(57)【要約】【課題】  接合体の温度変化に起因して発生する、接合部におけるクラックや破断などの物理的損傷の発生が少なく信頼性の高い接合体を提供することが可能な接合体及び接合方法を提供することを目的とするものである。【解決手段】    第１被接合材１と第２被接合材２間の接合層３は、複数の金属粒子９、前記複数の金属粒子９間に存在する錫又は錫合金１０、および被膜１１を備え、前記第１被接合材側１に存在する金属粒子含有層６と、錫または錫を５０重量％以上含有する錫合金を用い前記第２被接合材側に存在する錫含有層５と、第１、第２の接合界面層７、８とを備え、この構成により接合部に発生する応力を緩和する。【選択図】  図２
2006068765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも被接合面が金属材料である第１被接合材と、
少なくとも被接合面が金属材料であり、前記第１被接合材以上の熱膨張率を有する第２被接合材と、
前記第１被接合材と前記第２被接合材とを接合する接合層とを備え、
前記接合層は、
融点が３００℃以上であって錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子、前記複数の金属粒子間に存在する錫又は錫を５０重量％以上含有する錫合金、および前記錫又は錫合金と前記金属粒子との間に介在し、錫と前記金属粒子構成元素とを含む化合物もしくは固溶体被膜を備え前記第１被接合材側に存在する金属粒子含有層と、
錫または錫を５０重量％以上含有する錫合金を用い前記第２被接合材側に存在する錫含有層と、
前記第１被接合材と前記金属粒子含有層との間に介在する、錫と前記第１被接合材構成元素とを含む第１の接合界面層と、
前記第２被接合材と前記錫含有層との間に介在する、錫と第２被接合材構成元素とを含む第２の接合界面層と、
を備えることを特徴とする接合体。
【請求項２】
少なくとも被接合面が金属材料である第１被接合材表面に、融点が３００℃以上であって錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子を含有する金属粒子層、前記金属粒子層表面に錫または錫を５０重量％以上含有する錫合金を用いた錫含有層、少なくとも被接合面が金属材料であり、前記第１被接合材の熱膨張率以上の熱膨張率を有する第２被接合材が配置されるよう、前記第１被接合材、前記金属粒子層、前記錫含有層、及び前記第２被接合材を積層し積層体を形成する工程と、前記積層体を加熱して前記第１被接合材と前記第２被接合材とを接合する工程とを備えることを特徴とする接合方法。
【請求項３】
前記金属粒子は表面に凹凸を有する粒子であることを特徴とする請求項２記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電子機器の部品の接合に好適に用いられ、同種又は異種の材料同士の接合体及びその接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある物体とその物体よりも融点が低い物質を用いた接合技術としてのはんだ接合は、古くから使用されており、電子機器の接合においても、マイクロプロセッサ、メモリ、抵抗、及びコンデンサなどの半導体素子や電子部品と実装基板との接合をはじめとして幅広く用いられている。はんだ接合は、部品を基板に固定するだけでなく、導電性を有する金属をはんだに含有させることにより電気的接合も兼ね備えている点に特長を有する。
【０００３】
今日、パーソナルコンピュータ、携帯電話などに代表されるパーソナル機器の急激な普及が進むにつれ、電子部品の実装技術における接合材や接合方法の選択はますますその重要性が増大している。
【０００４】
従来、最も多く用いられているはんだは、錫・鉛系共晶はんだであった。この錫・鉛系共晶はんだは実用に極めて適している。しかし、錫・鉛系共晶はんだに含まれる鉛は、人体に対し有害であることが知られるようになり、錫・鉛系共晶はんだに代わる、鉛を含まない、いわゆる非鉛系はんだの開発が急務とされている。
【０００５】
このような状況の中、現在、半導体デバイスの中で例えばパワーデバイスにおいて用いられている接合材には、主に融点が約１８３℃の低融点はんだ（Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだ）と、融点が約３００℃の高融点はんだ（Ｐｂ−５Ｓｎはんだ）が用いられ、それぞれ工程に応じて使い分けられている。
【０００６】
このうち低融点はんだはパワーデバイスの熱を効率よく外部へ逃すために設けられている主に銅あるいは銅合金を加工したヒートシンクと、半導体素子を搭載した前記セラミック基板との間に挟みこまれる接合材として用いられ、加熱溶融後にセラミック基板をヒートシンク上に固定する機能を担っている。
