JPWO2013038817A1 - 導電性材料、それを用いた接続方法、および接続構造 - Google Patents
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Abstract
例えばソルダペーストとして用いた場合に、はんだ付け工程における第1金属と第2金属の拡散性が良好で、低温かつ短時間で融点の高い金属間化合物を生成し、はんだ付け後に第1金属がほとんど残留せず、耐熱強度に優れた導電性材料およびそれを用いた、接続信頼性の高い接続方法および接続構造を提供する。第1金属と、それよりも融点の高い第2金属とからなる金属成分とを含み、第1金属が、SnまたはSnを含む合金であり、第2金属が、第1金属と、310℃以上の融点を示す金属間化合物を生成するCu−Cr合金であることを要件として備えた構成とする。第1金属として、Sn単体、または、Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Pの少なくとも1種とSnとを含む合金を用いることができる。
Description
本発明は、導電性材料、それを用いた接続方法、および接続構造に関し、詳しくは、例えば、電子部品の実装や、ビア接続などに用いられる導電性材料、またそれを用いた接続方法、および、接続構造に関する。
電子部品の実装の際に用いる導電性材料としては、はんだが広く用いられている。
ところで、従来から広く用いられてきたSn−Pb系はんだにおいては、高温系はんだとして、例えばPbリッチのPb−5Sn(融点:314〜310℃)、Pb−10Sn(融点:302〜275℃)などを用いて330〜350℃の温度ではんだ付けし、その後、例えば、低温系はんだのSn−37Pb共晶(183℃)などを用いて、上記の高温系はんだの融点以下の温度ではんだ付けすることにより、先のはんだ付けに用いた高温系はんだを溶融させることなく、はんだ付けによる接続を行う温度階層接続の方法が広く適用されている。
ところで、従来から広く用いられてきたSn−Pb系はんだにおいては、高温系はんだとして、例えばPbリッチのPb−5Sn(融点:314〜310℃)、Pb−10Sn(融点:302〜275℃)などを用いて330〜350℃の温度ではんだ付けし、その後、例えば、低温系はんだのSn−37Pb共晶(183℃)などを用いて、上記の高温系はんだの融点以下の温度ではんだ付けすることにより、先のはんだ付けに用いた高温系はんだを溶融させることなく、はんだ付けによる接続を行う温度階層接続の方法が広く適用されている。
このような温度階層接続は、例えば、チップをダイボンドするタイプの半導体装置や、フリップチップ接続などの半導体装置などで適用されており、半導体装置の内部ではんだ付けによる接続を行った後、さらに、該半導体装置自体をはんだ付けにより基板に接続するような場合に用いられる重要な技術である。
この用途に用いられる導電性材料として、例えば、(a)Cu、Al、Au、Agなどの第2金属またはそれらを含む高融点合金からなる第2金属(または合金)ボールと、(b)SnまたはInからなる第1金属ボール、の混合体を含むはんだペーストが提案されている(特許文献1参照)。
また、この特許文献1には、はんだペーストを用いた接続方法や、電子機器の製造方法が開示されている。
また、この特許文献1には、はんだペーストを用いた接続方法や、電子機器の製造方法が開示されている。
この特許文献1のはんだペーストを用いてはんだ付けを行った場合、図4(a)に模式的に示すように、低融点金属(例えばSn)ボール51と、高融点金属(例えばCu)ボール52と、フラックス53とを含むはんだペーストが、加熱されて反応し、はんだ付け後に、図4(b)に示すように、複数個の高融点金属ボール52が、低融点金属ボールに由来する低融点金属と、高融点金属ボールに由来する高融点金属との間に形成される金属間化合物54を介して連結され、この連結体により接続対象物が接続・連結される(はんだ付けされる)ことになる。
しかしながら、この特許文献1のはんだペーストの場合、はんだ付け工程ではんだペーストを加熱することにより、高融点金属(例えばCu)と低融点金属(例えばSn)との金属間化合物を生成させるようにしているが、Cu(高融点金属)とSn(低融点金属)との組み合わせでは、その拡散速度が遅いため,低融点金属であるSnが大量に残留する。Snが残留したはんだペーストの場合、高温下での接合強度が大幅に低下して、接続すべき製品の種類によっては使用することができなくなる場合がある。また、はんだ付けの工程で残留したSnは、その後のはんだ付け工程で溶融して流れ出すおそれがあり、温度階層接続に用いられる高温はんだとしては信頼性が低いという問題点がある。
