。また、低温での熱サイクル中に、機械的強度
および抵抗安定性の高い金属接合が形成される。
金属接合を提供することである。 【解決手段】 はんだ付けプロセスの代わりになる金属
接合は、貴金属よりなる基板金属と、接着される表面の
うちの少なくとも1つに適用されるインジウム、スズま
たは鉛の金属被覆との合金を低温における過渡液相(T
LP)反応によって形成することで得られる。このよう
な導電性粒子を含むポリマー接着剤を介して接着面を並
置し、TLPプロセス開始前に、選択された金属系の共
融合金の融点よりも低い温度でポリマー接着剤を硬化さ
せることによって、表面間に圧縮力が生じ、合金化を容
易にする。また、低温での熱サイクル中に、機械的強度
および抵抗安定性の高い金属接合が形成される。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、導電性機
械接合を低温で形成する方法に関する。さらに詳細に
は、そのような接合の形成に使用される導電性接着剤の
電気的および機械的安定化に関する。
械接合を低温で形成する方法に関する。さらに詳細に
は、そのような接合の形成に使用される導電性接着剤の
電気的および機械的安定化に関する。
【0002】
【従来の技術】はんだは、長い間、金属その他の導電性
材料間にボンドを形成するための最良の主要材料であっ
た。非常に選択的な表面ぬれ特性をもつフラックスなど
のように、様々な技法および材料が、はんだ接合を集積
回路やマルチチップ・モジュール技術分野にも適用する
ために開発されている。これらの技術分野では、その表
面上にはんだ継手を形成する際に、電気的に絶縁してお
かねばならない導体間の間隔は非常に狭い。
材料間にボンドを形成するための最良の主要材料であっ
た。非常に選択的な表面ぬれ特性をもつフラックスなど
のように、様々な技法および材料が、はんだ接合を集積
回路やマルチチップ・モジュール技術分野にも適用する
ために開発されている。これらの技術分野では、その表
面上にはんだ継手を形成する際に、電気的に絶縁してお
かねばならない導体間の間隔は非常に狭い。
【0003】はんだ接合そのものに使用される材料はた
いてい、スズと鉛の混合物または合金である。これらの
材料は、220℃以上の融点を有する。この温度範囲
は、比較的低く、種々様々な方法で容易に達成される
が、いくつかの材料および装置は、そのような温度によ
って破損することがある。いくつかの応用例に関して
は、局部加熱によるヒートシンクが、はんだボンドをう
まく形成するための解決法となる。しかしながら、ヒー
トシンクを使用する場合、一般に、ヒートシンクへの熱
接続の効率がやや不確かであるので、許容できる熱量よ
りも大きい熱量が加わる可能性がある。
いてい、スズと鉛の混合物または合金である。これらの
材料は、220℃以上の融点を有する。この温度範囲
は、比較的低く、種々様々な方法で容易に達成される
が、いくつかの材料および装置は、そのような温度によ
って破損することがある。いくつかの応用例に関して
は、局部加熱によるヒートシンクが、はんだボンドをう
まく形成するための解決法となる。しかしながら、ヒー
トシンクを使用する場合、一般に、ヒートシンクへの熱
接続の効率がやや不確かであるので、許容できる熱量よ
りも大きい熱量が加わる可能性がある。
【0004】したがって、温度を厳密に制御するために
は、接合を形成する材料を適所に置いて装置を炉内で全
体的に加熱することが最良の技法である。もちろん、全
体加熱の場合、その中に存在し、最大温度に達すると破
損する可能性のある、温度に敏感な材料が保護される可
能性はない。最近開発された低誘電率材料の場合のよう
に、材料の破損する温度がはんだ材料の融点よりも低い
場合は、はんだ接合はまったく適切ではなく、低誘電率
材料を選択させたその特性を損なわずに形成できない。
は、接合を形成する材料を適所に置いて装置を炉内で全
体的に加熱することが最良の技法である。もちろん、全
体加熱の場合、その中に存在し、最大温度に達すると破
損する可能性のある、温度に敏感な材料が保護される可
能性はない。最近開発された低誘電率材料の場合のよう
に、材料の破損する温度がはんだ材料の融点よりも低い
場合は、はんだ接合はまったく適切ではなく、低誘電率
材料を選択させたその特性を損なわずに形成できない。
【0005】導電性機械接合を形成するための導電性接
着剤は周知である。そのような導電性接着剤は、一般
に、熱硬化性または熱可塑性結合剤中に高濃度の導電性
プラスチックを含む。導電は、いずれにせよ、粒子間の
緊密な表面接触を維持する粒子間の圧縮力に依存する。
