TWI480382B - A conductive material, a connecting method using the same, and a connecting structure - Google Patents

Description

導電性材料、使用其之連接方法及連接構造

本發明係關於一種導電性材料、使用其之連接方法及連接構造，詳細而言，係關於例如用於電子零件之安裝或通孔連接等之導電性材料、使用其之連接方法及連接構造。

作為安裝電子零件時使用之導電性材料，廣泛使用焊錫。

但是先前以來廣泛使用之Sn-Pb系焊錫中廣泛應用溫度等級連接之方法，即作為高溫系焊錫，使用例如富含Pb之Pb-5Sn(熔點：314~310℃)、Pb-10Sn(熔點：302~275℃)等在330~350℃之溫度下進行焊接，其後，使用例如低溫系焊錫之Sn-37Pb共晶(183℃)等，於上述高溫系焊錫之熔點以下之溫度下進行焊接，藉此，不會使之前之焊接中使用之高溫系焊錫熔融而進行利用焊接之連接。

此種溫度等級連接係應用於例如將晶片黏晶之型的半導體裝置或倒裝晶片連接等之半導體裝置等，且係用於如於半導體裝置內部進行利用焊接之連接後，進而藉由焊接將該半導體裝置本身連接於基板之情形時之重要技術。

作為用於該用途之導電性材料，例如提出有包含如下成分之混合物之焊膏：(a)包含Cu、Al、Au、Ag等第2金屬或含有該等之高熔點合金之第2金屬(或合金)球、(b)包含Sn或In之第1金屬球(參照專利文獻1)。

又，該專利文獻1中揭示有使用焊膏之連接方法或電子設備之製造方法。

於使用該專利文獻1之焊膏進行焊接之情形時，如圖3(a)示意性所示，加熱包含低熔點金屬(例如Sn)球51、高熔點金屬(例如Cu)球52與助焊劑53之焊膏並進行反應，焊接後，如圖3(b)所示，複數個高熔點金屬球52經由形成於來自低熔點金屬球之低熔點金屬與來自高熔點金屬球之高熔點金屬之間的金屬間化合物54而連結，連接對象物藉由該連結體而連接、連結(焊接)。

然而，於該專利文獻1之焊膏之情形時，藉由於焊接步驟加熱焊膏，而生成高熔點金屬(例如Cu)與低熔點金屬(例如Sn)之金屬間化合物，但Cu(高熔點金屬)與Sn(低熔點金屬)之組合由於其擴散速度較慢，故而殘留低熔點金屬Sn。於殘留Sn之焊膏之情形時，高溫下之接合強度大幅降低，根據應連接之製品之種類而存在無法使用之情形。又，於焊接之步驟中所殘留之Sn，有於其後之焊接步驟中熔融而流出之虞，作為用於溫度等級連接之高溫焊錫，存在可靠性較低之問題。

即，例如於半導體裝置之製造步驟中，於經由進行焊接之步驟而製造半導體裝置後，欲利用回流焊接之方法將該半導體裝置安裝於基板上之情形時，有於半導體裝置之製造步驟之焊接步驟中所殘留的Sn於回流焊接之步驟中熔融而流出之虞。

又，為了以不殘留Sn之方式使低熔點金屬完全形成為金屬間化合物，而於焊接步驟中需要高溫且長時間之加熱，但存在與生產性之兼顧問題，實際情況為無法用於實際應用。

[先行技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2002-254194號公報

本發明係解決上述課題而成者，其目的在於提供一種導電性材料及使用其之連接可靠性較高之連接方法及連接構造，上述導電性材料係可作為焊膏或通孔填充材料而使用者；且於作為例如焊膏使用之情形時，於焊接步驟中之第1金屬與第2金屬之擴散性良好，於低溫下且短時間內生成熔點較高之金屬間化合物，焊接後不殘留低熔點成分，而耐熱強度優異。

為解決上述課題，本發明之導電性材料之特徵在於：其係包含含有第1金屬粉末與熔點高於上述第1金屬粉末之第2金屬粉末之金屬成分者；且上述第1金屬為Sn或含有70重量%以上之Sn的合金；上述第2金屬係與上述第1金屬生成熔點為310℃以上之金屬間化合物，且最初生成於上述第2金屬粉末周圍之金屬間化合物之晶格常數與上述第2金屬成分之晶格常數的差即晶格常數差為50%以上之金屬或合金。

尤其是，較理想為上述第1金屬為Sn或包含85重量%以上之Sn的合金。

又，較佳為本發明之導電性材料包含助焊劑成分。

又，較理想為上述金屬成分中上述第2金屬粉末所佔之比例為30體積%以上。

又，較理想為上述第1金屬為Sn單質，或包含選自由Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、P所組成群中之至少1種與Sn之合金。

又，較理想為上述第2金屬為Cu-Mn合金或Cu-Ni合金。

較理想為上述第2金屬為上述第2金屬中Mn所佔之比例為10~15重量%之Cu-Mn合金，或上述第2金屬中Ni所佔之比例為10~15重量%之Cu-Ni合金。

又，較理想為上述第2金屬粉末之比表面積為0.05 m² ‧g^-1 以上。

又，較理想為上述第1金屬粉末中之至少一部分塗佈於上述第2金屬粉末周圍。

又，本發明之連接方法係使用導電性材料而將連接對象物連接之方法，其特徵在於：使用上述導電性材料，加熱並將構成上述導電性材料之上述第1金屬之整體，製成與構成上述導電性材料之上述第2金屬之金屬間化合物，從而將連接對象物連接。

