JPWO2020065700A1 - 金属接合体および金属接合体の製造方法、並びに半導体装置および導波路 - Google Patents

金属接合体および金属接合体の製造方法、並びに半導体装置および導波路 Download PDF

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Abstract

Ag−Cu−Zn層(7)の両面にCu−Zn層(6)が接合された金属接合体(5)であって、Ag−Cu−Zn層(7)は、全体を100atm%としたときに、Cu成分を1atm%以上10atm%以下、Zn成分を1atm%以上40atm%以下および残部をAg成分とし、Cu−Zn層(6)は、全体を100atm%としたときに、Zn成分を10atm%以上40atm%以下および残部をCu成分としている。そのため、アルミニウム系に限られることなく金属基材同士を接合することができると共に、機械的強度の高い金属接合体(5)を得ることができる。

Description

この発明は、半導体装置や導波路などに用いられる金属接合体および金属接合体の製造方法などに関する。
半導体装置においては、金属配線部材などの金属同士を接合する方法として、はんだ接合が一般的に用いられている。近年省エネルギ―化の観点から、電力損失の少ないシリコンカーバイド(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などを半導体素子に用いた半導体装置の開発が盛んに行われておいる。これらの半導体素子は200℃以上の高温でも動作するため、半導体装置の動作温度もが年々上昇している。このような情勢において、従来のはんだ接合では耐熱性や寿命信頼性を確保することが困難である。はんだ接合に替わる接合方法として、焼結性金属や金属ペーストを用いた接合方法が提案されている。しかしながら、焼結性金属や金属ペーストは、被接合部材より強度が低い、もしくは多孔質な接合層を形成するため破壊が進みやすいという特徴をもっており、寿命信頼性の向上には課題が残る。
一方、30〜300GHz帯のミリ波通信用などのアンテナ用導波路においては、金属部材同士を締結する方法として、ねじ止め、はんだ接合あるいはろう付けが用いられている。しかしながら、ねじ止めの場合は、ねじ止めのための貼り出し部が必要となりサイズ拡大や重量増加となる。また、はんだ接合の場合は、はんだ材そのものの強度不足や接合部以外の部分へのはんだ材のはみ出しなどの問題がある。さらには、ろう付けの場合は、ろう付け時の加熱による導波路部材の熱変形などの問題がある。
従来の金属同士の接合方法に替わる方法として、金属の固相拡散を利用した接合方法が提案されている。例えば、アルミニウム系基材の表面にAg層およびSn層を形成し、Sn層同士を接触させて加圧・加熱することで接合部にAl−Ag−Sn相を形成させてアルミニウム系基材同士を接合させた金属接合体が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−155108号公報(4−6頁、図1)
しかしながら、従来の金属同士の接合方法においては、基材がアルミニウム系に限られており、銅や鉄などの他の金属基材に用いることができない。また、基材の表面に形成したAg層とSn層とは酸化還元電位の差により異種金属間の接触腐食を起こしやすいため、湿度の高い環境や塩分を含んだ環境での使用に問題がある。さらには、Snを含んだ接合部分は、Al単独やAg単独で構成された接合部よりも機械的強度が低下する。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アルミニウム系に限られることなく金属基材同士を接合することができる金属接合体であって、異種金属間の接触腐食の影響が小さく、機械的強度の高い金属接合体を得ることを目的とする。
この発明に係る金属接合体は、Ag−Cu−Zn層の両面にCu−Zn層が接合された金属接合体であって、Ag−Cu−Zn層は、全体を100atm%としたときに、Cu成分を1atm%以上10atm%以下、Zn成分を1atm%以上40atm%以下および残部をAg成分とし、Cu−Zn層は、全体を100atm%としたときに、Zn成分を10atm%以上40atm%以下および残部をCu成分としたものである。
また、この発明に係る金属接合体の製造方法は、Cu−Zn層、Cu層およびAg層が順次形成された積層体を接合して金属接合体を形成する金属接合体の製造方法であって、積層体のAg層を互いに対向させて接触させる工程と、Ag層同士が接触された積層体を加圧しながら300℃以上400℃以下の温度で加熱処理する工程とを備えたものである。
この発明に係る金属接合体は、Ag−Cu−Zn層の両面にCu−Zn層が接合されたているので、アルミニウム系に限られることなく金属基材同士を接合することができると共に、機械的強度の高い金属接合体を得ることができる。
また、この発明に係る金属接合体の接合方法は、Cu層およびAg層が順次積層されているので、異種金属間の接触腐食の影響が小さい。
この発明の実施の形態1を示す金属接合体の接合方法の説明図である。 この発明の実施の形態1を示す金属接合体の特性を示す一覧表である。 この発明の実施の形態1を示す金属接合体の特性図である。 この発明の実施の形態1を示す金属接合体の特性図である。 この発明の実施の形態2を示す導波路の接合方法の説明図である。 この発明の実施の形態2を示す導波路の断面図である。 この発明の実施の形態3を示す半導体装置の接合方法の説明図である。
実施の形態1.
