(57)【要約】      （修正有）【課題】金属接合方法で、金属シートを使用せずに金属接合をおこなう方法。また、金属の逐次接合を実現する方法を提供すること。【解決手段】本発明の金属接合方法は、複数の金属の接合面を互いに接触させ接合する方法において、第一の金属と第二の金属を準備する工程と、第一の金属および第二の金属の少なくとも一方の金属に金属塩を付着する工程と、少なくとも一方の金属を第一の温度で加熱する工程と、第一の金属と第二の金属とを接合する工程とからなり、接合する工程は第一の金属と第二の金属との接合部を加圧し第二の温度で加熱することを特徴とする。【選択図】図１
2020168658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属の接合面を互いに接触させ接合する方法において、第一の金属と第二の金属を準備する工程と、前記第一の金属および前記第二の金属の少なくとも一方の金属に金属塩を付着する工程と、前記少なくとも一方の金属を第一の温度で加熱する工程と、前記第一の金属と前記第二の金属とを接合する工程とからなり、前記接合する工程は前記第一の金属と前記第二の金属との接合部を加圧し第二の温度で加熱することを特徴とする金属接合方法。
【請求項２】
前記第一の温度は、前記金属塩の分解温度以下であり、前記第二の温度は、前記金属塩の分解温度以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属接合方法。
【請求項３】
前記金属塩は、有機酸であり、蟻酸、クエン酸、ステアリン酸および酢酸のいずれか１ 種類以上を含むことを特徴とする請求項１および請求項２に記載の金属接合方法。
【請求項４】
前記第二の金属は複数個準備され、前記第一の金属に対して、逐次接合されることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の金属接合方法。
【請求項５】
前記接合する工程は、超音波振幅印加、電流印加およびパルスヒータ印加のいずれかひとつ以上の方法により、前記接合部を加圧し加熱していることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の金属接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属同士を接合する金属接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な金属同士を直接接合する方法として、接合面を高温に加熱しながら加圧下で接合する高温接合法が知られている。これは、接合面を加熱することにより、金属を変形させて接合面の酸化膜を破壊して活性な金属面を出したり、金属を変形させて実際の接触面積を増やしたりすることで接合がおこなわれる。
【０００３】
また、表面に有機酸塩被膜を形成した金属シートを介在させて、接合する接合方法も知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、金属表面に金属塩（有機酸塩）を形成し、この被膜を有した金属シートと金属部材を重ね合わせ、加熱・加圧を加える。金属塩は加熱により分解され、活性化された金属表面が露出する。その面同士を加熱および加圧力より金属接合させる接合方法が開示されている。また、アルミニウムを接合する場合は亜鉛シートなどを使用する方法で接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】再公表２０１６／１０４３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術は、金属シートを使用するため、部材が多く必要になる。また、接合したい部材全体を加熱しなくてはならないため、一度の金属塩の形成で、一度の接合しかすることができない。
【０００７】
例えば、半導体モジュールの様に、リードフレームに複数のデバイス（チップ等）を接合（搭載）する場合、全てのデバイスを一度で同時に接合しなければならない。このとき、デバイスの種類・厚み形状・配置等の個体のバラツキきがあり、加圧・加熱を均等に接合することが難しく、接合不良をおこす懸念がある。
【０００８】