【０００７】
しかしながらこのようなヒートシンクを有していてもパワートランジスタ等のようなパワーデバイスは、高電圧、高電流の負荷により大きな発熱を生じ、デバイス・装置の作動・停止によって昇温・降温が繰り返される。また、デバイスの製造時に２００℃を越える加熱工程を経なければならない。
【０００８】
一方、パワーデバイスの半導体素子を直接搭載するセラミック基板はデバイス全体の強度を保つためにアルミニウムあるいは珪素の酸化物や窒化物が用いられ、ヒートシンク側との線膨張率が大きく異なり、２〜１０倍近い差が生じる（例えば、ＡｌＮは４×１０−６／Ｋに対してＣｕは１７．７×１０−６／Ｋ）。
【０００９】
このため、デバイスの昇温・降温が繰り返された場合や、デバイスの製造時における加熱工程においては、材料の線膨張率の違いによって熱応力が発生してデバイス・装置中の部品接合部に歪を生じる。また、昇温が激しい場合には接合部を構成する接合材が溶融する。このような温度変化に起因する歪や溶融により接合部にクラック、破断等の物理的損傷ができるとデバイスの性能が劣化するという問題点があった。
【００１０】
従来用いられたＳｎ−Ｐｂ共晶はんだは常温から１２５℃までの優れた延性特性を有しており、はんだを加熱溶融しヒートシンクとセラミック板とを接合した後、冷却工程でヒートシンクとセラミック板との収縮差が大きくなっても変形能により追随できることから、その後のデバイスの使用による温度変化があっても接合部でのクラックの発生は少なくパワー半導体デバイスの信頼性確保に適した接合材であった。しかしながら先に述べたようにはんだの無鉛化が求められている状況にあっては、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだに代わる接合材が必要とされる。
【００１１】
電子部品のプリント配線板への実装用代替はんだとしてＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ組成、Ｓｎ−３Ａｇ−１Ｂｉ−３Ｉｎ組成、Ｓｎ−３Ａｇ−１Ｂｉ組成、あるいは非特許文献１に示されるようにＺｎベース合金などが提唱されているものの、これらのはんだの引っ張り強度はＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ以上の値を示すが破断伸びは低くなる傾向にあることから、熱による収縮率差が大きい材料同士を接合する接合材としては変形能が少なく、接合部でクラックが生じパワーデバイスの信頼性の確保ができない恐れがある。
【００１２】
【非特許文献１】「Ｚｎ−Ａｌ系鉛フリーはんだでダイアタッチした場合に発生するチップ割れ現象を防止する条件について」  住友金属鉱山（株）電子事業本部技術センター  清水寿一、石川治男  6th Symposium on “Microjoining and Assembly in Electronics” February 3-4,2000, Yokohama
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、接合体の温度変化に起因して発生する、接合部におけるクラックや破断などの物理的損傷の発生が少なく信頼性の高い接合体を提供することが可能な接合体、及び接合方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、少なくとも被接合面が金属材料である第１被接合材と、
少なくとも被接合面が金属材料であり、前記第１被接合材以上の熱膨張率を有する第２被接合材と、
前記第１被接合材と前記第２被接合材とを接合する接合層とを備え、
前記接合層は、
融点が３００℃以上であって錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子、前記複数の金属粒子間に存在する錫又は錫を５０重量％以上含有する錫合金、および前記錫又は錫合金と前記金属粒子との間に介在し、錫と前記金属粒子構成元素とを含む化合物もしくは固溶体被膜を備え前記第１被接合材側に存在する金属粒子含有層と、
錫または錫を５０重量％以上含有する錫合金を用い前記第２被接合材側に存在する錫含有層と、
前記第１被接合材と前記金属粒子含有層との間に介在する、錫と前記第１被接合材構成元素とを含む第1の接合界面層と、
前記第２被接合材と前記錫含有層との間に介在する、錫と第２被接合材構成元素とを含む第２の接合界面層と、
を備えることを特徴とする接合体である。
【００１５】