そのような圧縮力は、一般に、熱硬化性結合剤が硬化す
る際の体積減少か、または熱可塑性結合剤を用いた場合
の接合リフローによって得られる。
着剤は周知である。そのような導電性接着剤は、一般
に、熱硬化性または熱可塑性結合剤中に高濃度の導電性
プラスチックを含む。導電は、いずれにせよ、粒子間の
緊密な表面接触を維持する粒子間の圧縮力に依存する。
そのような圧縮力は、一般に、熱硬化性結合剤が硬化す
る際の体積減少か、または熱可塑性結合剤を用いた場合
の接合リフローによって得られる。
【0006】しかしながら、いずれの場合にも、結合剤
のマトリックスは熱サイクル中にクリープする傾向があ
る。その結果、圧縮力が失われ、いくつかの粒子間の機
械的接触が破壊される。すなわち、時間が経過するにつ
れて抵抗がドリフトし、少なくとも接続の抵抗が不安定
になる。ひどい場合には、しばしば不意に、特定の装置
または回路を使用し始めた後で、いくつかの接続の電気
的完全性が完全に失われる。
のマトリックスは熱サイクル中にクリープする傾向があ
る。その結果、圧縮力が失われ、いくつかの粒子間の機
械的接触が破壊される。すなわち、時間が経過するにつ
れて抵抗がドリフトし、少なくとも接続の抵抗が不安定
になる。ひどい場合には、しばしば不意に、特定の装置
または回路を使用し始めた後で、いくつかの接続の電気
的完全性が完全に失われる。
【0007】要するに、導電性接着剤で形成した接続
は、一般に、導電性粒子間の圧縮力が徐々に失われた
り、緩やかな熱サイクルによっても時間が経つにつれて
ひどく損なわれるために、信頼性がなかった。一般に、
粒子間の接触は、粒子が通常球体であるために非常に小
さい領域にしかわたらないので、比較的少数の粒子間で
さえ信頼できる圧縮力が失われ、そのため、特に熱循環
中に、接続の抵抗がかなり変動する。したがって、抵抗
が不安定なため、連続性が失われるまでに至らなくと
も、回路の性能が著しく変化する。
は、一般に、導電性粒子間の圧縮力が徐々に失われた
り、緩やかな熱サイクルによっても時間が経つにつれて
ひどく損なわれるために、信頼性がなかった。一般に、
粒子間の接触は、粒子が通常球体であるために非常に小
さい領域にしかわたらないので、比較的少数の粒子間で
さえ信頼できる圧縮力が失われ、そのため、特に熱循環
中に、接続の抵抗がかなり変動する。したがって、抵抗
が不安定なため、連続性が失われるまでに至らなくと
も、回路の性能が著しく変化する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、低温で得られる、導電性接着剤のバルク中での
信頼できる金属接合を提供することである。
目的は、低温で得られる、導電性接着剤のバルク中での
信頼できる金属接合を提供することである。
【0009】本発明の他の目的は、はんだ継手を形成で
きる温度より低い温度で、安定した金属接合を、その中
の粒子間に形成できる導電性接着剤を提供することであ
る。
きる温度より低い温度で、安定した金属接合を、その中
の粒子間に形成できる導電性接着剤を提供することであ
る。
【0010】本発明の他の目的は、熱サイクルが行われ
る時間中、安定性を低下させるのではなく、安定性を高
める、導電性接着剤のバルク内で等方性また異方性の接
続を形成する機構を提供することである。
る時間中、安定性を低下させるのではなく、安定性を高
める、導電性接着剤のバルク内で等方性また異方性の接
続を形成する機構を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の上記その他の目
的を達成するために、少なくとも1つの表面上に金属被
覆を施すステップと、金属表面間に圧縮力を加えるステ
ップと、金属被覆と2つの金属表面の両方とを237℃
またはそれ以下の温度で合金化するステップとを含む、
2つの金属表面間に金属ボンドを形成する方法が提供さ
れる。
的を達成するために、少なくとも1つの表面上に金属被
覆を施すステップと、金属表面間に圧縮力を加えるステ
ップと、金属被覆と2つの金属表面の両方とを237℃
またはそれ以下の温度で合金化するステップとを含む、
2つの金属表面間に金属ボンドを形成する方法が提供さ
れる。
【0012】本発明の他の様態によれば、貴金属とイン
ジウム、スズおよび鉛からなるグループから選択された
金属との合金よりなる2つの貴金属体間にあって、前記
2つの貴金属体内に延びる領域を含む、金属接合を有す
る装置が提供される。
ジウム、スズおよび鉛からなるグループから選択された
金属との合金よりなる2つの貴金属体間にあって、前記