従って、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、金属接合方法において、金属シートを使用せずに金属接合をおこなう方法を提供することを目的とする。また、複数の金属の逐次接合をおこなう方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために、本発明は、以下に掲げる構成とした。
本発明の金属接合方法は、複数の金属の接合面を互いに接触させ接合する方法において、第一の金属と第二の金属を準備する工程と、第一の金属および第二の金属の少なくとも一方の金属に金属塩を付着する工程と、少なくとも一方の金属を第一の温度で加熱する工程と、第一の金属と第二の金属とを接合する工程とからなり、接合する工程は第一の金属と第二の金属との接合部を加圧し第二の温度で加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、金属シートを使用せず、金属塩を使用し、金属同士を直接に接合するので、部材を削減することができる。また、第一の温度と第二の温度で加熱するので、複数の金属を逐次接合をおこなうことができる。これにより、各金属を均一に接合でき、容易な接合で信頼性の高い接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る金属接合の製造方法を説明する図である。
【図２】本発明の実施例１に係る金属接合の製造フロー図である。
【図３】本発明の変形例１に係る金属接合の製造方法を説明する図である。
【図４】本発明の変形例４に係る金属接合を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について、図を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は以下の記載に何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００１３】
本発明の実施例１に係る金属接合の製造方法を図１、製造フローを図２で説明する。図１（ａ）は、金属の表面処理および接合前の状態を示した断面略図である。金属１（第一の金属）と金属２（第二の金属）を準備する。
【００１４】
図１（ｂ）は、金属１（第一の金属）、金属２（第二の金属）の表面処理として金属塩３を付着した状態を示した断面略図である。
【００１５】
金属塩３は有機酸であり、例えば、蟻酸、クエン酸、ステアリン酸および酢酸などであり、いずれか１ 種類以上を含んでいる。金属塩３の付着は、塗布、噴霧、浸漬等でおこない、金属１、金属２の材料や形状を考慮して適宜選択することができる。
【００１６】
例えば、金属が銅の場合、銅の酸化物が表面に形成されている。金属表面に金属塩３を付着させ置き換える。その後、熱分解により、酸化していない活性化した金属面を露出することができる。
【００１７】
具体的には、金属塩３を表面に有する銅材料のリードフレーム（金属２）と金属塩３を表面に有する裏面ニッケル電極のチップ（金属１）とを接合する半導体装置である。
【００１８】
事前にチップ（金属１）とリードフレーム（金属２）を第一の温度にプリヒート（予備加熱）し、“金属塩分解温度＞第一の温度（プリヒート温度）”の状態にしておく。例えば、リードフレーム（金属２）をヒーターで金属塩３の分解温度以下まで加熱しておく。金属塩分解温度が２５０℃の場合、第一の温度を７０℃に設定するとよい。
【００１９】
そして、図１（ｃ）の状態で、チップ（金属１）をリードフレーム（金属２）に加圧する際に超音波振幅を同時に印加する。一般的に超音波による振幅は、接合面に圧力と振幅を加えることで、金属が変形しやすくなり、変形により活性化した金属面が露出し接合がおこなわれる。
【００２０】
本発明では、さらに金属表面に金属塩を付着させ、加圧して接触している部位に超音波振幅により局部的に発熱を発生させ、金属塩が分解する温度である第二の温度まで温度上昇させる。金属塩３が接合面だけ熱分解する。その結果、接合面した部位は活性化した面になり、接合に寄与する。
【００２１】
図１（d）の状態で、接合が完了し、金属接合体１００となる。すなわち、接合面付近のみを超音波振幅印加するので、加熱は局所的な領域でおこなわれる。金属塩３は局所的な領域である接合面には存在せず、その他の部分には金属塩３が残る状態である。
【００２２】