また、本発明は、少なくとも被接合面が金属材料である第１被接合材表面に、融点が３００℃以上であって錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子を含有する金属粒子層、前記金属粒子層表面に錫または錫を５０重量％以上含有する錫合金を用いた錫含有層、少なくとも被接合面が金属材料であり、前記第１被接合材の熱膨張率以上の熱膨張率を有する第２被接合材が配置されるよう、前記第１被接合材、前記金属粒子層、前記錫含有層、及び前記第２被接合材を積層し積層体を形成する工程と、前記積層体を加熱して前記第１被接合材と前記第２被接合材とを接合する工程とを備えることを特徴とする接合方法である。
【００１６】
前記金属粒子は表面に凹凸を有する粒子であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る接合体によれば、高い濃度の鉛を含有する接合材を用いずとも、接合体の温度変化に起因して発生するクラックや破断などの物理的損傷の発生が少なく信頼性の高い接合体を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
まず、本実施形態に係る接合体について説明する。
【００１９】
図１は本実施形態に係る接合体の断面概略図である。この接合体４では、第１接合材１が、第２接合材２に接合層３を介して接合されている。
【００２０】
第１被接合材１、第２被接合材２は、少なくとも被接合面に金属材料を有するものであり、金属材料のみからなるものでも、セラミック等の母材表面を金属材料でメタライズしたものであってもよい。金属材料は、単一金属元素でも、複数の金属元素を含有する合金でも良い。
【００２１】
第１被接合材及び第２被接合材の母材は、互いに同じ材料であっても異なる材料であっても良いが、熱膨張率が異なる場合に本発明は特に効果的である。
【００２２】
第１被接合材に比べて第２被接合材２の熱膨張率が高い材料である場合について、共に金属よりなる第１被接合材１及び第２被接合材２を接合する接合層３の断面微細構造について説明する。
【００２３】
図２に接合体４の接合層３の一例を示す断面概略図を図２に示す。図２に示されるように、接合層３は、接合体４の第１、２被接合材１、２間に存在し前記第１、２被接合材１、２を接合する。接合層３は、第２被接合材２側に存在する錫含有層５と、第１被接合材１側に存在する金属粒子含有層６と、第２被接合材２と錫含有層５との間に介在する第２の接合界面層７と、第１被接合材１と金属粒子含有層６との間に介在する第1の接合界面層８とが存在する。
【００２４】
錫含有層５は錫または錫を５０重量％以上含有する錫合金から構成される層である。
【００２５】
金属粒子含有層６には、複数の金属粒子９と、この複数の金属粒子９間に存在する錫又は錫を５０重量％以上含有する錫合金１０と、錫または錫合金１０と金属粒子９との間に介在する被膜１１とが存在する。
【００２６】
第２の接合界面層７は少なくとも錫と第２被接合材２の構成元素との間の化合物もしくは固溶体から構成される層である。
【００２７】
第１の接合界面層８は少なくとも錫と第１被接合材１の構成元素との間の化合物もしくは固溶体から構成される層である。
【００２８】
金属粒子９は３００℃以上の融点を有しかつ錫と共晶組成もしくは固溶体を作り得る金属または合金である金属材料を用いた粒子である。被膜１１は、金属粒子９の構成元素と、錫または錫合金１０との間の化合物または固溶体から構成される被膜である。また、複数の金属粒子９間には、錫又は錫を５０重量％以上含有する錫合金が存在する。
【００２９】
このように接合層３においては、錫含有層５と金属粒子含有層６とが存在し、両者は共に金属とのぬれ性に優れる錫ベース材料を含み一体化している。また金属粒子含有層６及び第１被接合材１、第２被接合材２及び錫含有層５との界面においては各々接合界面層８、７が形成されることにより接合がとれている。また、金属粒子含有層６の金属粒子９はその周囲に被膜１１が形成されることにより錫ベース材料である錫または錫合金１０との接合が取れている。
【００３０】
上記のような接合層３においては、熱膨張率が低い第１被接合体１の側には融点の高い金属粒子９を含む金属粒子含有層６が存在し、熱膨張率が高い第２被接合材２の側には錫含有層６が存在することとなる。
【００３１】
このような構造であると、接合体４が高温条件下に置かれた場合、高融点の金属粒子を含む金属粒子含有層６の存在により、接合層３の第１被接合材１側が比較的硬さを保ったままとなり、一方、第２被接合材２側が錫含有層５の存在により硬さの小さい状態となり、それぞれの物性は接する被接合材に近い形となる。そのため、接合層３において第１被接合材１と第２被接合材２との間に発生する応力を緩和することができる。
【００３２】
また、このような構造であると複数の金属粒子９が接合層３内に傾斜組成的に分散した形をとるため、金属粒子含有層から錫含有層へ段階的に膨張率の差を生じ、傾斜材料的な効果で第１被接合材と第２被接合材との間の接合部に生じる応力を効率よく緩和することができる。例えば母材にセラミックスを用いた第１被接合材と、金属材料のみからなる第２被接合材とを用いた場合、接合層３では第２被接合材側に近づくにつれ膨張率を段階的に第２被接合材に近づけられるため、接合信頼性を得ることが可能となる。