2つの貴金属体内に延びる領域を含む、金属接合を有す
る装置が提供される。
【0013】
【発明の実施の形態】図1を参照すると、等方性導電接
合10の断面が示されている。図1は、本発明以外のシ
ステムをも本発明自体をも表す形状を示すので「関連技
術」と表示してある。したがって、図1には、本発明に
関して従来技術であると認められる部分はないことを理
解されたい。
合10の断面が示されている。図1は、本発明以外のシ
ステムをも本発明自体をも表す形状を示すので「関連技
術」と表示してある。したがって、図1には、本発明に
関して従来技術であると認められる部分はないことを理
解されたい。
【0014】2つの隆起接続パッド12、14の間にこ
の等方性導電接続を形成するには、一般に、球体導電性
粒子16を、熱硬化性または熱可塑性ポリマー接着剤中
に、高い濃度、好ましくはパーコレーションしきい値よ
り高い比率で混合し、隆起パッドの一方または両方の上
に塗布する。対向表面を位置合せして並置し、圧着す
る。次いで、この接続を、ポリマー接着剤を硬化させる
のに十分な時間高温で処理して、導電性粒子が圧縮され
て互いに接触しているマトリックス18を形成する。こ
の圧縮力は、熱硬化性接着剤の体積減少か、または硬化
プロセス中の熱可塑性材料の接合リフローによって生じ
る。
の等方性導電接続を形成するには、一般に、球体導電性
粒子16を、熱硬化性または熱可塑性ポリマー接着剤中
に、高い濃度、好ましくはパーコレーションしきい値よ
り高い比率で混合し、隆起パッドの一方または両方の上
に塗布する。対向表面を位置合せして並置し、圧着す
る。次いで、この接続を、ポリマー接着剤を硬化させる
のに十分な時間高温で処理して、導電性粒子が圧縮され
て互いに接触しているマトリックス18を形成する。こ
の圧縮力は、熱硬化性接着剤の体積減少か、または硬化
プロセス中の熱可塑性材料の接合リフローによって生じ
る。
【0015】しかしながら、どちらの接着剤マトリック
ス材料も、時間の経過および熱サイクルによりクリープ
する傾向があり、導電性粒子間の圧縮力が徐々に失わ
れ、接続の導電率が損なわれる。したがって、圧縮力が
減少する際の導電率の損失の影響を回避するために、本
発明では、接着材料の硬化の直後に圧縮力が最大のとき
粒子間に金属ボンドを形成するようにしている。
ス材料も、時間の経過および熱サイクルによりクリープ
する傾向があり、導電性粒子間の圧縮力が徐々に失わ
れ、接続の導電率が損なわれる。したがって、圧縮力が
減少する際の導電率の損失の影響を回避するために、本
発明では、接着材料の硬化の直後に圧縮力が最大のとき
粒子間に金属ボンドを形成するようにしている。
【0016】本発明では、いわゆる過渡液相(TLP)
反応を利用して金属上での合金化を行う。基本的には、
2つの金属を圧接し加熱すると、金属を接触させた位置
のまわりの液化領域において、その合金に特徴的な2つ
の金属それぞれの濃度または比率を有する、低融点共融
合金が形成される。この領域は、熱が加えられ、各金属
の十分な量が使用可能な限り、金属が混合するにつれて
拡大する。加熱は、いつでも中断し、また再開してプロ
セスを続行することができる。一方の金属の量が限られ
ている場合、他方の金属の濃度が増加するにつれて、一
方の金属の濃度が相対的に減少し、合金の融点が上昇す
るので、このプロセスも制限される。プロセスが限界に
達すると、得られる合金の融点が主要金属の融点に近づ
く。
反応を利用して金属上での合金化を行う。基本的には、
2つの金属を圧接し加熱すると、金属を接触させた位置
のまわりの液化領域において、その合金に特徴的な2つ
の金属それぞれの濃度または比率を有する、低融点共融
合金が形成される。この領域は、熱が加えられ、各金属
の十分な量が使用可能な限り、金属が混合するにつれて
拡大する。加熱は、いつでも中断し、また再開してプロ
セスを続行することができる。一方の金属の量が限られ
ている場合、他方の金属の濃度が増加するにつれて、一
方の金属の濃度が相対的に減少し、合金の融点が上昇す
るので、このプロセスも制限される。プロセスが限界に
達すると、得られる合金の融点が主要金属の融点に近づ
く。
【0017】この反応を利用して等方性導電接続をつく
るためには、導電性粒子を、図2に従って形成すること
が好ましい。具体的には、約10〜15ミクロンの好ま
しい大きさを有する支持金属または基材金属(「S」で
示す)の粒子を形成し、周知のプロセスによって、所期
の合金の形成に適した他の金属(「X」で示す)で約
1.0〜1.5ミクロンの厚さに被覆する。TLPプロ