又，本發明之連接構造之特徵在於：其係連接對象物使用上述導電性材料而連接者；且將連接對象物連接之連接部係以來自上述導電性材料之上述第2金屬與包含上述第2金屬與Sn之金屬間化合物為主要成分，來自上述導電性材料之上述第1金屬相對於金屬成分整體之比例為30體積%以下。

又，較理想為本發明之連接構造中，上述金屬間化合物係形成於來自上述導電性材料之上述第2金屬即Cu-Mn合金或Cu-Ni合金，與來自上述導電性材料之上述第1金屬即Sn單質或包含選自由Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、P所組成群中之至少1種與Sn之合金之間者。

本發明之導電性材料包含含有第1金屬粉末與熔點高於其之第2金屬粉末之金屬成分，且由於第1金屬包含Sn或含有70重量%以上之Sn的合金，並且第2金屬包含與第1金屬生成熔點為310℃以上之金屬間化合物，且與最初生成於其周圍之金屬間化合物之晶格常數差為50%以上之金屬或合金，故而第1金屬與第2金屬之擴散飛躍性地進行，促進向更高熔點之金屬間化合物變化，並且不殘留低熔點成分，因此可進行耐熱強度較高之連接(例如於使用本發明之導電性材料作為焊膏之情形時為焊接)。

尤其是，藉由使第1金屬為Sn或含有85重量%以上之Sn的合金，而可更加確實地產生上述效果。

即，藉由使用本發明之導電性材料，例如於半導體裝置製造步驟中，於經由進行焊接之步驟而製造半導體裝置後，利用回流焊接之方法將該半導體裝置安裝於基板上之情形時，之前的焊接步驟中之焊接部分之耐熱強度亦優異，故而可實現：不會於回流焊接之步驟中再熔融而進行可靠性較高之安裝。

再者，本發明中所謂「晶格常數差」係定義為：將由金屬間化合物之晶格常數減去第2金屬成分之晶格常數之值除以第2金屬成分之晶格常數，將所得之數值之絕對值乘以100倍而得之數值(%)。

即，該晶格常數差係表示於與第2金屬之界面新生成之金屬間化合物之晶格常數相對於第2金屬之晶格常數之差的大小，且不論哪個晶格常數更大。

再者，若以計算式表示則為如下。

晶格常數差(%)={(金屬間化合物之晶格常數-第2金屬之晶格常數)/第2金屬之晶格常數)×100

圖1係示意性表示於使用本發明之導電性材料而進行連接之情形時的行為之圖。

如圖1所示，於使用本發明之導電性材料而連接一對電極11a、11b之情形時，如圖1(a)所示，首先，於一對電極11a、11b間放置導電性材料10。

其次，以該狀態加熱連接部，如圖1(b)所示，若導電性材料10之溫度達到第1金屬(Sn或含有70重量%以上之Sn的合金)1之熔點以上，則導電性材料10中之第1金屬1熔融。

若其後進而持續加熱，則第1金屬1與第2金屬2生成金屬間化合物3(圖1(c))。並且，於本發明之導電性材料10中，生成於第1金屬1與第2金屬2之界面的金屬間化合物3與第2金屬2間之晶格常數差較大(即，第2金屬2與金屬間化合物3之晶格常數差為50%以上)，故而金屬間化合物於熔融之第1金屬中剝離、分散並反覆反應，金屬間化合物之生成飛躍性地進行並可於短時間內充分降低第1金屬1(圖1(a)、(b))之含量。進而，藉由使第1金屬1與第2金屬2之組成比最佳化，而可如圖1(c)所示，將第1金屬1全部形成為金屬間化合物(參照圖1(c))。

其結果，可進行耐熱強度較高之焊接。

又，藉由使含有第1金屬與第2金屬之金屬成分中第2金屬所佔之比例為30體積%，而可於焊接步驟中進一步降低Sn之殘留比例，更加提高耐熱性。

又，藉由使用Sn單質或包含選自由Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、P所組成群中之至少1種與Sn之合金作為第1金屬，而可於與其他金屬(第2金屬)之間容易地形成金屬間化合物，從而可使本發明更具實效。

又，藉由使用Cu-Mn合金或Cu-Ni合金作為第2金屬，進而，藉由使用Mn之比例為10~15重量%之Cu-Mn合金或Ni之比例為10~15重量%之Cu-Ni合金作為第2金屬，而可於更低溫度下於更短時間內於其與第1金屬之間較容易地形成金屬間化合物，從而可使於其後之回焊步驟中亦不會熔融。

第2金屬中，以不妨礙與第1金屬之反應之程度，亦可含有例如1重量%以下之比例之雜質。作為雜質，可列舉Zn、Ge、Ti、Sn、Al、Be、Sb、In、Ga、Si、Ag、Mg、La、P、Pr、Th、Zr、B、Pd、Pt、Ni、Au等。

又，若考慮連接性或反應性，則第1及第2金屬粉末中之氧氣濃度較佳為2000 ppm以下，尤佳為10~1000 ppm。

又，藉由使用比表面積為0.05 m² ‧g^-1 以上者作為上述第2金屬，其與第1金屬之接觸概率變大，於其與第1金屬之間更易形成金屬間化合物，因此可以普通回焊曲線(reflow profile)完成高熔點化。