金属塩３が付いた表面は“表面温度（プリヒート温度（第一の温度）＋超音波による加熱温度（第二の温度）＞金属塩分解温度”となるように設定している。これにより、超音波振幅印加により加熱されると、接触している面（リードフレームとチップ界面）において発熱現象がおこり、金属塩３が熱分解され、活性化面となり、接合面が接合する。
【００２３】
超音波接合において、一般的な文献では、ニッケルと銅の接合時に約２５０℃まで接合面が温度上昇することが知られている。金属塩分解温度が２５０℃である金属塩を選択した場合、第二の温度は２５０℃以上であり、例えば、２６０℃で設定する。第一の温度を７０℃に設定すれば、温度上昇が１９０℃以上になるように発熱するエネルギーとして超音波振幅を印加すればよい。
【００２４】
プリヒート（第一の温度）しているので、単に超音波接合のみによる一度で２５０℃以上温度上昇させる必要がない。それよりも比較的低い温度上昇（１９０℃）で接合できるので、超音波振幅印加も弱い設定でおこなうことができる。
【００２５】
そして、同時に接触している面（リードフレームとチップ界面）は加圧により圧力が発生している部位であるため、金属塩３が分解し活性化された状態で効率的に加圧して接合し、金属接合体１００とすることができる。これにより、リードフレームにチップをひとつ搭載するディスクリート半導体装置を製造することができる。
【００２６】
一般的な超音波接合のみの場合、接合面の材料変形による活性化面の露出を多くしなければならないため、高い加圧・強い超音波を加える必要があり、接合面の変形や元の形を維持することが難しい。本発明では、熱分解できる金属塩を表面に付着させることで、接合に必要な活性化面を強い超音波振幅の印加を必要とせず、接合面の変形を抑制した接合とすることができる。例えば、強力な超音波接合が必要なニッケルめっき同士の接合も、低い超音波振幅印加で接合が容易となる。
【００２７】
次に変形例１を説明する。超音波振幅印加による加熱（第二の温度）は、超音波振幅印加して接触した面にのみ発生する。すなわち、局部的に加熱され、接合面だけの金属塩が熱分解されるため、リードフレームの他の部位は、表面温度が金属塩分解温度より低く、“金属塩分解温度＞表面温度”となり、金属塩３が残っている状態となる。そのため、金属接合を連続して、すなわち複数のチップを本発明によってリードフレームに接合（搭載）することができる。
【００２８】
図３に示すように、逐次接合として、リードフレーム２１とチップ１１からチップ１４に金属塩３を付ける。チップ１１を超音波マウンター装置でリードフレーム２１に接合（搭載）する。その後、順を追ってチップ１２からチップ１４を次々に接合し、金属接合体１１０とすることができる。
【００２９】
ここでは、チップ１１からチップ１４を同時に保持して接合することがないので、厚さの違った異なる形状のチップを接合することができる。また、一部のチップをコンデンサ等の電子部品とすることもできる。
【００３０】
このとき、デバイス（チップ等）の種類・厚み形状・配置等の個体のバラツキを考慮した、加圧・加熱で接合することできるので、接合不良を抑制し、接合品質を向上することができる。これにより、逐次接合を使い、リードフレームに複数のチップや電子部品を搭載する半導体モジュールを品質よく製造することができる。
【００３１】
接合したい面のみを短時間で加熱し、金属塩の熱分解温度を超えればよい。実施例２として、半導体装置の場合、デバイス（チップ、コンデンサ等）とリードフレーム間で電流を流すことで電流印加をする。これにより、デバイス自身の発熱であり、リードフレームとデバイス間で接触している部位のジュール発熱が実施例１の超音波振幅印加による加熱の代用とすることができる。
【００３２】
接合面のジュール発熱は、デバイスとリードフレーム以外にも、金属ブロックの場合においても使用することができる。
【００３３】
超音波振幅印加では、発熱と超音波よる接合面（材料）の降伏応力低下により、接合面の変形がともなう。電流印加の場合は、ジュール発熱の熱が発生することになり、超音波振幅印加による降伏応力低下がないので、接合面（材料）の変形を抑制できる。例えば、後述する銅柱やバンプの様な軟らかい（弱い）構造や材料の接合面の場合に適応すれば、銅柱やバンプの変形を抑制することができる。
【００３４】
実施例３として、短時間における局所加熱する方法として、パルスヒータ印加を使用することができる。電流を流すことができない構造の場合に適応できる。
【００３５】