すなわち、例えば半導体装置の製造工程において、はんだ付けを行う工程を経て半導体装置を製造した後、その半導体装置を、リフローはんだ付けの方法で基板に実装しようとした場合、半導体装置の製造工程におけるはんだ付けの工程で残留したSnが、リフローはんだ付けの工程で溶融して流れ出してしまうおそれがある。
また、Snが残留しないように、低融点金属を完全に金属間化合物にするためには、はんだ付け工程において、高温かつ長時間の加熱が必要となるが生産性との兼ね合いもあり、実用上不可能であるのが実情である。
本発明は、上記課題を解決するものであり、ソルダペーストやビア充填材などとして用いることが可能な導電性材料であって、例えばソルダペーストとして用いた場合に、はんだ付け工程における第1金属と第2金属の拡散性が良好で、低温かつ短時間で融点の高い金属間化合物を生成し、はんだ付け後に低融点成分が残留しにくく、耐熱強度に優れた導電性材料およびそれを用いた、接続信頼性の高い接続方法および接続構造を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の導電性材料は、
第1金属と、前記第1金属よりも融点の高い第2金属とからなる金属成分とを含む導電性材料であって、
前記第1金属はSn、またはSnを含む合金であり、
前記第2金属は、前記第1金属と、310℃以上の融点を示す金属間化合物を生成するCu−Cr合金であること
を特徴としている。
第1金属と、前記第1金属よりも融点の高い第2金属とからなる金属成分とを含む導電性材料であって、
前記第1金属はSn、またはSnを含む合金であり、
前記第2金属は、前記第1金属と、310℃以上の融点を示す金属間化合物を生成するCu−Cr合金であること
を特徴としている。
また、本発明の導電性材料は、フラックス成分を含むことが好ましい。
また、前記第1金属は、Sn単体、または、Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Pからなる群より選ばれる少なくとも1種とSnとを含む合金であることが望ましい。
また、本発明の接続方法は、導電性材料を用いて接続対象物を接続する方法において、請求項1〜3のいずれかに記載の導電性材料を用い、加熱して前記導電性材料を構成する前記第1金属を、前記導電性材料を構成する前記第2金属との金属間化合物にして、接続対象物を接続することを特徴としている。
また、本発明の接続構造は、接続対象物が、請求項1〜3のいずれかに記載の導電性材料を用いて接続された接続構造であって、
接続対象物を接続させている接続部は、前記導電性材料に由来する前記第2金属と、前記第2金属とSnとを含む金属間化合物とを主たる成分としており、前記導電性材料に由来する前記第1金属の金属成分全体に対する割合が50体積%以下であること
を特徴としている。
接続対象物を接続させている接続部は、前記導電性材料に由来する前記第2金属と、前記第2金属とSnとを含む金属間化合物とを主たる成分としており、前記導電性材料に由来する前記第1金属の金属成分全体に対する割合が50体積%以下であること
を特徴としている。
また、本発明の接続構造においては、前記金属間化合物が、前記導電性材料に由来する前記第2金属であるCu−Cr合金と、前記導電性材料に由来する前記第1金属である、Sn単体、または、Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Pからなる群より選ばれる少なくとも1種とSnとを含む合金との間に形成された金属間化合物であることが望ましい。
本発明の導電性材料は、第1金属と、それよりも融点の高い第2金属とからなる金属成分とを含む導電性材料であって、第1金属として、SnまたはSnを含む合金を、第2金属として、第1金属と、310℃以上の融点を示す金属間化合物を生成するCu−Cr合金を含有させるようにしているので、第1金属と第2金属の拡散が飛躍的に進行し,より高融点の金属間化合物への変化が促進され、低融点成分が残留しにくくなるため、耐熱強度の大きい接続(例えば本発明の導電性材料をソルダペーストとして用いた場合にははんだ付け)を行うことが可能になる。
すなわち、本発明の導電性材料を用いることにより、例えば、半導体装置の製造工程において、はんだ付けを行う工程を経て半導体装置を製造した後、その半導体装置を、リフローはんだ付けの方法で基板に実装するような場合にも、先のはんだ付けの工程におけるはんだ付け部分は、耐熱強度に優れているため、リフローはんだ付けの工程で再溶融しにくく、信頼性の高い実装を行うことが可能になる。
図1(a),図1(b),図1(c)は、本発明の導電性材料を用いて電極どうしの接続を行う場合の挙動を模式的に示す図である。