【００３３】
さらにこの構造であると、各々の被接合材間で熱伝達を効率良く行うことができる。
【００３４】
図１の接合体において第１被接合材１、第２被接合材２は、金属材料よりなるか、もしくは少なくとも被接合面の表面に金属材料がメタライズされた材料を用いる。具体例としては銅、ゲルマニウム、モリブデン、白金、パラジウム、バナジウム、チタン、ジルコニウムなどの金属からなる部材、またＳＵＳステンレス鋼等の合金からなる部材、これらの金属又は合金の複合金属材からなる部材、若しくはこれらの金属または合金が少なくとも被接合面の表面にメタライズされたセラミックス、高分子材料部品、またこれらの金属または合金が少なくとも被接合面の表面にメタライズされた、金属材料、セラミックス、高分子材料の複合材料などが挙げられる。
【００３５】
また第２被接合材は、第１被接合材以上の熱膨張率を有する材料を用いる。若しくは第２被接合材の母材は、第1被接合材の母材以上の熱膨張率を有する材料を用いる。
【００３６】
次に図１に示した接合体の接合層３の説明をする。
【００３７】
金属粒子９の含有量は接合層３全体の２０〜６０ｖｏｌ％の範囲であることが望ましい。金属粒子９が多すぎると、粒子間隔が狭く粒子同士の接触が高まる反面、接合層の内部的な応力を発生させ易くなり、少なすぎると傾斜材料的な効果が得られなくなるからである。
【００３８】
金属粒子含有層６は金属粒子９を通常４０体積％以上含む層とする。この層における金属粒子９の含有量は５０体積％以上７４体積％以下の範囲であることが、粒子間に錫または錫を５０重量％以上含有する合金と粒子表面との反応を高めるため望ましい。また、７４体積％を越えると金属粒子を均等に配列しにくくなるため、好ましくない。
【００３９】
金属粒子含有層６の厚さは、接合層厚み全体の２０％以上６０％以下の範囲であることが望ましい。この範囲であると接合層の変形能を高めることができるためである。
複数の金属粒子９は、平均粒径１００μｍ以上８００μｍ以下の範囲である粒子であることが望ましい。金属粒子の形状は球形、塊状、多面体、及びこれらの形状が組合わさったものなど特に限定されないが、表面に凹凸を有することが接合強度を高くすることができのぞましい。
【００４０】
前記金属粒子９は３００℃以上の融点を有し、かつ錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属材料を用いる。３００℃以上の融点を有し、かつ錫と共晶組成または固溶体を作り得る金属又は錫と共晶組成または固溶体を形成する金属を用いた合金が適しており、具体例として、汎用的な第２被接合材としての銅よりも線膨張率の小さいゲルマニウム、モリブデン、白金、パラジウム、バナジウム、チタン、ジルコニウムなどの金属よりなる金属粒子、これらの金属に亜鉛を組み合わせた合金よりなる金属粒子、さらにこれらの金属に亜鉛を付着させた金属粒子が挙げられる。また、亜鉛を含有する亜鉛含有粒子は錫単独もしくは錫を５０重量％以上含有する合金が溶融した際に銅と接する界面に亜鉛リッチな金属間化合物被膜が形成され、この相が接合強度を高める働きをもつため望ましい。
【００４１】
複数の金属粒子９間に存在する錫又は錫を５０重量％以上含有する錫合金１０は、錫含有層５に用いられる錫合金と同様の材料であることが良好な接合特性を得るために望ましい。錫合金１０の具体例としては、錫と銅からなり銅を１重量％以上１０重量％未満含む合金、錫と銀からなり銀を４重量％以上１０重量％未満含む合金、錫と亜鉛からなり亜鉛を１重量％以上１２重量％未満含む合金等が挙げられる。
【００４２】
錫又は錫合金１０と金属粒子９との間に介在する被膜１１は、前記粒子とその周囲の錫又は錫合金との構成元素を含む金属間化合物あるいは固溶体であり、前記錫又は錫合金１０と金属粒子９との接合に寄与するものである。この組成は錫又は錫合金１０の組成と金属粒子９の組成とによって異なるが、錫がわずかに固溶したゲルマニウム層、モリブデンと錫を約１：２もしくは約３：１の原子数比で含む合金層、白金と錫を約１：４もしくは約１：２の原子数比で含む合金層、パラジウムと錫を１：１から１：４の原子数比で含む合金層、モリブデンと錫を約１：２もしくは約３：１の原子数比で含む合金層、パラジウムと錫を１：１から１：４の原子数比で含む合金層、バナジウムと錫を約２：３の原子数比で含む合金層、チタンと錫を約６：５もしくは約５：３の原子数比で含む合金層、ジルコニウムと錫を約１：２もしくは約４：１の原子数比で含む合金層、あるいは、錫を７．３重量％以下含むジルコニウム層、銀と錫を約３：１の原子数比で含む合金層、亜鉛を０.６重量％以下含む錫層などが具体例として挙げられる。