セスは、理論上、金属のどんな組合せでも実行できる
が、220℃を大きく越えない温度で高導電接続を形成
するのに適した金属の選択枝は比較的限られている。
るためには、導電性粒子を、図2に従って形成すること
が好ましい。具体的には、約10〜15ミクロンの好ま
しい大きさを有する支持金属または基材金属(「S」で
示す)の粒子を形成し、周知のプロセスによって、所期
の合金の形成に適した他の金属(「X」で示す)で約
1.0〜1.5ミクロンの厚さに被覆する。TLPプロ
セスは、理論上、金属のどんな組合せでも実行できる
が、220℃を大きく越えない温度で高導電接続を形成
するのに適した金属の選択枝は比較的限られている。
【0018】銀は、比導電率が最も高く銅や金がこれに
続くことが周知であるので、これらの金属のうちの1つ
を導電性粒子の基材金属Sとして選択すべきである。こ
れらの金属は、それらの外殻電子構造のために貴金属と
呼ばれ、インジウムやスズとの合金にすると同様の挙動
を示す。(ここで使用する「base metal」と
いう語は、「主金属」、「支持金属」または「基質金
属」という意味で使用しており、「貴金属」に対する
「卑金属」であると考えてはならないことに留意された
い。)合金の材料は、それにより形成できる共融合金の
融点に基づいて選択すべきである。金属の多数の組合せ
の状態図は、文献に出ており、そこから適切な選択が容
易に行える。本発明の実施に好ましい金属系に対応する
状態図の例が図3ないし図9に示されている。
続くことが周知であるので、これらの金属のうちの1つ
を導電性粒子の基材金属Sとして選択すべきである。こ
れらの金属は、それらの外殻電子構造のために貴金属と
呼ばれ、インジウムやスズとの合金にすると同様の挙動
を示す。(ここで使用する「base metal」と
いう語は、「主金属」、「支持金属」または「基質金
属」という意味で使用しており、「貴金属」に対する
「卑金属」であると考えてはならないことに留意された
い。)合金の材料は、それにより形成できる共融合金の
融点に基づいて選択すべきである。金属の多数の組合せ
の状態図は、文献に出ており、そこから適切な選択が容
易に行える。本発明の実施に好ましい金属系に対応する
状態図の例が図3ないし図9に示されている。
【0019】具体的には、図3は、153℃の共融点を
示す銅−インジウム系の状態図である。図4は、227
℃の共融点を示す銅−スズ系の状態図である。図5およ
び図6は、それぞれ141℃および221℃の共融点を
示す銀−インジウム系および銀−スズ系の状態図であ
る。図7および図8は、それぞれ156℃および217
℃の融点を示す金−インジウム系および金−スズ系の状
態図である。図9は、212.5℃の共融点を示す金−
鉛系の状態図である。
示す銅−インジウム系の状態図である。図4は、227
℃の共融点を示す銅−スズ系の状態図である。図5およ
び図6は、それぞれ141℃および221℃の共融点を
示す銀−インジウム系および銀−スズ系の状態図であ
る。図7および図8は、それぞれ156℃および217
℃の融点を示す金−インジウム系および金−スズ系の状
態図である。図9は、212.5℃の共融点を示す金−
鉛系の状態図である。
【0020】導電率の観点から見ると、これらの系はす
べて望ましい。インジウム(S−In)を含む系はすべ
て150℃に近い共融点を有する。スズ(S−Sn)を
含む系および金−鉛系は、220℃付近の共融点を有す
る。TLP反応は、それぞれの共融点より5℃〜15℃
高い温度範囲で、比較的短い時間(約10分)で実行で
き、したがって最近開発された低誘電率材料を破損する
温度より低い温度で金属接合を製造するのに非常に適し
ている。
べて望ましい。インジウム(S−In)を含む系はすべ
て150℃に近い共融点を有する。スズ(S−Sn)を
含む系および金−鉛系は、220℃付近の共融点を有す
る。TLP反応は、それぞれの共融点より5℃〜15℃
高い温度範囲で、比較的短い時間(約10分)で実行で
き、したがって最近開発された低誘電率材料を破損する
温度より低い温度で金属接合を製造するのに非常に適し
ている。
【0021】さらに、硬化によりTLP反応を最も確実
に進行させる圧縮力が生じるので、ポリマー接着剤の硬
化は、TLP反応が開始する温度より低い温度で、TL
P反応を行わせる前に実行することが望ましい。幸いな
ことに、既知の熱硬化性ポリマー接着剤は、一般に10
0℃ないし200℃の温度範囲で硬化させることがで
き、既知の熱可塑性接着剤の場合は、融解および接合リ
フローを135℃ないし300℃の温度範囲で行う。し