本発明の導電性材料を用いて一対の電極11a,11bを接続するにあたっては、図1(a)に示すように、まず、一対の電極11a,11b間に、第1金属1と第2金属2を含有する導電性材料10を位置させる。
次に、この状態で接続部を加熱し、図1(b)に示すように、導電性材料10の温度が第1金属(SnまたはSnを含む合金)1の融点以上に達すると、導電性材料10中の第1金属1が溶融する。
その後さらに加熱が続くと、第1金属1が、第2金属2(Cu−Cr合金)との金属間化合物3(図1(c))を生成し、この金属間化合物3が形成される分だけ、接続部4における第1金属の含有量が減少し、接続部4の融点は上昇する。その結果、耐熱強度の大きいはんだ付けを行うことが可能になる。
なお、第1金属1が、第2金属2(Cu−Cr合金)と、効率よく金属間化合物3(図1(c))を生成するメカニズムは必ずしも明確ではないが、主として以下の理由によるものと推察される。
すなわち、本発明の導電性材料10においては、第2金属2がCu−Cr合金であり、Cu−Cr合金を構成するCuに、Cuより第1イオン化エネルギーの小さいCrが固溶しているため、CrがCuより先に酸化されることになり、その結果、酸化されていないCuの、溶融した第1金属への拡散が促進され、非常に短時間のうちに、第1金属1(図1(a),(b))との間で金属間化合物3を生成し、その分だけ接続部4における第1金属の含有量が低下することにより、接続部4の融点が上昇して耐熱強度が向上するものと考えられる。
ただし、本発明の導電性材料の場合、通常は、第1金属の大部分が、第2金属と反応して金属間化合物を形成するものの、第1金属のすべてが金属間化合物とはならずに、図1(c)に示すように、第1金属1の一部が第2金属と反応せずそのまま残留する場合があるが、金属間化合物3となった分だけ第1金属1の含有量が減少して接続部4の融点が上昇するため、耐熱強度の向上を図ることができる。また、第1金属1の一部が反応せずに残留することで、はんだ付け時のセルフアライメント性を向上させることができる。
なお、図1(a)〜図1(c)は、あくまで発明をわかりやすく説明するための模式的な図であって、実際の接合部の具体的な構成を正確に示すものではない。
なお、第1金属1が、第2金属2(Cu−Cr合金)と、効率よく金属間化合物3(図1(c))を生成するメカニズムは必ずしも明確ではないが、主として以下の理由によるものと推察される。
すなわち、本発明の導電性材料10においては、第2金属2がCu−Cr合金であり、Cu−Cr合金を構成するCuに、Cuより第1イオン化エネルギーの小さいCrが固溶しているため、CrがCuより先に酸化されることになり、その結果、酸化されていないCuの、溶融した第1金属への拡散が促進され、非常に短時間のうちに、第1金属1(図1(a),(b))との間で金属間化合物3を生成し、その分だけ接続部4における第1金属の含有量が低下することにより、接続部4の融点が上昇して耐熱強度が向上するものと考えられる。
ただし、本発明の導電性材料の場合、通常は、第1金属の大部分が、第2金属と反応して金属間化合物を形成するものの、第1金属のすべてが金属間化合物とはならずに、図1(c)に示すように、第1金属1の一部が第2金属と反応せずそのまま残留する場合があるが、金属間化合物3となった分だけ第1金属1の含有量が減少して接続部4の融点が上昇するため、耐熱強度の向上を図ることができる。また、第1金属1の一部が反応せずに残留することで、はんだ付け時のセルフアライメント性を向上させることができる。
なお、図1(a)〜図1(c)は、あくまで発明をわかりやすく説明するための模式的な図であって、実際の接合部の具体的な構成を正確に示すものではない。
また、第1金属として、Sn単体、または、Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Pからなる群より選ばれる少なくとも1種とSnとを含む合金を用いることにより、他の金属(第2金属)との間で金属間化合物を形成しやすくすることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
また、第2金属には、第1金属との反応を阻害しない程度で、例えば、1重量%以下の割合で不純物が含まれていてもよい。不純物としては、Zn、Ge、Ti、Sn、Al、Be、Sb、In、Ga、Si、Ag、Mg、La、P、Pr、Th、Zr、B、Pd、Pt、Ni、Auなどが挙げられる。
また、接続性や反応性を考慮すると、第1および第2金属中の酸素濃度は2000ppm以下であることが好ましく、特に10〜1000ppmが好ましい。