【００４３】
例えば金属粒子含有層６において、第１、第２被接合材１，２として共に銅で、金属粒子９としてパラジウム粒子を用い、錫または錫含有合金５、１０として錫を用いた場合には、金属粒子９と錫含有合金１０との接合界面に形成される被膜１１としてはPd３Ｓｎ、ＰｄＳｎ４などの金属間化合物が形成される。
【００４４】
被膜１１の厚さは１μｍ以上１０μｍ以下の範囲であることが望ましい。
【００４５】
錫含有層５は、錫又は錫を５０重量％以上含有する錫合金から構成される層であり、錫以外の材料の含有は２０重量％以下、さらには１０重量％以下であることが望ましい。またこの層では金属粒子９の含有量は金属粒子含有層６の金属粒子９含有量以下である層とする。
【００４６】
錫含有層５の厚さとしては１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲であることが望ましい。この範囲であると接合部の変形能を保持できるからである。
【００４７】
前記錫合金の具体例としては、錫とゲルマニウムからなりゲルマニウムを０．２重量％含む合金、錫と銀からなり銀を４重量％以上１０重量％未満含む合金、錫とアルミニウムからなりアルミニウムを２.４重量％含む合金等が挙げられる。
【００４８】
第２の接合界面層７は少なくとも錫と第２被接合材２の構成元素との間の金属間化合物または固溶体から構成される層であり、その厚さは１μｍ以上２０μｍ以下の範囲であることが望ましい。この範囲であると第２の接合界面層７と第２被接合材との接合を維持できるからである。第２の接合界面層７の具体例としてはＣｕ３Ｓｎ、Ｃｕ５Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５などが挙げられる。
【００４９】
第１の接合界面層８は少なくとも錫と第１被接合材１の構成元素との間の金属間化合物または固溶体から構成される層であり、その厚さは１μｍ以上２０μｍ以下の範囲であることが望ましい。この範囲であると第１の接合界面層８と第１被接合材との接合を良好に維持できるからである。第１の接合界面層８の具体例としてはＣｕ３Ｓｎ、Ｃｕ５Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５などの合金相が単層もしくは複層で構成される反応層、あるいは、これらの単層・複層中にＡｇ３Ｓｎ、ＰｄＳｎ４などの化合物が混在した複合化した反応層が挙げられる。
【００５０】
本実施形態の接合体において、複数の金属粒子９間に存在する錫又は錫を５０重量％以上含有する錫合金１０、鉛含有層５をはじめ接合層に含まれる鉛の含有量については、０．１ｗｔ％以下とすることが望ましい。
【００５１】
本実施形態に係る接合体はどのような方法により得ても良いが、例えば本発明に係る接合方法にて得ることができる。
【００５２】
図３は接合方法の一実施形態を説明するための断面概略図である。
【００５３】
まず第２被接合材２表面に、シート状に加工した錫または錫を５０重量％以上含有する錫合金を用いた錫含有層１２、錫含有層１２表面に融点が３００℃以上であって錫と共晶を作り得る金属材料よりなる複数の金属粒子１４を含有する金属粒子層１３、金属粒子層１３表面に第１被接合材１が配置されるよう、第２被接合材２、錫含有層１２、金属粒子層１３、及び第１被接合材１の積層体を形成する。図３では便宜上各層を離して記載したが、実際には各々が接するように積層する。
【００５４】
次に前記積層体を積層方向（図中の矢印方向）に加圧して、もしくは加圧せずに、加熱して第１被接合材１と第２被接合材２とを接合する。
【００５５】
加熱は、シート材の加熱を第１ステップとして行い、金属粒子をシート材の上層部に配置させるような向きに組合せることが好ましい。この時、望ましくは０ｐｐｍ（実質的には酸素濃度の検出限界以下でほぼ無酸素と見なせる１〜５ｐｐｍの値）以上１０００ｐｐｍ以下の酸素濃度に保った雰囲気の中で２１０〜２５５℃の範囲、より好ましくは２１０〜２３５℃の範囲温度範囲で加熱する。
【００５６】
なお加熱に際しては、接合部が２１０〜２３５℃の範囲にある時間が０．５〜５分以内となるよう適宜温度上昇条件を調整する。
【００５７】
被接合材の母材がセラミックである場合、表面の金属が酸化し難い金属材料でメタライズされていることが望ましい。その場合接合材料を部材表面上で直接加熱溶融できるからである。
【００５８】
被接合材やメタライズ金属材料が銅などのように表面に酸化物が形成されている場合には、水素、メタノール蒸気、エタノール蒸気、プロパノール蒸気等のアルコール蒸気、蟻酸、酢酸等の酸蒸気、アンモニアや水素等の還元性ガスなどを用いた還元処理によって部材表面の酸素量を低下させることが望ましい。
【００５９】