たがって、どちらの種類の材料にも、TLP反応を実行
する前に硬化させ、得られた接着剤マトリックス内の導
電性粒子間に圧縮力を発生させるのに適した、硬化温度
の範囲があることがわかる。TLP反応は、前述の金属
系のいずれかを使用して、選択した特定の金属系の共融
点よりも好ましくは約10℃高い温度で実行する。ただ
し、破損する恐れのある他の材料が存在するために、こ
の温度差が制限されることがある。すなわち、共融点よ
り10℃高い温度差では、前述の金属系では、最高で2
37℃の温度が必要であり、本発明の他の金属系ではそ
れを実施するのにそれよりも低い温度で十分なことにな
る。合金プロセスを行わせるのに時間の追加が許される
場合は、やや低い温度も使用できる。本発明による金属
接合を含む装置を製造する間にプロセスがすべて完全に
完了している必要はなく、後の熱循環や後で行う熱処理
(アニールなど)が、このプロセスを続行し接合を強化
するのに役立つことにも留意されたい。
に進行させる圧縮力が生じるので、ポリマー接着剤の硬
化は、TLP反応が開始する温度より低い温度で、TL
P反応を行わせる前に実行することが望ましい。幸いな
ことに、既知の熱硬化性ポリマー接着剤は、一般に10
0℃ないし200℃の温度範囲で硬化させることがで
き、既知の熱可塑性接着剤の場合は、融解および接合リ
フローを135℃ないし300℃の温度範囲で行う。し
たがって、どちらの種類の材料にも、TLP反応を実行
する前に硬化させ、得られた接着剤マトリックス内の導
電性粒子間に圧縮力を発生させるのに適した、硬化温度
の範囲があることがわかる。TLP反応は、前述の金属
系のいずれかを使用して、選択した特定の金属系の共融
点よりも好ましくは約10℃高い温度で実行する。ただ
し、破損する恐れのある他の材料が存在するために、こ
の温度差が制限されることがある。すなわち、共融点よ
り10℃高い温度差では、前述の金属系では、最高で2
37℃の温度が必要であり、本発明の他の金属系ではそ
れを実施するのにそれよりも低い温度で十分なことにな
る。合金プロセスを行わせるのに時間の追加が許される
場合は、やや低い温度も使用できる。本発明による金属
接合を含む装置を製造する間にプロセスがすべて完全に
完了している必要はなく、後の熱循環や後で行う熱処理
(アニールなど)が、このプロセスを続行し接合を強化
するのに役立つことにも留意されたい。
【0022】完璧を期して、次に図10を参照して、等
方性導電接続を形成するためのTLP反応について詳細
に議論する。最初に、図10(a)は、図2による2つ
の導電性粒子の接触点を示す。この接触は、硬化した接
着剤マトリックスによって維持される圧縮力により行わ
れると仮定する。図10(b)に示すように、温度が、
選択された金属系に対応する共融合金の融点に達しそれ
を越えると、被覆金属Xは、領域112の基材金属S内
に幾分拡散し、基材金属と被覆金属の元の界面の位置に
液相合金が形成される。図10(c)に示すように、後
で適温を維持する間、液相は、113に示すように、元
の被覆領域と、被覆金属Xの濃度が基材金属Sと共融合
金を形成するのに十分である基材金属の領域中に広が
る。時間が経過し反応が終わる時(または冷却時)、合
金中の基材金属の質量が被覆金属の利用可能な質量を越
え始める(例えば、被覆材料が、合金化によって減損す
る)と、得られた合金の融点が上昇するので、固相のS
リッチ(例えば基質金属リッチ)な合金が領域114中
に形成される(図10(d))。したがって、金属接合
が粒子間に形成され、合金の特性が、基材金属の特性に
近づくようになる。例えば、さらに熱サイクルを続ける
と、合金の焼きなまし温度が上昇して、基材金属の焼き
なまし温度に近づく。液相の存在はまた、硬化した接着
剤マトリックスの圧縮力をいくらか緩和するのにも役立
ち、接着剤マトリックスによるものと考えられる接続強
度の一部も、本発明により増加する。
方性導電接続を形成するためのTLP反応について詳細
に議論する。最初に、図10(a)は、図2による2つ
の導電性粒子の接触点を示す。この接触は、硬化した接
着剤マトリックスによって維持される圧縮力により行わ
れると仮定する。図10(b)に示すように、温度が、
選択された金属系に対応する共融合金の融点に達しそれ
を越えると、被覆金属Xは、領域112の基材金属S内
に幾分拡散し、基材金属と被覆金属の元の界面の位置に
液相合金が形成される。図10(c)に示すように、後
で適温を維持する間、液相は、113に示すように、元
の被覆領域と、被覆金属Xの濃度が基材金属Sと共融合