又，藉由將第1金屬粉末中之至少一部分塗佈於第2金屬粉末周圍，可於第1金屬與第2金屬之間，更加容易地形成金屬間化合物，從而可使本案發明更具實效。

又，本發明之導電性材料中亦可含有助焊劑。

助焊劑發揮除去連接對象物或金屬粉末之表面之氧化覆膜的功能。本發明之導電性材料中，作為助焊劑，例如可使用包括媒劑、溶劑、觸變劑、活性劑等各種公知者。

作為上述媒劑之具體例，可列舉包含松香及將其改性之改性松香等衍生物之松香系樹脂、合成樹脂、或該等之混合物等。

又，作為上述包含松香及將其改性之改性松香等衍生物之松香系樹脂之具體例，可列舉：松脂膠、塔羅松香(tall rosin)、木松香、聚合松香、氫化松香、甲醯化松香、松香酯、松香改性順丁烯二酸樹脂、松香改性酚樹脂、松香改性酸醇樹脂、其他各種松香衍生物等。

又，作為包含松香及將其改性之改性松香等衍生物之合成樹脂之具體例，可列舉：聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、苯氧樹脂、萜烯樹脂等。

又，作為上述溶劑，已知有：醇、酮、酯、醚、芳香族系、烴類等；作為具體例，可列舉：苄醇、乙醇、異丙醇、丁醇、二乙二醇、乙二醇、甘油、乙基溶纖劑、丁基溶纖劑、乙酸乙酯、乙酸丁酯、苯甲酸丁酯、己二酸二乙酯、十二烷、十四碳烯、α-萜品醇(α-terpineol)、萜品醇、2-甲基-2,4-戊二醇、2-乙基己二醇、甲苯、二甲苯、丙二醇單苯醚、二乙二醇單己醚、乙二醇單丁醚、二乙二醇單丁醚、己二酸二異丁酯、己二醇、環己烷二甲醇、2-萜品氧基乙醇、2-二氫萜品氧基乙醇、將該等混合者等。

又，作為上述觸變劑之具體例，可列舉：氫化蓖麻油、巴西棕櫚蠟(carnauba wax)、醯胺類、羥基脂肪酸類、二亞苄基山梨糖醇、雙(對甲基亞苄基)山梨糖醇類、蜂蠟、硬脂酸醯胺、羥基硬脂酸伸乙基雙醯胺等。又，視需要向該等中添加如下成分而得者亦可作為上述觸變劑使用：如辛酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸、山萮酸之類的脂肪酸，如1,2-羥基硬脂酸之類的羥基脂肪酸，抗氧化劑、界面活性劑、胺類等。

又，作為上述活性劑，有胺之氫鹵酸鹽、有機鹵化合物、有機酸、有機胺、多元醇等，作為上述胺之氫鹵酸鹽之具體例，可列舉：二苯胍氫溴酸鹽、二苯胍鹽酸鹽、環己胺氫溴酸鹽、乙胺鹽酸鹽、乙胺氫溴酸鹽、二乙基苯胺氫溴酸鹽、二乙基苯胺鹽酸鹽、三乙醇胺氫溴酸鹽、單乙醇胺氫溴酸鹽等。

再者，作為上述有機鹵化合物之具體例，可列舉：氯化石蠟、四溴乙烷、二溴丙醇、2,3-二溴-1,4-丁二醇、2,3-二溴-2-丁烯-1,4-二醇、三(2,3-二溴丙基)異氰尿酸酯等。

又，作為上述有機酸之具體例，有丙二酸、反丁烯二酸、甘醇酸、檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸、苯基琥珀酸、順丁烯二酸、水楊酸、鄰胺基苯甲酸、戊二酸、辛二酸、己二酸、癸二酸、硬脂酸、松香酸、苯甲酸、偏苯三甲酸、均苯四甲酸、十二烷酸等，進而作為有機胺之具體例，可列舉：單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、三丁胺、苯胺、二乙基苯胺等。

又，作為上述多元醇，可例示：赤藻糖醇、鄰苯三酚、核糖醇等。

又，於使用如下成分作為助焊劑之情形時亦可更加確實地發揮上述本發明之作用效果，上述成分係包含選自由環氧樹脂、酚樹脂、聚醯亞胺樹脂、矽樹脂或其改性樹脂、丙烯酸系樹脂所組成之熱硬化性樹脂群之至少1種，或選自由聚醯胺樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚甲基丙烯酸系樹脂、聚碳酸酯樹脂、纖維素系樹脂所組成之熱塑性樹脂群之至少1種。

如上所述，由於助焊劑發揮除去連接對象物或金屬粉末表面之氧化覆膜之作用，故而較佳為於本發明之導電性材料中包含助焊劑。再者，較佳為包含之助焊劑相對於導電性材料整體之比例為7~15重量%。

其中，本發明之導電性材料並非必須包含助焊劑，亦可應用於無需助焊劑之連接工法，例如藉由一面加壓一面加熱之方法或於強還原性環境下加熱之方法等，亦可除去連接對象物或金屬粉末表面之氧化覆膜，從而實現可靠性較高之連接。

又，由於本發明之連接方法係使用本發明之導電性材料，加熱並將構成導電性材料之低熔點金屬製成其與構成導電性材料之第2金屬之金屬間化合物，從而將連接對象物連接，故而於將連接對象物連接之步驟(於將導電性材料作為焊膏使用之情形時為焊接步驟)中，第1金屬與第2金屬之擴散飛躍性地進行，促進向更高熔點之金屬間化合物變化，使第1金屬成分相對於金屬成分整體之比例為例如30體積%以下，而可進行耐熱強度較高之焊接。

進而藉由使導電性材料中之金屬調配比等最佳化，可進行完全不殘留第1金屬成分之設計。

即，藉由使用本發明之導電性材料，例如於半導體裝置之製造步驟中，於經由進行焊接之步驟而製造半導體裝置後，利用回流焊接之方法將該半導體裝置安裝於基板上之情形時，之前的焊接步驟中之焊接部分耐熱強度亦優異，故而可實現：不會於回流焊接之步驟中再熔融而進行可靠性較高之安裝。