また、接続性や反応性を考慮すると、第1および第2金属中の酸素濃度は2000ppm以下であることが好ましく、特に10〜1000ppmが好ましい。
また、本発明の導電性材料においては、フラックスを含ませることも可能である。
フラックスは、接続対象物や金属の表面の酸化被膜を除去する機能を果たす。本発明の導電性材料においては、フラックスとして、例えば、ビヒクル、溶剤、チキソ剤、活性剤などからなる、公知の種々のものを用いることが可能である。
前記ビヒクルの具体的な例としては、ロジンおよびそれを変性した変性ロジンなどの誘導体からなるロジン系樹脂、合成樹脂、またはこれらの混合体などが挙げられる。
また、前記ロジンおよびそれを変性した変性ロジンなど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などが挙げられる。
また、ロジンおよびそれを変性した変性ロジンなど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、テルペン樹脂などが挙げられる。
フラックスは、接続対象物や金属の表面の酸化被膜を除去する機能を果たす。本発明の導電性材料においては、フラックスとして、例えば、ビヒクル、溶剤、チキソ剤、活性剤などからなる、公知の種々のものを用いることが可能である。
前記ビヒクルの具体的な例としては、ロジンおよびそれを変性した変性ロジンなどの誘導体からなるロジン系樹脂、合成樹脂、またはこれらの混合体などが挙げられる。
また、前記ロジンおよびそれを変性した変性ロジンなど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などが挙げられる。
また、ロジンおよびそれを変性した変性ロジンなど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、テルペン樹脂などが挙げられる。
また、前記溶剤としては、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、芳香族系、炭化水素類などが知られており、具体的な例としては、ベンジルアルコール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジエチレングリコール、エチレングリコール、グリセリン、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸ブチル、アジピン酸ジエチル、ドデカン、テトラデセン、α−ターピネオール、テルピネオール、2−メチル2,4−ペンタンジオール、2−エチルヘキサンジオール、トルエン、キシレン、プロピレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジイソブチルアジペート、へキシレングリコール、シクロヘキサンジメタノール、2−ターピニルオキシエタノール、2−ジヒドロターピニルオキシエタノール、それらを混合したものなどが挙げられる。
また、前記チキソ剤の具体的な例としては、硬化ヒマシ油、カルナバワックス、アミド類、ヒドロキシ脂肪酸類、ジベンジリデンソルビトール、ビス(p−メチルベンジリデン)ソルビトール類、蜜蝋、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミドなどが挙げられる。また、これらに必要に応じてカプリル酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘニン酸のような脂肪酸、1,2−ヒドロキシステアリン酸のようなヒドロキシ脂肪酸、酸化防止剤、界面活性剤、アミン類などを添加したものも前記チキソ剤として用いることができる。
また、前記活性剤としては、アミンのハロゲン化水素酸塩、有機ハロゲン化合物、有機酸、有機アミン、多価アルコールなどがあり、前記アミンのハロゲン化水素酸塩の具体的なものとして、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などが例示される。
なお、前記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)イソシアヌレートなどが挙げられる。
また、前記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、ドデカン酸などがあり、さらに有機アミンの具体的なものとして、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、ジエチルアニリンなどが挙げられる。
また、前記多価アルコールとしてはエリスリトール、ピロガロール、リビトールなどが例示される。