金を形成するのに十分である基材金属の領域中に広が
る。時間が経過し反応が終わる時(または冷却時)、合
金中の基材金属の質量が被覆金属の利用可能な質量を越
え始める(例えば、被覆材料が、合金化によって減損す
る)と、得られた合金の融点が上昇するので、固相のS
リッチ(例えば基質金属リッチ)な合金が領域114中
に形成される(図10(d))。したがって、金属接合
が粒子間に形成され、合金の特性が、基材金属の特性に
近づくようになる。例えば、さらに熱サイクルを続ける
と、合金の焼きなまし温度が上昇して、基材金属の焼き
なまし温度に近づく。液相の存在はまた、硬化した接着
剤マトリックスの圧縮力をいくらか緩和するのにも役立
ち、接着剤マトリックスによるものと考えられる接続強
度の一部も、本発明により増加する。
【0023】TLP反応は、図11に示すように、異方
性導電接続を形成するのにも使用できる。図11は、等
方性導電接合の形成にも適用できる本発明のいくつかの
変形例も示す。具体的には、図11は、パッドの表面が
導電性粒子の単一層でもって接触せんばかりに互いによ
り近接している隆起パッド間の接続を示す。導電性接着
剤が、隆起パッド間から押し出され、それに圧力はかか
らない。金属粒子の濃度は、圧力がかからない領域にお
いて粒子間の接触を回避するために、等方性接合を形成
する場合よりもやや低くなり、導電性粒子の濃度を、パ
ーコレーションしきい値未満とすることが好ましい。ま
た、異方性導電接合を形成する場合、導電性粒子間で合
金化が生じないように、被覆を導電性粒子には塗布せ
ず、隆起パッド上の層115上にのみに塗布することが
好ましい。
性導電接続を形成するのにも使用できる。図11は、等
方性導電接合の形成にも適用できる本発明のいくつかの
変形例も示す。具体的には、図11は、パッドの表面が
導電性粒子の単一層でもって接触せんばかりに互いによ
り近接している隆起パッド間の接続を示す。導電性接着
剤が、隆起パッド間から押し出され、それに圧力はかか
らない。金属粒子の濃度は、圧力がかからない領域にお
いて粒子間の接触を回避するために、等方性接合を形成
する場合よりもやや低くなり、導電性粒子の濃度を、パ
ーコレーションしきい値未満とすることが好ましい。ま
た、異方性導電接合を形成する場合、導電性粒子間で合
金化が生じないように、被覆を導電性粒子には塗布せ
ず、隆起パッド上の層115上にのみに塗布することが
好ましい。
【0024】図12(a)は、その上に合金の被覆を有
する貴金属の2つの隆起パッド116の間のSで示した
貴金属の単一粒子(S)の拡大断面図を示す。本発明の
等方性導電接合の実施例の場合と同様に、温度が上昇
し、選択した金属系の共融合金の融点を越えると、11
8に示すように、被覆金属がパッドと導電性粒子の両方
の基材金属中に拡散し、図12(b)に示すように、液
相領域117が粒子とパッドの間の界面に形成される。
TLP反応が進むにつれて、図12(c)に示すよう
に、液相は、被覆領域中に広がり、粒子とパッドの両方
の基材金属内にも幾分広がる。図12(d)に示すよう
に、プロセスが完了したとき、固相Sリッチ合金領域1
20は、粒子全体および両方の隆起パッドに広がってい
る。被覆材は、Sリッチ合金を直接囲む領域内で減損す
ることに留意されたい。
する貴金属の2つの隆起パッド116の間のSで示した
貴金属の単一粒子(S)の拡大断面図を示す。本発明の
等方性導電接合の実施例の場合と同様に、温度が上昇
し、選択した金属系の共融合金の融点を越えると、11
8に示すように、被覆金属がパッドと導電性粒子の両方
の基材金属中に拡散し、図12(b)に示すように、液
相領域117が粒子とパッドの間の界面に形成される。
TLP反応が進むにつれて、図12(c)に示すよう
に、液相は、被覆領域中に広がり、粒子とパッドの両方
の基材金属内にも幾分広がる。図12(d)に示すよう
に、プロセスが完了したとき、固相Sリッチ合金領域1
20は、粒子全体および両方の隆起パッドに広がってい
る。被覆材は、Sリッチ合金を直接囲む領域内で減損す
ることに留意されたい。
【0025】前記の点から、本発明は、装置内または接
続部に近い他の材料を破損する恐れのある、はんだ付け
プロセスに適した温度より低い温度での熱サイクル中
に、機械的強度および抵抗安定性の高い導電性金属接合
を提供することが明らかにわかる。
続部に近い他の材料を破損する恐れのある、はんだ付け
プロセスに適した温度より低い温度での熱サイクル中
に、機械的強度および抵抗安定性の高い導電性金属接合
を提供することが明らかにわかる。