また、接合工程の加熱（第二の温度）方法については、３つの実施例を示したが、超音波振幅印加、電流印加、パルスヒータ印加のいずれかひとつ以上の方法による局所加熱方法であってもよい。
【００３６】
実施例１の変形例２として、超音波振幅印加を用いた接合において、相対的に低加圧で接合ができるため、ダイレクト接合で問題となる応力緩和層についても対応できる。
【００３７】
例えば、回路基板の銅パターンにスリット状の格子溝と金属塩を形成する。すなわち、アスペクト比の高い銅柱の連続体を形成し、金属塩を付着させておく。その部位に対し超音波振幅印加による金属接合をおこなう。超音波接合時よりも、低加圧でも活性した新生面をだすことができるので、回路基板の銅パターン、すなわち、スリット状の格子溝（銅柱）のつぶれを抑制した接合ができる。
【００３８】
また、このようなアスペクト比の高い構造（銅柱）を形成しておくと、超音波振幅印加による発熱が格子溝により周辺へ拡散する要素が減るため、より接触面を第二の温度を上昇させやすくなるため、低加圧、低温度による接合が容易となる。
【００３９】
この構造による熱の拡散防止による接合容易性は、電流印加、パルスヒータ印加でも同様な効果とすることができる。
【００４０】
実施例１の変形例３として、一般的なワイヤボンディングでは、超音波接合により対象面（チップ電極）へワイヤを接合する。その際、ワイヤの最初に接触した部位付近は表面（対象面）の活性化面が露出しづらいため、接合強度が得にくく、外周部分の変形し易い部位により接合強度を確保している。
【００４１】
本発明では、銅ワイヤの場合、銅ワイヤ表面に金属塩処理を施し、“表面温度＞金属塩分解温度”を満たすようにワイヤボンディングをおこなえば、最初に接触した部位（接触面）においても、活性化した新生面を露出させ、金属接合を容易にすることができる。
【００４２】
また、超音波ワイヤボンディングで接合をおこなうだけよりも、容易に活性化した新生面の露出が可能なため、弱い加圧により、チップダメージを少なく接合することができる。この時、接合側の面（チップ電極）に金属塩を形成しておくのが望ましい。
【００４３】
実施例１の変形例４として、図４に示すように、チップ１５にワイヤボンディング方法でバンプ１６を形成し、フリップチップ１２０が完成する。金属バンプを形成する場合、一般的にはワイヤボンディングのウェッジはV溝ウェッジでおこなわれるため、フリップチップボンドする際に最初に接触する面（バンブ頂点）はウェッジとの接触がなく、金属塩３が除去されていない。ここでは、チップ１５はシリコンチップであり、バンプ１６はアルミワイヤボンディングによるアルミバンプである。そのため、フリップチップ１２０をプリント基板等に接合させる場合についても、上述の接合方法が使え、同様な効果で接合性向上が可能である。
【００４４】
上述のように、本発明を実施するための形態を記載したが、この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例が可能であることが明らかになるはずである。
【００４５】
実施例では、金属１、金属２の周囲に金属塩３を付着させているが、接合面だけ、または、一方の金属だけに金属塩を付着させても構わない。
【００４６】
加熱方法では、実施例の他、抵抗溶接法により、部材が接触している部位の界面抵抗からの温度発生を利用してもよい。また、金属２（チップ）を金属１（リードフレーム）の上においた後に、温度が十分に高い金属ブロックを押し付ける方法でもよい。また、レーザーで加熱してもよい。また、接合面を温度上昇させる光線（強い光、強い赤外線等）でもよい。
【００４７】
また、加熱方法（接合する工程）は、上述した超音波振幅印加、電流印加、パルスヒータ印加等のいずれかひとつ以上の方法により、加圧し加熱してもよい。
【００４８】
また、第二の温度に容易に加熱することができれば、プリヒートである第一の温度を室温（常温）としてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１、１１、１２、１３、１４、第一の金属
２、２１、第二の金属
３、金属塩
１５、チップ
１６、バンプ
１００、１１０、金属接合体
１２０フリップチップ
【図１】
2020168658.tif 000003
【図２】
2020168658.tif 000004
【図３】
2020168658.tif 000005
【図４】
2020168658.tif 000006