又，本發明之連接構造中，將連接對象物連接之連接部係以來自導電性材料之第2金屬與包含該第2金屬以及Sn之金屬間化合物作為主要成分，來自導電性材料之第1金屬相對於金屬成分整體之比例為30體積%以下，故而可提供耐熱強度較高之連接構造。

再者，較理想為連接部中來自導電性材料之上述第1金屬為30體積%以下。

即，於本發明之連接構造中，如圖1(c)所示，於使連接對象物(電極)11a及11b連接之連接部(焊錫)4中，第1金屬全部與第2金屬形成金屬間化合物3，故而連接部4包含第2金屬2與金屬間化合物3且未殘留第1金屬1(圖1(a)、(b))，因此可實現耐熱強度較高之連接構造。

又，於金屬間化合物形成於來自上述導電性材料之第2金屬即Cu-Mn合金或Cu-Ni合金，與來自上述導電性材料之第1金屬即Sn單質或包含選自由Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、P所組成群中之至少1種與Sn之合金之間時，可更加確實地提供幾乎不殘留第1金屬成分而耐熱強度較高之連接構造。

以下表示本發明之實施例，更加詳細地說明作為本發明之特徵之部分。

[實施例1]

該實施例1中，藉由混合第1金屬粉末、第2金屬粉末與助焊劑而製作導電性材料。

第1金屬粉末與第2金屬粉末之調配比係以第1金屬粉末/第2金屬粉末之體積比為60/40(即，第2金屬為40體積%)之方式進行調整。

作為第1金屬粉末，如表1所示使用：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、Sn-10Bi、Sn-15Bi、Sn-20Bi、Sn-30Bi、Sn-40Bi(比較例)、Sn-58Bi(比較例)。將第1金屬粉末之平均粒徑設為25 μm。

再者，上述各第1金屬中，Sn-40Bi及Sn-58Bi係未滿足「含有70重量%以上之Sn的合金」之本發明之必要條件的比較例。

又，第1金屬之Sn-3Ag-0.5Cu不僅作為實施例，亦作為比較例而使用，於比較例之情形時，其中混合Cu或Cu-10Zn，成為晶格常數差之必要條件未滿足本發明之必要條件者。

再者，上述各材料之記法中，例如「Sn-3.5Ag」之數字3.5表示該成分(此情形時為Ag)之重量%的值，上述之其他材料及以下記載之情形亦相同。

又，作為第2金屬粉末，如表1所示使用：Cu-10Ni、Cu-10Mn、Cu-12Mn-4Ni、Cu-10Mn-1P、Cu-10Ni與Cu-10Mn之等量混合粉末、Cu、Cu-10Zn。將第2金屬粉末之平均粒徑設為15 μm。

再者，使用調配比率為如下者作為助焊劑：松香：74重量%、二乙二醇單丁醚：22重量%、三乙醇胺：2重量%、及氫化蓖麻油2重量%。

又，助焊劑之調配比例係使導電性材料整體中助焊劑所佔之比例為10重量%之比例。

使用金屬掩模將所製作之導電性材料印刷於尺寸為10 mm×10 mm、厚度為0.2 mm之無氧Cu板上。金屬掩模之開口徑為1.5 mm×1.5 mm、厚度為100 μm。

於所印刷之導電性材料上安裝實施鍍Ni及鍍Au之黃銅端子(尺寸為1.2 mm×1.0 mm×1.0 mm)後，使用回焊裝置以圖2所示之回焊曲線使無氧Cu板與黃銅端子接合，將兩者電性、機械連接。

再者，該實施例1中，導電性材料實質上作為焊膏而使用。

[特性之評價]

對於以上述方式製作之試樣，藉由以下方法測定接合強度及導電材料(焊錫)之流出不良率並評價特性。

《接合強度》

使用焊接試驗機測定所得之接合體之剪切強度並進行評價。剪切強度之測定係於橫推速度為0.1 mm‧s^-1 、室溫及260℃之條件下進行。

並且，將剪切強度為20 Nmm^-2 以上者評價為◎(優)、將2 Nmm^-2 以下者評價為×(不可)。

表1表示第1金屬及第2金屬之組成、第2金屬之晶格常數、第1金屬及第2金屬之調配比例、最初生成於第2金屬粉末之表面之金屬間化合物之種類與其晶格常數、第2金屬(Cu合金)與金屬間化合物之晶格常數差、各接合體之接合強度(室溫、260℃)。再者，晶格常數係基於a軸而評價。

《殘留成分評價》

切取所得之反應產物約7 mg，於測定溫度為30℃~300℃、升溫速度為5℃/min、氮氣環境、參考物為Al₂ O₃ 之條件下進行示差掃描熱量測定(DSC(Differential Scanning Calorimeter)測定)。根據所得之DSC圖表之第1金屬成分之熔融溫度中之熔融吸熱峰值的吸熱量對殘留之第1金屬成分量進行定量化。然後將第1金屬成分相對於金屬成分整體之比例作為殘留第1金屬成分率並進行評價。將殘留第1金屬成分率為0~3體積%之情形評價為◎(優)、3體積%以上30體積%以下之情形評價為○(可)、大於30體積%之情形評價為×(不可)。

表1一併表示殘留第1金屬成分率與判定結果。

《導電性材料之流出不良率之測定及評價》

於印刷基板之Cu焊盤(Cu焊盤尺寸：0.7 mm×0.4 mm)上塗佈上述導電性材料(厚度100 μm)，於所得之塗佈部上安裝長度1 mm、寬度0.5 mm、厚度0.5 mm之尺寸的晶片型陶瓷電容器。