図1は、この発明を実施するための実施の形態1に係る金属接合体の接合方法の説明図である。図1(a)に示す金属接合体は、接合を開始する前の状態を示しており、それぞれの金属製の基材1の表面にCu−Zn層2、Cu層3およびAg層4が順次形成されている。図1(b)は、それぞれの基材1をAg層4同士で接触させた状態を示している。ここで、金属製の基材1の形状は例えば立方体のブロックであり、この金属製の基材1の一部もしくは全体の表面に金属層を順次形成している。
図1(b)に示した状態で、加圧しながら300℃以上400℃未満の温度で加熱処理して、Cu−Zn層2、Cu層3およびAg層4で固相接合させる。図1(c)は、固相接合させて完成させた金属接合体5を示している。この金属接合体5は、基材1同士がCu−Zn層6とAg−Cu−Zn層7とで接合されている。ここで、固相接合とは、基材の表面に積層された各金属層を溶融することなく固相(固体)状態で加熱し軟化させ、さらに加圧して塑性変形を与えて接合することを意味する。
固相接合で形成されたCu−Zn層6は、図1(a)に示すCu−Zn層2とCu層3との間でZn原子が移動して全体としてCu−Znの合金層となったものである。また、固相接合で形成されたAg−Cu−Zn層7は、図1(a)に示すAg層4にCu−Zn層2およびCu層3からCu原子およびZn原子が移動してAg−Cu−Znの合金層となったものである。ここで、Ag層4からCu層3およびCu−Zn層2へのAg原子の移動は殆ど起こらない。
加圧条件としては、0.1MPa以上200MPa以下で、基材が変形しない条件であることが好ましい。とくに、加熱している状態であれば、基材などの形状への影響も考慮する必要があるものの、接合界面の金属層を軟化および変形させることで接合にプラスに寄与する点と、金属層が形成されている母材の変形というマイナス面を抑制する点の双方バランスをとるため、0.5MPa以上100MPa以下が好ましい。接合に要する時間は、加熱温度と加圧力とに応じて適宜設定すればよいが、一般的に1分以上12時間未満であり、より好ましくは10分以上3時間以内である。なお、固相接合によってCu―Zn層およびAg―Cu―Zn層を形成した後は加熱を停止し、自然放熱により冷却することが好ましい。
Cu−Zn層2、Cu層3およびAg層4を形成する方法としては、例えば、電解めっき法、無電解めっき法、物理蒸着法(PVD)、化学蒸着法(CVD)、スパッタ法などの方法を用いることができる。また、Cu−Zn層2の膜厚は、0.1〜5μm、Cu層3の膜厚は、0.1〜5μm、Ag層4の膜厚は、0.1〜15μmが望ましい。
金属製の基材1としては、特に限定はされないが、銅、鉄、ステンレス、アルミニウム、亜鉛などの金属やそれらの合金などを用いることができる。
以下、本実施の形態の金属接合体について、実施例および比較例を用いてさらに詳細に説明する。
Cu基材の表面にCu−Zn層を形成し、そのCu−Zn層の表面にCu層を形成し、そのCu層の表面にAg層を形成した部材を2個用意した。Cu−Zn層の膜厚は5μmとし、Cu−Zn層の組成比は、Zn原子の比率を40atm%とした。Cu層の膜厚は1μm、Ag層の膜厚は5μmとした。各金属層は、スパッタ法で成膜した。この2個の部材を、Ag層同士を密着させて大気圧下で加圧および加熱することで固相接合を行い、金属接合体を作製した。各サンプル(実施例、比較例)の加圧および加熱条件は、後述する。
ここで、本実施の形態において、Cu―Zn層とはCuおよびZnを主成分とする合金層を、Cu層とはCuを主成分とする層を、Ag層とはAgを主成分とする層を意味する。これらの層においては、各層の主成分のみで99質量%以上含まれることが好ましいが、残部に不可避不純物が含まれることは問題とならない。