また、前記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、ドデカン酸などがあり、さらに有機アミンの具体的なものとして、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、ジエチルアニリンなどが挙げられる。
また、前記多価アルコールとしてはエリスリトール、ピロガロール、リビトールなどが例示される。
また、フラックスとして、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂またはその変性樹脂、アクリル樹脂からなる熱硬化性樹脂群より選ばれる少なくとも1種、あるいは、ポリアミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリメタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、セルロース系樹脂からなる熱可塑性樹脂群から選ばれる少なくとも1種を含むものを用いた場合にも、上述の本発明の作用効果をさらに確実に奏させることが可能になる。
上述のように、フラックスは、接続対象物や金属の表面の酸化被膜を除去する機能を果たすことから、本発明の導電性材料においては、フラックスを含むことが好ましい。なお、フラックスは、導電性材料全体に対して7〜15重量%の割合で含むことが好ましい。
ただし、本発明の導電性材料は、必ずしもフラックスを含むことを要するものではなく、フラックスを必要としない接続工法にも適用することが可能であり、例えば、加圧しながら加熱する方法や、強還元雰囲気で加熱する方法などによっても、接続対象物や金属の表面の酸化被膜を除去して、信頼性の高い接続を可能にすることができる。
上述のように、フラックスは、接続対象物や金属の表面の酸化被膜を除去する機能を果たすことから、本発明の導電性材料においては、フラックスを含むことが好ましい。なお、フラックスは、導電性材料全体に対して7〜15重量%の割合で含むことが好ましい。
ただし、本発明の導電性材料は、必ずしもフラックスを含むことを要するものではなく、フラックスを必要としない接続工法にも適用することが可能であり、例えば、加圧しながら加熱する方法や、強還元雰囲気で加熱する方法などによっても、接続対象物や金属の表面の酸化被膜を除去して、信頼性の高い接続を可能にすることができる。
また、本発明の接続方法は、本発明の導電性材料を用い、加熱して導電性材料を構成する低融点金属を、導電性材料を構成する第2金属との金属間化合物にして、接続対象物を接続するようにしているので、接続対象物を接続する工程(導電性材料をソルダペーストとして用いた場合にははんだ付け工程)における、第1金属と第2金属の拡散が飛躍的に進行し,より高融点の金属間化合物への変化が促進され、第1金属成分の金属成分全体に対する割合を例えば50体積%以下にして、耐熱強度の大きいはんだ付けを行うことが可能になる。
さらに導電性材料中の金属配合比や加熱条件などを最適化することにより、完全に第1金属成分が残留しない設計を行うことができる。
すなわち、本発明の導電性材料を用いることにより、例えば、半導体装置の製造工程において、はんだ付けを行う工程を経て半導体装置を製造した後、その半導体装置を、リフローはんだ付けの方法で基板に実装するような場合にも、先のはんだ付けの工程におけるはんだ付け部分は、耐熱強度に優れているため、リフローはんだ付けの工程で再溶融してしまうことがなく、信頼性の高い実装を行うことが可能になる。
さらに導電性材料中の金属配合比や加熱条件などを最適化することにより、完全に第1金属成分が残留しない設計を行うことができる。
すなわち、本発明の導電性材料を用いることにより、例えば、半導体装置の製造工程において、はんだ付けを行う工程を経て半導体装置を製造した後、その半導体装置を、リフローはんだ付けの方法で基板に実装するような場合にも、先のはんだ付けの工程におけるはんだ付け部分は、耐熱強度に優れているため、リフローはんだ付けの工程で再溶融してしまうことがなく、信頼性の高い実装を行うことが可能になる。
本発明の接続構造においては、図1(c)に示すように、接続対象物(電極)11aおよび11bを接続させている接続部(はんだ)4において、第1金属の大部分が、第2金属との金属間化合物3を形成する。その結果、接続部4が、第2金属2と金属間化合物3から構成され、第1金属1(図1(a),(b))の残留量が大幅に減少するため、耐熱強度の大きい接続構造を実現することができる。