於峰值溫度250℃下進行回焊，接合Cu焊盤與陶瓷電容器後(焊接後)，以環氧樹脂密封印刷基板並放置於相對濕度85%之環境中，於峰值溫度260℃之回焊條件下加熱並研究導電性材料(焊錫)之流出比例，作為流出不良率並進行評價。

將導電性材料之流出不良率為0~10%之情形評價為◎(優)、10%以上50%以下之情形評價為○(可)、大於50%之情形評價為×(不可)。

表1一併表示導電性材料之流出不良率與判定結果。

如表1所示，關於室溫之接合強度，實施例、比較例均為20 Nmm^-2 以上，可確認具有實用強度。

另一方面，關於260℃之接合強度，比較例為2 Nmm^-2 以下而接合強度不充分，相對於此實施例保持在10 Nmm^-2 以上，可確認具有實用強度。

又，關於殘留第1金屬成分率，比較例為大於30體積%，相對於此實施例全部為30體積%以下；關於導電性材料之流出不良率，比較例為70%以上，相對於此實施例全部為50%以下，可確認具有較高之耐熱性。

又，實施例試樣中，若第1金屬為含有70重量%以上之Sn的合金，則可確認與第1金屬之種類無關而具有相同之高耐熱性。尤其是，若第1金屬為Sn或含有85重量%以上之Sn的合金，則可使殘留第1金屬成分率為0體積%，導電性材料之流出不良率為0%，從而可確認具有尤其高之耐熱性。

進而，實施例之試樣中，於第2金屬為以Cu-Mn為基礎之金屬(Cu-12Mn-4Ni或Cu-10Mn-1P等)之情形時，或於第2金屬粉末為2種以上(Cu-Mn、Cu-Ni混合粉末)之情形時，同樣可確認具有高耐熱性。

如此實施例之試樣具有高耐熱性，其原因一般認為係由於，於使用Cu-Mn及Cu-Ni系合金作為第2金屬之實施例之情形時，金屬間化合物分別為Cu₂ MnSn及Cu₂ NiSn，各金屬間化合物與第2金屬(Cu合金)間之晶格常數差為50%以上。即認為原因係，若所生成之金屬間化合物層與基礎金屬之第2金屬間之晶格常數差較大，則於熔融之第1金屬中金屬間化合物剝離、分散並反覆反應，故而金屬間化合物化飛躍性地進行。

另一方面可認為原因係，如比較例般，於使用Cu或Cu-Zn合金作為第2金屬之情形時，接合界面之金屬間化合物為Cu₃ Sn，金屬間化合物與第2金屬(Cu合金)間之晶格常數差為20%而較小，金屬間化合物化不會高效率地進行，故而無法獲得較高之耐熱性。

進而，如比較例，Sn-40Bi或Sn-58Bi與Cu-10MnNi之組合無法獲得較高之耐熱性，一般認為係由於：於第1金屬中之Sn之調配比未達70重量%之組成中，最初生成於界面之金屬間化合物層成為Cu₃ Sn，金屬間化合物與第2金屬間(Cu合金)之晶格常數差無法為50%以上。因此，成為第1金屬之合金中之Sn的含有率必須為70重量%以上。

[實施例2]

準備Sn-3Ag-0.5Cu之粉末作為第1金屬粉末。再者，將第1金屬粉末之平均粒徑設為25 μm。

又，準備Cu-10Mn、Cu-10Ni及Cu(比較例)之粉末作為第2金屬粉末。再者，將第2金屬粉末之平均粒徑設為15 μm。

準備調配比率為如下者作為助焊劑：松香：74重量%、二乙二醇單丁醚：22重量%、三乙醇胺：2重量%及氫化蓖麻油2重量%。

並且，藉由混合上述第1金屬粉末、第2金屬粉末與助焊劑而製作導電性材料。

再者，調配比係以第1金屬粉末/第2金屬粉末之體積比為87/13~57/43(即，第2金屬粉末為13~43體積%)之方式進行調整。

又，助焊劑之調配比例係使導電性材料整體中助焊劑所佔之比例為10重量%之比例。

對於如此製作之導電性材料，與實施例1之情形相同，測定接合強度及導電性材料之流出不良率並評價特性。

再者，進行接合強度之評價時，將剪切強度為20 Nmm^-2 以上者評價為◎(優)、2 Nmm^-2 以上未達20 Nmm^-2 者評價為○(良)、2 Nmm^-2 以下者評價為×(不可)。

關於殘留第1金屬成分率，將0~3體積%之情形評價為◎(優)、3體積%以上30體積%以下之情形評價為○(可)、大於30體積%之情形評價為×(不可)。

又，關於導電性材料之流出不良率，將0~10%之情形評價為◎(優)、10%以上50%以下之情形評價為○(可)、大於50%之情形評價為×(不可)。

表2表示各接合體之接合強度(室溫、260℃)、殘留第1金屬成分率、導電性材料之流出不良率、及該等之評價結果。

如表2所示，關於室溫之接合強度，實施例、比較例均為20 Nmm^-2 以上，可知具有實用強度。

另一方面，關於260℃之接合強度，相對於比較例為0.1 Nmm^-2 而遠低於2 Nmm^-2 ，接合強度不充分，實施例為7~29 Nmm^-2 而保持在2 Nmm^-2 以上，可確認具有實用強度。尤其是，於第2金屬為Cu-10Mn之情形時，其比例為30體積%以上時，表現出23 Nmm^-2 以上之接合強度，可確認具有較高之耐熱強度。又，於第2金屬為Cu-10Ni之情形時，其比例為30體積%以上時，表現出27 Nmm^-2 以上之接合強度，可確認具有較高之耐熱強度。