このようにして作製された各サンプルに対して、引張試験機(インストロン製、4400R)を用いて接合強度を測定した。なお、引張試験に供したサンプルは、上述の金属製の基材とは異なるサンプルで接合強度を測定した。引張試験に供したサンプルの形状は、試験治具との兼ね合いから、直径10mm、高さ10mmのCu製の丸棒を用い、この丸棒の断面の円形状の表面に各実施例、比較例の金属層を形成したものを2個重ねて接合したものである。接合条件は、金属製の基材と同じ条件とした。その引張方向は接合面に垂直方向、つまり丸棒の長尺方向である。接合強度の基準として、金属層としてAg層のみを形成したサンプルも作製し、その接合強度を測定したところ220MPaであった。
接合面積率は、対象とする部材の接合面の面積に対する破断面の面積の比率で定義される。各サンプルの接合面積率は、引張試験による破断に伴い破断面が凹凸となったディンプルの形成面積を算出するとともに、同時に製作した別のサンプルの接合面に垂直に切断した接合部断面における接合部と未接合部(空隙部)の比率から算出した。各サンプルの接合強度は、次の式を用いて接合面積率が100%の場合の接合強度を算出し、Ag層のみで接合したときの接合強度を基準とした相対値で比較した。
接合強度=測定値(MPa)×(100/接合面積率(%))/220(MPa)
このようにして得られた接合強度(相対値)が1より大きい場合は接合信頼性が高いと判断し、1以下の場合はAg接合と同等かそれ以下であるので接合信頼性は低いと判断した。
また、各サンプルの接合面に垂直な断面に関して、Cu―Zn層のZn原子の比率、Ag―Cu―Zn層のCu原子の比率(atm%)およびZn原子の比率(atm%)を、走査型電子顕微鏡の波長分散型X線分光法による組成分析機能を用いて測定した。
図2は、本実施の形態の実施例および比較例の一覧表である。図2の表において、各サンプルに対して、そのサンプルの作製条件として接合温度、加圧力および接合時間を示している。また、図2の表には、接合面積率、測定された接合強度および接合強度(相対値)も併せて示している。さらに、Cu―Zn層のZn原子の比率、Ag―Cu―Zn層のCu原子の比率およびZn原子の比率も併せて示している。
図3は、本実施の形態の実施例および比較例からAg―Cu―Zn層のCu原子の比率に対する接合強度比を示した特性図である。図3は、本実施の形態の実施例1〜4および比較例1、2の特性値を示している。図3から、Ag―Cu―Zn層のCu原子の比率が、1〜10atm%の範囲で接合強度比が1以上であることがわかる。
図4は、本実施の形態の実施例および比較例からAg―Cu―Zn層のZn原子の比率に対する接合強度比を示した特性図である。図3は、本実施の形態の実施例3、5、6および比較例3、4の特性値を示している。図3から、Ag―Cu―Zn層のZn原子の比率が、1〜40atm%の範囲で接合強度比が1以上であることがわかる。
なお、本実施の形態の実施例および比較例すべてにおいて、Cu―Zn層のZn原子の比率は、10〜40atm%の範囲であった。
以上の結果から、本実施の形態のAg−Cu−Zn層の両面にCu−Zn層が接合された金属接合体においては、Ag−Cu−Zn層は、全体を100atm%としたときに、Cu成分を1atm%以上10atm%以下、Zn成分を1atm%以上40atm%以下および残部をAg成分とし、Cu−Zn層は、全体を100atm%としたときに、Zn成分を10atm%以上40atm%以下および残部をCu成分としたときに、単なるAg接合以上の接合強度を得ることができる。
また、本実施の形態の金属接合体の接合方法においては、接合を開始する前の基材の表面にはCu−Zn層、Cu層およびAg層が順次形成されているので、異種金属間の接触腐食の影響が小さい。
さらに、本実施の形態の金属接合体の接合方法においては、固相接合を利用している。そのため、加圧しながら加熱するときの加熱温度は、接合部材を溶融させるような600℃以上の高温を必要としない。
実施の形態2.