また、金属間化合物が、導電性材料に由来する第2金属であるCu−Cr合金と、導電性材料に由来する第1金属である、Sn単体、または、Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Pからなる群より選ばれる少なくとも1種とSnとを含む合金との間に形成された金属間化合物である場合、より確実に、第1金属成分がほとんど残留せず、耐熱強度の大きい接続構造を提供することができる。
以下に本発明を実施するための形態として、以下の実施例を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
この実施例1では、粉末状の第1金属(第1金属粉末)と、粉末状の第2金属(第2金属粉末)と、フラックスとを混合することにより導電性材料を作製した。
第1金属粉末と第2金属粉末の配合比は、第1金属粉末/第2金属粉末の体積比が60/40(すなわち、第2金属が40体積%)となるように調整した。
第1金属粉末としては、表1に示すように、Sn−3Ag−0.5Cu、Sn、Sn−3.5Ag、Sn−0.75Cu、Sn−0.7Cu−0.05Ni、Sn−5Sb、Sn−2Ag−0.5Cu−2Bi、Sn−3.5Ag−0.5Bi−8In、Sn−9Zn、Sn−8Zn−3Biを使用した。第1金属粉末の平均粒径は25μmとした。
また、第1金属のSn−3Ag−0.5Cuは、実施例としてのみではなく、比較例としても用いられているが、比較例の場合には、これにCuあるいはCu−10Znが組み合わされたものである。
なお、上記の各材料の表記において、例えば、「Sn−3.5Ag」の数字3.5は当該成分(この場合はAg)の重量%の値を示しており、上記の他の材料および、以下の記載の場合も同様である。
また、第1金属のSn−3Ag−0.5Cuは、実施例としてのみではなく、比較例としても用いられているが、比較例の場合には、これにCuあるいはCu−10Znが組み合わされたものである。
なお、上記の各材料の表記において、例えば、「Sn−3.5Ag」の数字3.5は当該成分(この場合はAg)の重量%の値を示しており、上記の他の材料および、以下の記載の場合も同様である。
また、第2金属粉末としては、表1に示すように、Cu−10Cr、Cu、Cu−10Znを使用した。第2金属粉末の平均粒径は30μmとした。
なお、フラックスとしては、ロジン:74重量%、ジエチレングリコールモノブチルエーテル:22重量%、トリエタノールアミン:2重量%、および水素添加ヒマシ油2重量%の配合比率のものを用いた。
また、フラックスの配合割合は、導電性材料全体に占めるフラックスの割合が10重量%となるような割合とした。
また、フラックスの配合割合は、導電性材料全体に占めるフラックスの割合が10重量%となるような割合とした。
作製した導電性材料を、メタルマスクを用いて、サイズが10mm×10mm、厚さが0.2mmの無酸素Cu板に印刷した。メタルマスクの開口径は1.5mm×1.5mm、厚さは100μmとした。
印刷した導電性材料上に、NiめっきおよびAuめっきを施した黄銅端子(サイズ1.2mm×1.0mm×1.0mm)をマウントした後、リフロー装置を用いて、図2に示すリフロープロファイルで無酸素Cu板と黄銅端子を接合させて、両者を電気的、機械的に接続した。
なお、この実施例1においては、導電性材料は実質的にソルダペーストとして用いられている。
印刷した導電性材料上に、NiめっきおよびAuめっきを施した黄銅端子(サイズ1.2mm×1.0mm×1.0mm)をマウントした後、リフロー装置を用いて、図2に示すリフロープロファイルで無酸素Cu板と黄銅端子を接合させて、両者を電気的、機械的に接続した。
なお、この実施例1においては、導電性材料は実質的にソルダペーストとして用いられている。
[特性の評価]
上述のようにして作製した試料について、以下の方法で接合強度および導電材料(はんだ)の流れ出し不良率を測定し、特性を評価した。
上述のようにして作製した試料について、以下の方法で接合強度および導電材料(はんだ)の流れ出し不良率を測定し、特性を評価した。
≪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、評価した。
シアー強度の測定は、横押し速度:0.1mm・s-1,室温および260℃の条件下で行った。
そして、シアー強度が20Nmm-2以上のものを○(優)、2Nmm-2以下のものを×(不可)と評価した。
表1に、第1金属および第2金属の組成、各接合体の接合強度(室温、260℃)を示す。
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、評価した。
シアー強度の測定は、横押し速度:0.1mm・s-1,室温および260℃の条件下で行った。