接合体が、ヒートシンクを有する半導体デバイスである場合、シート材の加熱接合後に第二ステップとしてリフロー加熱を行うが、リフロー加熱では窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化雰囲気中または酸素濃度が０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の低酸素雰囲気中で行うことによって接合面の信頼性が増す。
【００６０】
この製造方法において、錫含有層１２は厚さが１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲であることが望ましい。錫含有層１２は錫または錫を５０重量％以上含有する錫合金から構成される層であり、これ以外の材料の含有は２０重量％以下であることが望ましい。錫含有層１２の厚さとしては１０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲であることが望ましい。この範囲であるとリフロー加熱時の溶融が数分で完了するからである。この錫含有層１２は、金属粒子層１３を形成する前に、予めめっき法、蒸着法、ペーストリフロー法、あるいは、合金シート材を用いた加熱によって形成されることが好ましい。これは、本実施形態によって得られる接合体の接合部分に変形能を付与するために、錫含有層を一定の厚み以上で確保することが容易となるためである。
【００６１】
前記錫合金の具体例としては、錫とゲルマニウムからなりゲルマニウムを０．２重量％含む合金、錫と亜鉛からなり亜鉛を４重量％以上１１重量％未満含む合金、錫とアルミニウムからなりアルミニウムを２.４重量％以下含む合金等が挙げられる。
【００６２】
近年、リフロー加熱による合金膜の形成も注目されている。このため、これらの合金を粒径が２０〜５０μｍの粉末とし、得られた粉末をロジンをイソプロピルアルコールに１：４から１：９の範囲の割合で溶解させた後に０．１重量％の臭素系活性剤を添加したフラックスと混練りして得られるぺーストとして第２被接合材２の上に塗布し１〜３分間リフロー加熱することにより、錫含有層１２を得ることができる。
【００６３】
この製造方法において、金属粒子層１３は、複数の金属粒子１４が集合してなる層である。金属粒子１４は平均粒径が１００μｍ以上８００μｍμｍ以下の範囲である粒子であることが粒子を瞬時に溶融させることが無く望ましい。
【００６４】
金属粒子１４の形状は球形、塊状、ドーナツ状のリング、ワッシャー、円筒状のペレットなどの形状であっても良い。金属粒子の表面形態など特に限定されないが、表面に凹凸を有することが、金属間化合物被膜の生成量を高くし接合強度を高くすることができ望ましい。
【００６５】
金属粒子１４は３００℃以上の融点を有し、かつ錫と共晶または固溶体を作り得る金属又は合金を用いる。３００℃以上の融点を有し、かつ錫と共晶または固溶体を作り得る金属又は錫と固溶体を形成する金属を用いた合金が適しており、具体例として、汎用的な第２被接合材としての銅よりも線膨張率の小さいゲルマニウム、モリブデン、白金、パラジウム、バナジウム、チタン、ジルコニウムなどの金属よりなる金属粒子、これらの金属に銀あるいは亜鉛を組み合わせた合金よりなる金属粒子あるいはこれらの金属に銀あるいは亜鉛を付着させた金属粒子が挙げられる。
【００６６】
さらには、シート材にアルミニウムや亜鉛などの酸化し易い元素を含む場合には、集束イオンビーム、レーザービーム、電子線などのエネルギー密度の高いビームを断続的に粒子表面に照射することによって深さが２μｍから粒径の１／５以下の凹凸を付け表面積を増大させることが望ましい。このとき深さが２μｍを下回ると表面積の増加の効果は薄れ、粒径の１／５を超えると粒子表面が突起を有する構造となりやすく好ましくない。さらに、照射間隔は５μｍから粒子の直径の１／５の範囲にあることが好ましく、この幅の範囲より小さいと、接合時に空孔を多発させやすく、また、この範囲より大きいと表面積の増加の効果がなくなる。このとき、ガリウムイオンを用いた集束イオンビームは、チャネリングコントラストの鮮明な画像を照射と共に得られやすいことから、深さを制御しながら粒子表面に加工を施すことができ好ましい。
【００６７】
また、亜鉛粒子又は亜鉛を含有する亜鉛含有粒子は錫単独もしくは錫を５０重量％以上含有する合金が溶融した際に銅と接する界面に亜鉛リッチな金属間化合物被膜が形成され、この相が接合強度を高める働きをもつ。亜鉛含有粒子の組成としては亜鉛３０重量％と残部銅、亜鉛３５重量％と残部銅、亜鉛３０重量％とニッケル１重量％と残部銅などが挙げられる。
【００６８】