図5は、この発明を実施するための実施の形態2を示す導波路の接合方法の説明図である。本実施の形態では、内部に断面が方形の空洞を備えた方形導波路(方形導波管ともいう)を例にとって説明する。
図5は、本実施の形態における導波路の断面図を示している。図5(a)に示す導波路は、接合を開始する前の状態を示しており、金属製の上部材11と、この上部材11と接合されて内部に方形の空洞を形成することができる下部材12とで構成されている。この上部材11および下部材12は長尺状であり、マイクロ波を伝搬する方向を長手方向としている。
この上部材11および下部材12は、黄銅で構成されている。上部材11および下部材12を構成する黄銅は、Cu−Zn系の合金であり、Cu成分が60atm%〜70atm%、Zn成分が30atm%〜40atm%および1atm%以下のPbやFeなどの添加物並びに不可避不純物が含まれている。本実施の形態では、例えばCu成分が約70atm%(Zn成分が約30atm%)の黄銅であるC2600を用いることができる。
上部材11と下部材12とを接合するための接触面には、それぞれCu層3およびAg層4が順次形成されている。実施の形態1においては、Cu層の下にCu−Zn層を形成していたが、本実施の形態においては、被接合部材である上部材11および下部材12がCu−Zn系の合金であるため、この合金の表面がCu−Zn層に相当する。
図5(b)は、上部材11と下部材12とをAg層4同士で接触させた状態を示している。図5(b)に示した状態で、20MPaの加圧力で加圧しながら350℃の温度で2時間加熱処理して、上部材11および下部材12の表面のCu層3およびAg層4で固相接合させる。図5(c)は、固相接合させて完成させた導波路13を示している。この導波路13は、上部材11と下部材12とが上部材11および下部材12の表面であるCu−Zn層6とAg−Cu−Zn層7とで接合されている。
このように構成された導波路において、Cu−Zn層6は、上部材11および下部材12を構成するC2600と同じ成分であることから、Zn成分は約30atm%である。また、Ag−Cu−Zn層7の成分分析を行ったところ、この層の成分は、全体を100atm%としたときに、Cu成分は4.0atm%、Zn成分は2.5atm%であった。これらの成分比率は、加圧条件が同等である実施の形態1の実施例2の結果に近かった。
このように構成された導波路は、実施の形態1と同様に、単なるAg接合以上の接合強度を得ることができる。
なお、本実施の形態においては、上部材11と下部材12とを接合するための接触面のみにそれぞれCu層3およびAg層4を順次形成した例を示した。しかし、実際にCu層やAg層を形成する方法として電気めっき法、真空蒸着法やスパッタ法を採用する場合、接触面以外にもそれらの層が形成される。
図6は、本実施の形態における別の導波路を示している。図6に示す導波路は、接合を開始する前の状態を示しており、金属製の上部材11および下部材12の接合面以外の表面にもCu層3およびAg層4が順次形成されている。
このように構成された導波路においても、図5に示したような工程によって導波路を製造することができる。
なお、接合面以外のCu層およびAg層は、機械加工で切削してもよい。また、Cu層やAg層を形成するときに接合面以外をマスキングして、接合面以外にそれらの層が形成されないようにしてもよい。
また、本実施の形態では、板状の上部材と断面が凹部形状の下部材との組み合わせで導波路の空洞を構成していたが、上部材と下部材とが共に断面が凹部形状であってもよい。
実施の形態3.