そして、シアー強度が20Nmm-2以上のものを○(優)、2Nmm-2以下のものを×(不可)と評価した。
表1に、第1金属および第2金属の組成、各接合体の接合強度(室温、260℃)を示す。
≪残留成分評価≫
得られた反応生成物を約7mg切り取り、測定温度30℃〜300℃、昇温速度5℃/min、N2雰囲気、リファレンスAl2O3の条件で示差走査熱量測定(DSC測定)を行った。得られたDSCチャートの第1金属成分の溶融温度における溶融吸熱ピークの吸熱量から、残留した第1金属成分量を定量化した。これから金属成分全体に対する第1金属成分の割合を残留第1金属成分率として評価した。残留第1金属成分率が50体積%以下の場合を○(優)、50体積%より大きい場合を×(不可)と評価した。
表1に、残留第1金属成分率と判定結果を併せて示す。
得られた反応生成物を約7mg切り取り、測定温度30℃〜300℃、昇温速度5℃/min、N2雰囲気、リファレンスAl2O3の条件で示差走査熱量測定(DSC測定)を行った。得られたDSCチャートの第1金属成分の溶融温度における溶融吸熱ピークの吸熱量から、残留した第1金属成分量を定量化した。これから金属成分全体に対する第1金属成分の割合を残留第1金属成分率として評価した。残留第1金属成分率が50体積%以下の場合を○(優)、50体積%より大きい場合を×(不可)と評価した。
表1に、残留第1金属成分率と判定結果を併せて示す。
≪導電性材料の流れ出し不良率の測定および評価≫
プリント基板のCuランド(Cuランド寸法:0.7mm×0.4mm)に前記導電性材料を塗布し(厚さ100μm)、得られた塗布部に、長さ1mm、幅0.5mm、厚さ0.5mmサイズのチップ型セラミックコンデンサをマウントした。
ピーク温度250℃でリフローして、Cuランドとセラミックコンデンサを接合させた後(はんだ付けした後)、プリント基板をエポキシ樹脂で封止して相対湿度85%の環境に放置し、ピーク温度260℃のリフロー条件で加熱して導電性材料(はんだ)が流れ出す割合を調べ、流れ出し不良率として評価した。
導電性材料の流れ出し不良率が0〜50%の場合を○(優)、50%より大きい場合を×(不可)と評価した。
表1に、導電性材料の流れ出し不良率と判定結果を併せて示す。
プリント基板のCuランド(Cuランド寸法:0.7mm×0.4mm)に前記導電性材料を塗布し(厚さ100μm)、得られた塗布部に、長さ1mm、幅0.5mm、厚さ0.5mmサイズのチップ型セラミックコンデンサをマウントした。
ピーク温度250℃でリフローして、Cuランドとセラミックコンデンサを接合させた後(はんだ付けした後)、プリント基板をエポキシ樹脂で封止して相対湿度85%の環境に放置し、ピーク温度260℃のリフロー条件で加熱して導電性材料(はんだ)が流れ出す割合を調べ、流れ出し不良率として評価した。
導電性材料の流れ出し不良率が0〜50%の場合を○(優)、50%より大きい場合を×(不可)と評価した。
表1に、導電性材料の流れ出し不良率と判定結果を併せて示す。
表1に示すように、室温における接合強度については、実施例,比較例ともに20Nmm-2以上を示し、実用強度を備えていることが確認された。
一方、260℃における接合強度についてみると、比較例では2Nmm-2以下と接合強度が不十分であったのに対して、実施例は20Nmm-2以上を保持し、実用強度を備えていることが確認された。
一方、260℃における接合強度についてみると、比較例では2Nmm-2以下と接合強度が不十分であったのに対して、実施例は20Nmm-2以上を保持し、実用強度を備えていることが確認された。
また、残留第1金属成分率については、比較例が50体積%より大きかったのに対して実施例は全て50体積%以下であり、導電性材料の流れ出し不良率については、比較例が70%以上であったのに対して実施例は全て50%以下であり、高い耐熱性を有することが確認された。
このように実施例の試料が高耐熱性を備えているのは、第2金属として、Cu−Cr合金を使用した実施例の場合には、第1イオン化エネルギーが746kJ・mol-1であるCuに対して、固溶しているCrの第1イオン化エネルギーが653kJ・mol-1と小さいことが原因と考えられる。
つまり、第1イオン化エネルギーが小さいCrがCuに対して固溶していることで、Crのイオン化、すなわち、Crの酸化により、拡散主体のCuの酸化が抑制され、第1金属と銅との反応(金属間化合物化)が促進されるためであると推測される。
つまり、第1イオン化エネルギーが小さいCrがCuに対して固溶していることで、Crのイオン化、すなわち、Crの酸化により、拡散主体のCuの酸化が抑制され、第1金属と銅との反応(金属間化合物化)が促進されるためであると推測される。