亜鉛を含有する金属を用いる場合は、加熱により温度が上昇し酸化するため、濡れ性や強度等に影響を及ぼしやすい。このため亜鉛を含む金属粒子の調製、特に溶融・混合工程は、得られるハンダ材の含有酸素量が１００ｐｐｍ（重量比）以下となるように窒素やアルゴンなどの非酸化雰囲気を用いて酸化を防止しながら行うことが好ましい。
【００６９】
原料として用いる錫、亜鉛に含まれる酸素を減少させるには、これらの溶融原料に、融点が低く酸素と反応し易いリンやマグネシウム等を脱酸素剤として添加する方法がある。これにより、脱酸素剤と溶融原料中の酸素が化合してスラグとして溶融原料表面に浮遊し、容易に除去することができる。脱酸素剤の使用量は原料の０．０１〜０．１重量％程度が好ましい。このような方法で脱酸素した原料を用いると、含有酸素量が３０ｐｐｍ以下に減少した接合用粒子を調製することができる。
【００７０】
金属粒子１４は、ロジンをイソプロピルアルコールに１：４から１：９の範囲の割合で溶解させた後に０．１重量％の臭素系活性剤を添加したフラックスと、錫と亜鉛９重量％と残部錫からなる合金粉末（粒径２０〜４０μｍ）と一緒に混練りしペーストとして調整する。なお、フラックスは、化学的作用及び物理的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合して調製しても良い。得られたペーストを錫含有層１２の上に厚さ２００〜８００μｍの範囲で塗布し、さらにその上に第１被接合材１を載せリフロー加熱する。また、亜鉛又は亜鉛含有粒子を用いる時には比較的プロセス温度を下げることができ、２１０℃〜２３５℃での加熱温度が適当である。
【００７１】
金属粒子層１３は、上記の金属粒子１４を錫含有合金粒子とフラックスと一緒に混練りしたペーストを用いた加熱によって得られるほか、厚さ２００〜８００μｍのシートに加工した亜鉛９重量％と残部錫合金中に金属粒子１４を加圧により埋め込み、この金属粒子１４が埋め込まれたシートと第１被接合材１との間にロジンをイソプロピルアルコールに１：４から１：９の範囲の割合で溶解させ０．１重量％の臭素系活性剤を添加したフラックスを滴下した後に、リフロー加熱２１０℃〜２５５℃によって得ることもできる。金属粒子層１３の厚さは２５０μｍ以上９００μｍ以下であることが望ましい。
【００７２】
本実施形態の接合体および接合方法は、鉛を含有しない汎用性の高い材料であり、現状の製品の組立製造工程において用いられている装置及び設備を利用して部品の接合が行える。従って、従来の錫−鉛はんだの代替物として使用することができ、温度上昇を伴う電気機器や、パワー半導体デバイス及びこれを用いた装置において、接合形成に適している。
【００７３】
例えば、パワー半導体デバイスは、パワー素子として、トランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴなどを用いており、パワートランジスタモジュール等のパワーモジュールやパワーＩＣ等のようなデバイス中の接合及びデバイスが組み込まれた装置における接合形成に用いることができる。
【００７４】
本実施形態の接合体及び接合方法は、精細なハンダ接合にも十分対応でき、５００μｍ以下の狭い間隔を有する細線状の金属部材のハンダ接合に対応できる。接合する部材の材質に応じて、部材に予め金属プリコートをメッキや圧着法等によって施してもよく、プリコートの組成やプリコート方法は適宜選択することができる。この時、用いる接合材料としてシート材の代わりに線形３００〜８００μｍの合金ワイヤーを適宜切って接合面に並べ用いすることができる。例えば、パワー半導体デバイスのセラミック板のはんだ材と接する側にあらかじめニッケル／金フラッシュめっき・錫めっきなどのめっき層や、タングステン粒子やチタン粒子を配合したペーストを塗布加熱し形成される金属層を貼り付けることで、幅１ｍｍ以下の電極部の接合強度を高めることもできる。
【００７５】
図４は、本実施形態に係る接合体を適用可能なパワー半導体デバイスの一例を示す断面図である。このデバイスは例えば銅からなるヒートシンク２１、金属回路板２３、セラミック板２４、金属回路板２５、半導体ペレット２８が積層された構造である。ヒートシンク２１と金属回路板２３との間がはんだ接合されており接合層２２がある。また金属回路板２５と半導体ペレット２８との間もソルダーレジスト２６を使用してはんだのオーバーフローによる短絡を抑制し接合されておりはんだ接合層２７がある。本実施形態の接合層、接合方法ははんだ接合層２２、はんだ層２７の形成に適用可能であるが、特に従来低温系のはんだが用いられるはんだ層２２に適用されることが望ましい。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例を記載する。
【００７７】
（実施例１〜３０及び比較例１〜３）
