(57)【要約】【課題】接合する面積が大きいことにより生じる大きな熱応力に耐え、繰り返し温度変化による亀裂の発生および進展が抑制された実装構造体を提供する。【解決手段】  ２つの部材が、第１の界面層と第２の界面層とを前記２つの部材との界面にそれぞれ有する接合材層によって接合された実装構造体であって、前記接合材層が、第１の金属間化合物と応力緩和物とを含み、前記第１の金属間化合物は、球状、柱状および楕円球状のいずれかの形状と、前記第１の界面層および前記第２の界面層と同じ結晶構造とを有し、前記第１の界面層および前記第２の界面層の間の一部を閉塞しており、前記応力緩和物は、前記第１の金属間化合物の周囲を充填し、Ｓｎが主成分である、実装構造体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材が、第１の界面層と第２の界面層とを前記２つの部材との界面にそれぞれ有する接合材層によって接合された実装構造体であって、
前記接合材層が、第１の金属間化合物と応力緩和物とを含み、
前記第１の金属間化合物は、
球状、柱状および楕円球状のいずれかの形状と、
前記第１の界面層および前記第２の界面層と同じ結晶構造とを有し、
前記第１の界面層および前記第２の界面層の間の一部を閉塞しており、
前記応力緩和物は、前記第１の金属間化合物の周囲を充填し、Ｓｎが主成分である、
実装構造体。
【請求項２】
前記第１の界面層および前記第２の界面層と異なる結晶構造を有する第２の金属間化合物が前記接合材層中に分散している、請求項１に記載の実装構造体。
【請求項３】
前記第１の界面層と、前記第２の界面層と、前記第１の金属間化合物とが、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５であることを特徴とする、請求項１または２に記載の実装構造体。
【請求項４】
前記応力緩和物はＳｎと、ＩｎまたはＢｉとを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の実装構造体。
【請求項５】
前記応力緩和物はＳｎと、ＣｏまたはＧｅとを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の実装構造体。
【請求項６】
前記第２の金属間化合物はＡｇ３Ｓｎである、請求項２〜５のいずれか一項に記載の実装構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーデバイスなどの機器に用いることができる、２つの部材が金属材料で接合された構造を有する実装構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイスやＬＥＤなどの発熱を伴う機器においては、発生した熱の放熱を目的として、素子を搭載した基板から放熱部への熱輸送のために基板と放熱部とが接合された実装構造体が用いられる。
【０００３】
近年、パワーデバイスなどの機器においては、大出力化に伴って発熱量が大きくなっている。そのため、これらの機器において放熱をより効率よく行うことが求められている。現在、放熱を効率よく行うために、上記実装構造体の部材間の接合部の大面積化が進められている。これは、大面積化することにより熱を逃がす経路を大きくすることができ、放熱をより効率よく行えるためである。
【０００４】
ところが、実装構造体の動作時には、動作に伴う発熱により接合部の温度が上昇するため、２つの部材の材質が異なる場合、２つの部材の線膨張係数の差に依存する大きさの熱応力、熱ひずみが接合部に発生する。実装構造体の接合部に用いられる接合材としては、低温での接合が可能であることから、はんだ材料が広く用いられているが、接合部の大面積化に伴って上記熱ひずみおよび熱応力は大きくなるため、接合部に繰り返し温度変化が生じる場合にはんだ接合部に亀裂が発生してしまうという問題がある。接合部における亀裂の発生は放熱性の低下、接合強度の低下をもたらすため、１０ｍｍ２を超えるような大面積の接合部でも、繰り返し温度変化による亀裂進展に耐えうる実装構造体が求められている。
【０００５】
従来の亀裂の進展が発生しにくい実装構造体として、例えば特許文献１に記載される実装構造体が知られている。この実装構造体は、第１金属（例えば、ＳｎまたはＳｎを含む合金）と、第１金属の融点より高い融点を有する第２金属（例えば、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金などのＣｕ基合金）とを、第１金属の融点以上の温度に加熱することによって金属間化合物を生成することによって接合されている。ここで、生成された金属間化合物は第１金属の融点より高い融点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０７９８４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
金属間化合物を生成することによって作製された特許文献１に記載の実装構造体では、低融点のＳｎを残留させずに高融点の金属間化合物を生成するため、接合部は高強度かつ優れた耐熱性を有しているが、生成された金属間化合物は非常に脆い。また、金属間化合物を生成する際に、金属間化合物とＳｎの体積差による収縮により、大面積になるほど接合部に空隙が残存しやすい。そのため、接合する面積が大きいことにより生じる大きな熱応力によって亀裂進展が起こりやすいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、接合する面積が大きいことにより生じる大きな熱応力に耐え、繰り返し温度変化による亀裂の発生および進展が抑制された実装構造体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の実装構造体は、
２つの部材が、第１の界面層と第２の界面層とを２つの部材との界面にそれぞれ有する接合材層によって接合された実装構造体であって、
接合材層が、第１の金属間化合物と応力緩和物とを含み、
第１の金属間化合物は、
球状、柱状および楕円球状のいずれかの形状と、
第１の界面層および第２の界面層と同じ結晶構造とを有し、
第１の界面層および第２の界面層の間の一部を閉塞しており、
応力緩和物は、第１の金属間化合物の周囲を充填し、Ｓｎが主成分である。
【００１０】