図7は、この発明を実施するための実施の形態3を示す半導体装置の接合方法の説明図である。本実施の形態の半導体装置は、半導体素子を金属接合体を介して絶縁基板に接合したものである。半導体素子としては、Si(シリコン)、GaAs(ガリウム砒素)、SiC(シリコンカーバイド)、GaN(窒化ガリウム)、ダイヤモンドなどを主成分とする半導体素子が挙げられる。また、絶縁基板としては、セラミックス基板やDCB(Direct Copper Bond)基板などが挙げられる。
図7は、本実施の形態における半導体装置の断面図を示している。図7(a)に示す半導体装置は、接合を開始する前の状態を示しており、半導体素子21の下面、すなわち絶縁基板22と対向する面の表面にCu−Zn層2、Cu層3およびAg層4が順次形成されている。同様に、絶縁基板22の上面、すなわち半導体素子21と対向する面の表面にCu−Zn層2、Cu層3およびAg層4が順次形成されている。図7(b)は、半導体素子21と絶縁基板22とをAg層4同士で接触させた状態を示している。図7(b)に示した状態で、20MPaの加圧力で加圧しながら350℃の温度で2時間加熱処理して、Cu−Zn層2、Cu層3およびAg層4で固相接合させる。図7(c)は、固相接合させて完成させた半導体装置23を示している。この半導体装置23は、半導体素子21と絶縁基板22とがCu−Zn層6とAg−Cu−Zn層7とで接合されている。
このように構成された半導体装置は、実施の形態1と同様に、単なるAg接合以上の接合強度を得ることができる。
なお、図7(c)では、半導体素子21の下部の部位のみ金属接合体としてCu―Zn層およびAg―Cu―Zn層が形成された図となっているが、絶縁基板22上でかつ半導体素子21と接合されない部位に関してもCu―Zn層およびAg―Cu―Zn層が形成される場合もある。
また、本実施の形態においては、半導体素子21の接合面にはCu―Zn層2、Cu層3およびAg層4を順次形成しているが、半導体素子21とCu−Zn層2との間には密着性付与層としてTi層などを形成してもよい。
さらに、本実施の形態においては、半導体素子と絶縁基板とを接合する例を示したが、半導体素子を接合する基板は絶縁基板に限られず、Cu基板や表面にNiメッキが施されたCu基板などであってもよい。
1 基材、 2 Cu−Zn層、 3 Cu層、 4 Ag層、 5 金属接合体、 6 Cu−Zn層、 7 Ag−Cu−Zn層、 11 上部材、 12 下部材、 13 導波路、 21 半導体素子、 22 絶縁基板、 23 半導体装置

Claims (5)

  1. Ag−Cu−Zn層の両面にCu−Zn層が接合された金属接合体であって、
    前記Ag−Cu−Zn層は、全体を100atm%としたときに、Cu成分が1atm%以上10atm%以下、Zn成分が1atm%以上40atm%以下および残部がAg成分であり、
    前記Cu−Zn層は、全体を100atm%としたときに、Zn成分が10atm%以上40atm%以下および残部がCu成分である
    ことを特徴とする金属接合体。
  2. 半導体素子と絶縁基板とが
    請求項1の金属接合体で接合されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 長尺状の上部材と、
    この上部材と請求項1の金属接合体で接合され、前記上部材と空洞を形成する長尺状の下部材とで構成されている
    ことを特徴とする導波路。
  4. Cu−Zn層、Cu層およびAg層が順次形成された積層体を接合して金属接合体を形成する金属接合体の製造方法であって、
    前記積層体の前記Ag層を互いに対向させて接触させる工程と、
    前記Ag層同士が接触された前記積層体を加圧しながら300℃以上400℃未満の温度で加熱処理する工程と
    を備えたことを特徴とする金属接合体の製造方法。
  5. 前記Cu層の厚さが、0.1μm以上5μm以下であり、
    前記Ag層の厚さが、0.1μm以上15μm以下である
    ことを特徴とする請求項4に記載の金属接合体の製造方法。
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