酸素濃度１００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中で、純度９９．９８％の錫、純度９９．９８％の銀、純度９９．９８％のニッケル、ゲルマニウム、白金、バナジウム、パラジウム、チタン、ジルコニウム、純度９９．９９％の亜鉛、アルミニウムを用い表１の実施例１〜３０、及び、比較例１〜３の組合せを有するように各接合用の金属粒子及びシート材を作成した。金属粒子についてはアトマイズ法によって得られた粒子を、他の金属やハロゲンで汚染されていない容器内に窒素封入で保存した。また、アルミニウムを含むシート材と組み合わせると酸化の影響が顕在化しやすいため、実施例１４、実施例１５、実施例１６でそれぞれ用いる金属粒子表面にガリウムイオンを用いた集束イオンビームによって２箇所以上の凹凸を２０〜５０μｍピッチで粒子表面の２０％以上達するまで設けた後、他の金属やハロゲンで汚染されていない容器内に窒素封入で保存した。
【００７８】
次にシート材を第２被接合材であるヒートシンク（寸法：４０ｍｍ×７５ｍｍ×３ｍｍｔ）としての銅板に載せ表面温度２５５〜２６５℃で加熱した。加熱前には、ロジン１２重量ｗｔ％を含むイソプロピルアルコールを溶剤とし、臭素系活性剤を０．１重量％添加したフラックスを０．０１ｃｃ／ｃｍ２の割合になるようヒートシンク上に滴下し錫合金層を形成し易くした。
【００７９】
次に前述の得られた金属粒子を、ロジン２５重量％をイソプロピルアルコールに溶解させ０．１重量％の臭素系活性剤を添加したフラックスと混練りしペースト状に調整した。また、実施例１、実施例４、実施例１１、実施例１７〜１９、実施例２２、実施例２５〜３０については、錫と亜鉛９重量％と残部錫からなる合金粉末（粒径２０〜４０μｍ）と一緒に混練りしペーストとして調整した。いずれの実施は例についても得られたペーストを錫含有層の上に厚さ２００〜８００μｍの範囲で塗布し、さらにその上に被接合面が金属層にてメタライズされたセラミックよりなる第１被接合材を載せリフロー加熱した。このときのリフロー加熱はピーク温度でコントロールし、表に示すリフローピーク温度２２５〜２５５℃の範囲で最大１分間加熱させ、接合材料を一体化し接合体を得た。
【００８０】
得られた実施例１の接合体の接合層の断面をＳＥＭ−ＥＤＸで分析したところ、図２に示されるように、接合体４の第１、２被接合材１、２間に存在する６００μｍの厚さの接合層３には、第２被接合材２側に厚さ５μｍ、組成が９９．９重量％以上である錫含有層５と、第１被接合材１側に被膜１１を含む粒径が５００μｍの亜鉛３０％重量部と銅残部からなる金属粒子９が分散した金属粒子含有層６と、前記第２被接合材２と前記錫含有層５との間に介在する組成がＣｕ５Ｓｎ６、厚さが５μｍの接合界面層７（金属間化合物層）と、前記第１被接合材１と前記金属粒子含有層６との間に介在する組成Ｃｕ５Ｚｎ８厚さ２μｍの接合界面層８（金属間化合物層）とが存在した。金属粒子９の周囲には組成Ｃｕ５Ｓｎ６とＣｕ５Ｚｎ８が混在した厚さ３μｍの金属間化合物の被膜１１が存在した。
【００８１】
また、いずれの実施例にも前記第２被接合材２と前記錫含有層５との間に金属間化合物もしくは固溶体層からなる接合界面層７、前記第１被接合材１と前記金属粒子含有層６との間に金属間化合物もしくは固溶体層からなる接合界面層８とが存在した。また、金属粒子９の周囲には錫と金属化合物金属粒子含有元素を含む金属間化合物若しくは固溶体からなる被膜１１が存在した。
【００８２】
各実施例の接合体について反りの発生具合を調査し、現行の錫−鉛共晶はんだと比べて３０％以内のＡ判定、３０〜７０％のものをＢ判定、７０％以上のもの、あるいは、クラックの発生したものをＣ判定として評価した結果を表１に示す。
【表１】
2006068765.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】接合体の一実施形態を示す断面図。
【図２】接合体の接合層の一例を示す断面図。
【図３】接合方法の一実施形態を説明するための断面概略図。
【図４】パワー半導体デバイスの一例を示す断面図。
【符号の説明】
【００８４】
１・・・第１被接合材
２・・・第２被接合材
３・・・接合層
４・・・接合体
５・・・錫含有層
６・・・金属粒子含有層
７・・・第２の接合界面層
８・・・第１の接合界面層
９・・・金属粒子
１０・・・錫又は錫合金
１１・・・被膜
１２・・・錫含有層
１３・・・金属粒子層
１４・・・金属粒子
２１・・・ヒートシンク
２２・・・接合層
２３・・・金属回路板
２４・・・セラミック板
２５・・・金属回路板
２６・・・ソルダーレジスト
２７・・・はんだ層
２８・・・半導体ペレット
【図１】
2006068765.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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