【0026】本発明は、はんだ付けの代わりに、潜在的
な環境汚染物質である鉛の使用を完全に回避できる金属
接合を形成するシステムを提供することにも留意された
い。さらに、本発明は、はんだ入りペーストに使用でき
るよりもはるかに小さいサイズの導電性粒子を使用して
実施でき、したがって、本発明、特に異方性導電接合を
提供する変形例は、はんだ付け技法で可能なよりもはる
かに小さく密な間隔の導体上で実施できることも理解さ
れたい。
な環境汚染物質である鉛の使用を完全に回避できる金属
接合を形成するシステムを提供することにも留意された
い。さらに、本発明は、はんだ入りペーストに使用でき
るよりもはるかに小さいサイズの導電性粒子を使用して
実施でき、したがって、本発明、特に異方性導電接合を
提供する変形例は、はんだ付け技法で可能なよりもはる
かに小さく密な間隔の導体上で実施できることも理解さ
れたい。
【0027】本発明を単一の好ましい実施例について説
明したが、当業者は、本発明は、添付の特許請求の範囲
の精神および範囲内で修正を加えて実施できることを理
解するであろう。例えば、本発明の方法を用いて、異な
る貴金属を、関係する2つの金属系それぞれの2つの共
融合金の高いほうの融点によって決定される温度で接着
することができる。異なる被覆金属の組合せを使用する
ことも可能である。
明したが、当業者は、本発明は、添付の特許請求の範囲
の精神および範囲内で修正を加えて実施できることを理
解するであろう。例えば、本発明の方法を用いて、異な
る貴金属を、関係する2つの金属系それぞれの2つの共
融合金の高いほうの融点によって決定される温度で接着
することができる。異なる被覆金属の組合せを使用する
ことも可能である。
【0028】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【0029】(1)2つの金属表面間に金属接合を形成
する方法において、前記金属表面の少なくとも1つの上
に金属被覆を配置するステップと、前記金属表面に圧縮
力を加えるステップと、237℃以下の温度で、前記金
属被覆と前記2つの金属表面の両方とを合金化するステ
ップとを含む、金属接合形成方法。 (2)前記2つの金属表面がそれぞれ貴金属であること
を特徴とする、上記(1)に記載の方法。 (3)前記金属表面の少なくとも1つが導電性粒子の表
面であるであることを特徴とする、上記(1)に記載の
方法。 (4)前記金属被覆が、インジウム、スズおよび鉛から
なるグループから選択されることを特徴とする、上記
(1)または(3)に記載の方法。 (5)前記金属被覆が、前記粒子に付着されることを特
徴とする、上記(3)に記載の方法。 (6)前記圧縮力が、前記導電性粒子を含む硬化接着剤
マトリックスによって加えられることを特徴とする、上
記(3)に記載の方法。 (7)導電性粒子を形成するステップと、前記粒子をポ
リマー接着剤中に分散させるステップとをさらに含む、
上記(1)に記載の方法。 (8)前記金属接合が等方性導電接続を形成し、前記ポ
リマー接着剤中の前記粒子の体積比が、パーコレーショ
ンしきい値より上であることを特徴とする、上記(7)
に記載の方法。 (9)前記金属接合が異方性導電接続を形成し、前記ポ
リマー接着剤中の前記粒子の体積比が、パーコレーショ
ンしきい値より下であることを特徴とする、上記(7)
に記載の方法。 (10)2つの貴金属本体間にあって、前記2つの貴金
属本体内に延びる領域を含み、貴金属と、インジウム、
スズおよび鉛からなるグループから選択された金属の合
金を含む、金属接合を含む装置。
する方法において、前記金属表面の少なくとも1つの上
に金属被覆を配置するステップと、前記金属表面に圧縮
力を加えるステップと、237℃以下の温度で、前記金
属被覆と前記2つの金属表面の両方とを合金化するステ
ップとを含む、金属接合形成方法。 (2)前記2つの金属表面がそれぞれ貴金属であること
を特徴とする、上記(1)に記載の方法。 (3)前記金属表面の少なくとも1つが導電性粒子の表
面であるであることを特徴とする、上記(1)に記載の
方法。 (4)前記金属被覆が、インジウム、スズおよび鉛から
なるグループから選択されることを特徴とする、上記
(1)または(3)に記載の方法。 (5)前記金属被覆が、前記粒子に付着されることを特
徴とする、上記(3)に記載の方法。 (6)前記圧縮力が、前記導電性粒子を含む硬化接着剤
マトリックスによって加えられることを特徴とする、上
記(3)に記載の方法。 (7)導電性粒子を形成するステップと、前記粒子をポ
リマー接着剤中に分散させるステップとをさらに含む、