一方、比較例のように、第2金属としてCu−Zn合金を使用した場合、Znの第1イオン化エネルギーが906kJ・mol-1と、Cuよりも大きいため、拡散主体のCuの酸化が顕著となり、金属間化合物化が効率よく進行しないため、高い耐熱性が得られないものと考えられる。
[変形例]
本発明の導電性材料は、例えば、図3(a),(b)に模式的に示すようなフォームはんだとして構成することも可能である。
図3(a)のフォームはんだは、板状の第1金属1中に、粉末状の第2金属2を分散させたフォームはんだである。
また、図3(b)のフォームはんだは、板状の第1金属1中に、板状の第2金属2を内包させたフォームはんだである。
本発明の導電性材料は、例えば、図3(a),(b)に模式的に示すようなフォームはんだとして構成することも可能である。
図3(a)のフォームはんだは、板状の第1金属1中に、粉末状の第2金属2を分散させたフォームはんだである。
また、図3(b)のフォームはんだは、板状の第1金属1中に、板状の第2金属2を内包させたフォームはんだである。
本発明の導電性材料は、図3(a),(b)に示すようなフォームはんだとして用いた場合にも、上記実施例1で示した第1金属と、第2金属と、フラックスとを混合してなる、いわゆるソルダペーストとして用いる場合と同様の効果を奏する。
なお、第1金属中に第2金属を分散あるいは内包させる態様は、図3(a),(b)の態様に限定されるものではなく、他の態様とすることも可能である。
なお、第1金属中に第2金属を分散あるいは内包させる態様は、図3(a),(b)の態様に限定されるものではなく、他の態様とすることも可能である。
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、導電性材料を構成する第1金属および第2金属の種類や組成、第1金属と第2金属の配合割合、フラックスの成分やフラックスの配合割合などに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
また、本発明を適用して接続すべき接続対象物の種類や、接続工程における条件などに関しても、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
本発明はさらにその他の点においても、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
1 第1金属
2 第2金属
3 金属間化合物
4 接続部
11a,11b 一対の電極(接続対象物)
10 導電性材料
2 第2金属
3 金属間化合物
4 接続部
11a,11b 一対の電極(接続対象物)
10 導電性材料
Claims (6)
- 第1金属と、前記第1金属よりも融点の高い第2金属とからなる金属成分とを含む導電性材料であって、
前記第1金属はSn、またはSnを含む合金であり、
前記第2金属は、前記第1金属と、310℃以上の融点を示す金属間化合物を生成するCu−Cr合金であること
を特徴とする導電性材料。 - フラックス成分を含むことを特徴とする請求項1記載の導電性材料。
- 前記第1金属は、Sn単体、または、Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Pからなる群より選ばれる少なくとも1種とSnとを含む合金であること
を特徴とする請求項1または2記載の導電性材料。 - 導電性材料を用いて接続対象物を接続する方法において、請求項1〜3のいずれかに記載の導電性材料を用い、加熱して前記導電性材料を構成する前記第1金属成分と前記第2金属とを金属間化合物にして、接続対象物を接続することを特徴とする接続方法。
- 接続対象物が、請求項1〜3のいずれかに記載の導電性材料を用いて接続された接続構造であって、
接続対象物を接続している接続部の導電性材料は、前記導電性材料に由来する前記第2金属と、前記第2金属とSnとを含む金属間化合物とを主たる成分としており、前記導電性材料に由来する前記第1金属の金属成分全体に対する割合が50体積%以下であること
を特徴とする接続構造。 - 前記金属間化合物が、前記導電性材料に由来する前記第2金属であるCu−Cr合金と、前記導電性材料に由来する前記第1金属である、Sn単体、または、Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Pからなる群より選ばれる少なくとも1種とSnとを含む合金との間に形成された金属間化合物であることを特徴とする請求項5記載の接続構造。
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