又，關於殘留第1金屬成分率，相對於比較例為大於30體積%，實施例全部為30體積%以下，進而於第2金屬之Cu-10Mn或Cu-10Ni之比例為30體積%以上之情形時，殘留第1金屬成分率為0體積%。又，關於導電性材料之流出不良率，相對於比較例為70%以上，實施例全部為50%以下，進而於第2金屬之Cu-10Mn或Cu-10Ni之比例為30體積%以上之情形時，導電性材料之流出不良率為0%，可確認可獲得較高之耐熱性。

[實施例3]

準備Sn-3Ag-0.5Cu之粉末作為第1金屬粉末。再者，將第1金屬粉末之平均粒徑設為25 μm。

又，準備Mn之比例為5~30重量%之Cu-Mn合金之粉末及Ni之比例為5~20重量%之Cu-Ni合金之粉末作為第2金屬粉末，同時比較例係準備Cu粉末。將第2金屬粉末之平均粒徑設為15 μm。

準備調配比率為如下者作為助焊劑：松香：74重量%、二乙二醇單丁醚：22重量%、三乙醇胺：2重量%及氫化蓖麻油2重量%。

並且，藉由混合上述第1金屬粉末、第2金屬粉末與助焊劑而製作導電性材料。

又，助焊劑之調配比例係使導電性材料整體中助焊劑所佔之比例為10重量%之比例。

第1金屬粉末與第2金屬粉末之調配比係以第1金屬粉末/第2金屬粉末之體積比為60/40(即，第2金屬為40體積%)之方式進行調整。

對於如此製作之導電性材料，以與實施例1之情形相同之方式，測定接合強度、殘留第1金屬成分率及導電性材料之流出不良率並評價特性。

再者，進行接合強度之評價及殘留第1金屬成分率、導電性材料之流出不良率之評價時，以與實施例2之情形相同之基準進行評價。

表3表示各接合體之接合強度(室溫、260℃)、殘留第1金屬成分率、導電性材料之流出不良率及該等之評價結果。

如表3所示，關於室溫之接合強度，實施例、比較例均為20 Nmm^-2 以上，可知具有實用強度。

另一方面，關於260℃之接合強度，比較例為0.1 Nmm^-2 而遠低於2 Nmm^-2 ，接合強度不充分，相對於此實施例為5~26 Nmm^-2 而保持在2 Nmm^-2 以上，可確認具有實用強度。尤其是，於第2金屬為Cu-10~15Mn之情形及為Cu-10~15Ni之情形時，表現出24~26 Nmm^-2 之較高之接合強度，可確認耐熱強度優異。

又，關於殘留第1金屬成分率，比較例為大於30體積%，相對於此實施例全部為30體積%以下，進而於第2金屬之Cu-10~15Mn之情形及Cu-10~15Ni之情形時，殘留第1金屬成分率為0體積%。又，關於導電性材料之流出不良率，比較例為70%以上，相對於此實施例全部為50%以下，進而於第2金屬之Cu-10~15Mn之情形及Cu-10~15Ni之情形時，導電性材料之流出不良率為0%，可確認可獲得較高之耐熱性。

[實施例4]

準備Sn-3Ag-0.5Cu之粉末作為第1金屬粉末。再者，將第1金屬粉末之平均粒徑設為25 μm。

又，準備Cu-10Mn合金之粉末及Cu(比較例)作為第2金屬粉末。將第2金屬粉末之平均粒徑設為15 μm。改變第2金屬粉末之粒徑，從而使其比表面積為0.03~0.06 m² ‧g^-1 。

又，準備調配比率為如下者作為助焊劑：松香：74重量%、二乙二醇單丁醚：22重量%、三乙醇胺：2重量%及氫化蓖麻油2重量%。

並且，藉由混合上述第1金屬粉末、第2金屬粉末與助焊劑而製作導電性材料。

又，助焊劑之調配比例係使導電性材料整體中助焊劑所佔之比例為10重量%之比例。

第1金屬粉末與第2金屬粉末之調配比係以第1金屬粉末/第2金屬粉末之體積比為60/40(即，第2金屬為40體積%)之方式進行調整。

對於如此製作之導電性材料，以與實施例1之情形相同之方式，測定接合強度及殘留第1金屬成分率、導電性材料之流出不良率並評價特性。

再者，進行接合強度之評價及殘留第1金屬成分率、導電性材料之流出不良率之評價時，以與上述實施例2之情形相同之基準進行評價。

表4表示各接合體之接合強度(室溫、260℃)、殘留第1金屬成分率、導電性材料之流出不良率及該等之評價結果。

如表4所示，關於室溫之接合強度，實施例、比較例均為20 Nmm^-2 以上，可知具有實用強度。

另一方面，關於260℃之接合強度，比較例為0.1 Nmm^-2 而遠低於2 Nmm^-2 ，接合強度不充分，相對於此實施例為14~24 Nmm^-2 而保持在2 Nmm^-2 以上，可確認具有實用強度。進而於第二金屬之Cu-10Mn之比表面積為0.05 m² ‧g^-1 以上之情形時為21 Nmm^-2 以上，具有尤其高之耐熱強度。

又，關於殘留第1金屬成分率，比較例為大於30體積%，相對於此實施例全部為30體積%以下，進而於第2金屬之Cu-10Mn之比表面積為0.05 m² ‧g^-1 以上之情形時，殘留第1金屬成分率為0體積%。又，關於導電性材料之流出不良率，比較例為70%以上，相對於此實施例全部為50%以下，進而於第2金屬之Cu-10Mn之比表面積為0.05 m² ‧g^-1 以上之情形時，導電性材料之流出不良率為0%，可確認可獲得較高之耐熱性。