上記(1)に記載の方法。 (8)前記金属接合が等方性導電接続を形成し、前記ポ
リマー接着剤中の前記粒子の体積比が、パーコレーショ
ンしきい値より上であることを特徴とする、上記(7)
に記載の方法。 (9)前記金属接合が異方性導電接続を形成し、前記ポ
リマー接着剤中の前記粒子の体積比が、パーコレーショ
ンしきい値より下であることを特徴とする、上記(7)
に記載の方法。 (10)2つの貴金属本体間にあって、前記2つの貴金
属本体内に延びる領域を含み、貴金属と、インジウム、
スズおよび鉛からなるグループから選択された金属の合
金を含む、金属接合を含む装置。
【図1】2つの隆起パッドの間に形成された等方性導電
接続の断面図である。
接続の断面図である。
【図2】本発明による導電性粒子の一形態の断面図であ
る。
る。
【図3】本発明に有用な金属合金系である銅−インジウ
ム系の状態図である。
ム系の状態図である。
【図4】本発明に有用な金属合金系である銅−スズ系の
状態図である。
状態図である。
【図5】本発明に有用な金属合金系である銀−インジウ
ム系の状態図である。
ム系の状態図である。
【図6】本発明に有用な金属合金系である銀−スズ系の
状態図である。
状態図である。
【図7】本発明に有用な金属合金系である金−インジウ
ム系の状態図である。
ム系の状態図である。
【図8】本発明に有用な金属合金系である銀−インジウ
ム系の状態図である。
ム系の状態図である。
【図9】本発明に有用な金属合金系である金−鉛系の状
態図である。
態図である。
【図10】本発明による等方性導電接続の形成過程を示
す断面図である。
す断面図である。
【図11】本発明による異方性導電接続の形状の断面図
である。
である。
【図12】本発明による異方性導電接続の形成過程を示
す断面図である。
す断面図である。
10 等方性導電接続 12 隆起接続パッド 14 隆起接続パッド 16 球体導電性粒子 18 マトリックス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コスタス・パパトマス アメリカ合衆国13760 ニューヨーク州エ ンディコット コベントリー・ロード 75 (72)発明者 ジーナ・エム・フェラン アメリカ合衆国13760 ニューヨーク州エ ンディコット マーセラ・ストリート 634 (72)発明者 チャールズ・ジェラード・ウォイチク アメリカ合衆国13850 ニューヨーク州ヴ ェスタルブルック・ヒル・アベニュー 412
Claims (10)
- 【請求項1】2つの金属表面間に金属接合を形成する方
法において、 前記金属表面の少なくとも1つの上に金属被覆を配置す
るステップと、 前記金属表面に圧縮力を加えるステップと、 237℃以下の温度で、前記金属被覆と前記2つの金属
表面の両方とを合金化するステップとを含む、金属接合
形成方法。 - 【請求項2】前記2つの金属表面がそれぞれ貴金属であ
ることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】前記金属表面の少なくとも1つが導電性粒
子の表面であるであることを特徴とする、請求項1に記
載の方法。 - 【請求項4】前記金属被覆が、インジウム、スズおよび
鉛からなるグループから選択されることを特徴とする、
請求項1または3に記載の方法。 - 【請求項5】前記金属被覆が、前記粒子に付着されるこ
とを特徴とする、請求項3に記載の方法。 - 【請求項6】前記圧縮力が、前記導電性粒子を含む硬化
接着剤マトリックスによって加えられることを特徴とす
る、請求項3に記載の方法。 - 【請求項7】導電性粒子を形成するステップと、 前記粒子をポリマー接着剤中に分散させるステップとを
さらに含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項8】前記金属接合が等方性導電接続を形成し、
前記ポリマー接着剤中の前記粒子の体積比が、パーコレ
ーションしきい値より上であることを特徴とする、請求
項7に記載の方法。 - 【請求項9】前記金属接合が異方性導電接続を形成し、
前記ポリマー接着剤中の前記粒子の体積比が、パーコレ
ーションしきい値より下であることを特徴とする、請求
項7に記載の方法。 - 【請求項10】2つの貴金属本体間にあって、前記2つ
の貴金属本体内に延びる領域を含み、貴金属と、インジ
ウム、スズおよび鉛からなるグループから選択された金
属の合金を含む、金属接合を含む装置。
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