[實施例5]

藉由混合含有以下成分之金屬粉與助焊劑而製作導電性材料：

(a)　鍍Sn之Cu-10Mn合金與Sn粉之混合物、

(b)　鍍Sn之Cu-10Mn合金與Sn粉與Cu-10Mn合金之混合物、及

(c)　鍍Sn之Cu-10Mn合金單質。

又，用於比較，藉由混合含有以下成分之金屬粉與助焊劑而製作導電性材料：

(d)　鍍Sn之Cu粉與Sn粉之混合物、

(e)　鍍Sn之Cu粉與Sn粉與Cu粉末之混合物、及

(f)　鍍Sn之Cu粉末。

除使用鍍Sn之Cu-10Mn合金單質之情形及使用鍍Sn之Cu粉末之情形(比較例)外，第1金屬粉末與第2金屬粉末之調配比係以第1金屬粉末/第2金屬粉末之體積比為60/40(即，第2金屬為40體積%)之方式進行調整。

其中，於鍍Sn之Cu-10Mn合金單質之情形時，將Cu-Mn合金(第2金屬)之合計比率設為80%。又，於使用鍍Sn之Cu粉末之情形(比較例)時，將Cu(第2金屬)之合計比率設為80%。

再者，使用調配比率為如下者作為助焊劑：松香：74重量%、二乙二醇單丁醚：22重量%、三乙醇胺：2重量%及氫化蓖麻油2重量%。

又，助焊劑之調配比例係使導電性材料整體中助焊劑所佔之比例為10重量%之比例。

對於如此製作之導電性材料，以與實施例1之情形相同之方式，測定接合強度、殘留第1金屬成分率及導電性材料之流出不良率並評價特性。

再者，進行接合強度之評價及殘留第1金屬成分率、導電性材料之流出不良率之評價時，以與上述實施例2之情形相同之基準進行評價。

表5表示各接合體之接合強度(室溫、260℃)、殘留第1金屬成分率、導電性材料之流出不良率及該等之評價結果。

如表5所示，關於室溫之接合強度，實施例、比較例均為20 Nmm^-2 以上，可知具有實用強度。

另一方面，關於260℃之接合強度，比較例為0.1 Nmm^-2 而遠低於2 Nmm^-2 ，接合強度不充分，相對於此實施例為24~26 Nmm^-2 而保持在2 Nmm^-2 以上，可確認具有實用強度。因此，於將第1金屬電鍍(塗佈)於第2金屬表面之情形時，亦與上述之各實施例之情形相同，可確認可獲得較高之耐熱強度。

又，關於殘留第1金屬成分率，比較例為大於30體積%，相對於此實施例全部為0體積%。又，關於導電性材料之流出不良率，比較例為70%以上，相對於此實施例全部為0%，於將第1金屬電鍍(塗佈)於第2金屬表面之情形時，亦可確認可獲得較高之耐熱強度。

[實施例6]

準備Sn-3Ag-0.5Cu之粉末作為第1金屬粉末。再者，將第1金屬粉末之平均粒徑設為25 μm。

又，準備Cu-10Mn合金之粉末作為第2金屬粉末。將第2金屬粉末之平均粒徑設為15 μm。又，為了比較，準備Cu粉末作為第2金屬粉末。

準備添加樹脂者與未添加樹脂者作為助焊劑。

作為未添加樹脂之助焊劑，係準備調配比率為：松香：74重量%、二乙二醇單丁醚：22重量%、三乙醇胺：2重量%及氫化蓖麻油2重量%之普通助焊劑A。

又，作為添加樹脂者，係準備於上述普通助焊劑A中添加熱硬化性樹脂與硬化劑之熱硬化性樹脂調配助焊劑B，與於上述普通助焊劑A中添加熱塑性樹脂之熱塑性樹脂調配助焊劑C。

再者，熱硬化性樹脂調配助焊劑B為按以下比例包含上述助焊劑A、熱硬化性樹脂(雙酚A型環氧樹脂)及硬化劑者。

助焊劑A：30重量%

熱硬化性樹脂：40重量%

硬化劑：30重量%

又，熱塑性樹脂調配助焊劑C為按以下比例包含上述助焊劑A與熱塑性樹脂(聚醯胺樹脂)者。

助焊劑A：30重量%、

熱塑性樹脂(聚醯胺樹脂)：70重量%

並且，製作如下者，

(1)　以使導電性材料整體中助焊劑所佔之比例為10重量%之比例，調配未添加樹脂之上述助焊劑A而得之導電性材料(表6之實施例No.3)、

(2)　以使導電性材料整體中助焊劑所佔之比例為25重量%之比例，調配熱硬化性樹脂調配助焊劑B而得之導電性材料(表6之實施例No.1)、

(3)　以使導電性材料整體中助焊劑所佔之比例為25重量%之比例，調配熱塑性樹脂調配助焊劑C而得之導電性材料(表6之實施例No.2)。

又，作為比較例之導電性材料，係製作使用上述之Cu粉末作為第2金屬之導電性材料。再者，於該比較例之導電性材料中，亦以使導電性材料整體中助焊劑所佔之比例為10重量%之比例調配未添加樹脂之上述助焊劑A。

然後，關於該等導電性材料，以與實施例1之情形相同之方式，測定接合強度、殘留第1金屬成分率及導電性材料之流出不良率並評價特性。

表6表示各接合體之接合強度(室溫、260℃)、殘留第1金屬成分率、導電性材料之流出不良率及該等之評價結果。

如表6所示，關於室溫之接合強度，實施例、比較例均為20 Nmm^-2 以上，可知具有實用強度。

另一方面，關於260℃之接合強度，比較例為0.1 Nmm^-2 而遠低於2 Nmm^-2 ，接合強度不充分，相對於此實施例為24~33 Nmm^-2 而保持在2 Nmm^-2 以上，可確認具有實用強度。

又，關於殘留第1金屬成分率，比較例為大於30體積%，相對於此實施例全部為0體積%。又，關於導電性材料之流出不良率，比較例為70%以上，相對於此實施例全部為0%，可確認於添加樹脂之情形時亦可獲得較高之耐熱性。

再者，上述實施例中，雖然對於金屬間化合物之晶格常數大於第2金屬之晶格常數之情形進行了舉例說明，但本發明理論上亦能以第2金屬之晶格常數大於金屬間化合物之晶格常數之方式構成。該情形時，亦藉由使晶格常數差為50%以上，而使第1金屬與第2金屬之擴散飛躍性地進行，並促進向更高熔點之金屬間化合物變化，由於幾乎不殘留第1金屬成分，而可進行耐熱強度較高之連接。

本發明並不限定於上述實施例，關於構成導電性材料之第1金屬及第2金屬之種類或組成、第1金屬與第2金屬之調配比例、助焊劑之成分或助焊劑之調配比例等，可於發明之範圍內增加各種應用、變形。

又，關於應用本發明而可連接之連接對象物之種類或於連接步驟中之條件等，亦可於發明之範圍內增加各種應用、變形。

本發明進而於其他方面，亦可於發明之範圍內增加各種應用、變形。

1．．．第1金屬

2．．．第2金屬

3．．．金屬間化合物

4．．．連接部

10．．．導電性材料

11a、11b．．．一對電極(連接對象物)

51．．．低熔點金屬球

52．．．高熔點金屬球

53．．．助焊劑

54．．．金屬間化合物

圖1係示意性表示使用本發明之導電性材料而進行連接之情形時的行為之圖，(a)為表示加熱前之狀態的圖，(b)為表示開始加熱、第1金屬熔融之狀態的圖，(c)為表示進而繼續加熱、第1金屬全部與第2金屬形成金屬間化合物之狀態的圖；

圖2係表示使用本發明之導電性材料，於無氧Cu板上安裝黃銅端子時之回焊曲線的圖；及

圖3係表示使用以往之焊膏進行焊接之情形時焊錫之行為的圖，(a)為表示加熱前之狀態的圖、(b)為表示焊接步驟結束後之狀態的圖。

1．．．第1金屬

2．．．第2金屬

3．．．金屬間化合物

4．．．連接部

10．．．導電性材料

11a、11b．．．一對電極(連接對象物)

Claims (11)

1. 一種導電性材料，其特徵在於：其係包含含有第1金屬粉末與熔點高於上述第1金屬粉末之第2金屬粉末之金屬成分者，其中上述第1金屬為含有70重量%以上之Sn的合金，上述第2金屬係與上述第1金屬生成熔點為310℃以上之金屬間化合物，且最初生成於上述第2金屬粉末周圍之金屬間化合物之晶格常數與上述第2金屬成分之晶格常數的差即晶格常數差為50%以上之金屬或合金，上述第1金屬為包含選自由Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、P所組成群中之至少1種與Sn之合金，上述第2金屬為上述第2金屬中Mn所佔之比例為5~30重量%之Cu-Mn合金、上述第2金屬中Ni所佔之比例為5~20重量%之Cu-Ni合金、該等合金之混合物或以Cu-Mn為基礎之金屬，上述金屬間化合物係形成於來自上述導電性材料之上述第2金屬與來自上述導電性材料之上述第1金屬之間者。
2. 如請求項1之導電性材料，其含有助焊劑成分。
3. 如請求項1之導電性材料，其中上述第1金屬為含有85重量%以上之Sn的合金。
4. 如請求項1之導電性材料，其中上述金屬成分中上述第2金屬粉末所佔之比例為30體積%以上。
5. 如請求項1之導電性材料，其中上述第2金屬為Cu-Mn合金或Cu-Ni合金。
6. 如請求項1之導電性材料，其中上述第2金屬為上述第2金屬中Mn所佔之比例為10~15重量%之Cu-Mn合金、或上述第2金屬中Ni所佔之比例為10~15重量%之Cu-Ni合金。
7. 如請求項1之導電性材料，其中上述第2金屬粉末之比表面積為0.05m² ‧g^-1 以上。
8. 如請求項1之導電性材料，其中上述第1金屬粉末中之至少一部分塗佈於上述第2金屬粉末周圍。
9. 一種連接方法，其係使用導電性材料將連接對象物連接之方法，其特徵在於：使用如請求項1至8中任一項之導電性材料，加熱並使構成上述導電性材料之上述第1金屬成分與上述第2金屬成為金屬間化合物，從而將連接對象物連接。
10. 一種連接構造，其特徵在於：連接對象物係使用如請求項1至8中任一項之導電性材料而被連接者；其中將連接對象物連接之連接部之導電性材料，係以來自上述導電性材料之上述第2金屬與包含上述第2金屬及Sn之金屬間化合物為主要成分，且來自上述導電性材料之上述第1金屬相對於金屬成分整體之比例為30體積%以下。
11. 如請求項10之連接構造，其中上述金屬間化合物係形成於來自上述導電性材料之上述第2金屬即Cu-Mn合金或Cu-Ni合金，與來自上述導電性材料之上述第1金屬即包 含選自由Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、P所組成群中之至少1種與Sn之合金之間者。