本明細書において「主成分」とは、応力緩和物に含まれる元素の中で最も存在比率が高い元素を意味する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、接合する面積が大きいことにより生じる大きな熱応力に耐え、繰り返し温度変化による亀裂の発生および進展が抑制された実装構造体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の１つの実施形態における実装構造体の第１および第２の部材の積層方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の１つの実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、第１の部材１０１と第２の部材１０３である２つの部材が、第１の界面層１０５と第２の界面層１０６とを２つの部材との界面にそれぞれ有する接合材層１０９によって接合された実装構造体１００を示している。
【００１５】
（第１の部材１０１、第２の部材１０３）
第１の部材１０１は、第２の部材１０３と対向する表面に第１の被接合材１０２を有する。第１の部材１０１には、第２の部材１０３と対向する表面に被接合材を設けることができれば、いかなる材料であっても使用することができ、例えばＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、セラミック等を使用することができるが、これに限定されない。第２の部材１０３は、第１の部材１０１と対向する表面に第２の被接合材１０４を有する。そのため、第１の被接合材１０２と第２の被接合材１０４とは対向するように設置される。第２の部材１０３には、第１の部材１０１と対向する表面に被接合材を設けることができれば、いかなる材料であっても使用することができ、例えばＣｕ板、Ａｌ板等を使用することができるが、これに限定されない。
【００１６】
第１の被接合材１０２および第２の被接合材１０４には、接合時の加熱及び押圧により接合材層１０９に含まれる元素と化合物を形成し、接合材層１０９の表面に形成した化合物から成る界面層を形成することができる任意の材料を使用することができる。使用される材料は、接合材層１０９に含まれる元素に依存して様々であり得るが、例えばＮｉ、Ｃｕ等を使用することができる。第１の被接合材１０２と第２の被接合材１０４の表面は、接合の際に形成される第１の界面層１０５と第２の界面層１０６でそれぞれ覆われている。
【００１７】
（第１の界面層１０５、第２の界面層１０６）
第１の界面層１０５と第２の界面層１０６とは、接合時の加熱及び圧力によって、接合材層１０９と２つの部材１０１、１０３との２つの界面に、第１の被接合材１０２および第２の被接合材１０４と、接合材層１０９に含まれる元素とから形成された化合物の層である。第１の界面層１０５と第２の界面層１０６は、同じ結晶構造を有し、接合材層１０９を介して互いに接合されている。第１の界面層１０５および第２の界面層１０６を形成する化合物は、被接合材に使用される材料と、接合材層に含まれる元素とに依存して様々であり得るが、例えば（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５、等であってよい。
【００１８】
（接合材層１０９）
接合材層１０９は、第１の金属間化合物１０７と応力緩和物１０８とを含み、さらに任意に、第１の界面層１０５および第２の界面層１０６と異なる結晶構造を有する第２の金属間化合物１１０が内部に分散した構造を有し得る。
【００１９】
第１の金属間化合物１０７は、球状、柱状および楕円球状のいずれかの形状と、第１の界面層１０５と第２の界面層１０６と同じ結晶構造とを有する任意の化合物である。
【００２０】
第１の金属間化合物１０７は、第１の界面層１０５および第２の界面層１０６と同じ結晶構造を有することにより、第１の界面層１０５と第２の界面層１０６とを、図１に示すように接続することができる。本明細書において、このように、第１の金属間化合物１０７によって第１の界面層１０５と第２の界面層１０６とが接続されている状態を、第１の界面層１０５と第２の界面層１０６との間が「閉塞している」という。このように、第１の界面層１０５および第２の界面層１０６の間の一部が、同じ結晶構造を有する任意の化合物によって閉塞していることにより、応力が集中しやすい接合材層１０９と界面層１０５、１０６との界面付近への応力を分散させ、亀裂の進展を抑制することができる。
【００２１】
本明細書において「結晶構造」とは、第１の金属間化合物１０７と、第１の界面層１０５および第２の界面層１０６との間で、これらが全て同じ化合物でできているために共通する、合金粒子の形状である。本明細書において「球状」の結晶構造とは、真の球体に限定されるものではなく、結晶構造が有する最小の直径が最大の直径の９０％以上である略球体を包含するものである。本明細書において「柱状」の結晶構造とは、結晶構造が長軸と短軸とを有し、長軸の寸法に対する短軸の寸法の比が１／２以下である形状をいう。本明細書において「楕円球状」の結晶構造とは、結晶構造が有する最小の直径が最大の直径の５０％以上かつ９０％以下である楕円球体をいう。
【００２２】
第１の金属間化合物１０７は、球状、柱状および楕円球状のいずれかの形状を有するために強固である。そのため閉塞した部分は熱応力によって変型を生じにくく、接合材層１０９に生じた熱応力の応力緩和物１０８への集中を防ぐことができ、接合材層１０９における亀裂の進展を抑制することができる。
【００２３】
第１の金属間化合物１０７は、接合材層１０９を形成する化合物に依存して様々であり得るが、例えば（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５等であってよい。これらの化合物は弾性率が高いため、閉塞した部分がこれらの化合物から形成されることにより変型しにくくなり、接合材層１０９に亀裂が生じたとしても、その亀裂に応力が付加されにくくなるため、亀裂の進展をより効果的に抑制することができる。
【００２４】
応力緩和物１０８は、図１に示されるように、第１の金属間化合物１０７の周囲を充填し、Ｓｎを主成分とする。応力緩和物１０８が、図１に示すように、第１の金属間化合物１０７同士の間の空隙を埋めるようにして第１の金属間化合物の周囲に充填されることにより、亀裂の発生源となり得る空隙を含まない接合材層１０９を形成することができ、接合材層１０９における亀裂の発生を抑制することができる。
【００２５】
応力緩和物１０８は、Ｓｎを主成分とするため、球状、柱状および楕円球状のいずれかの形状を有するために強固である第１の金属間化合物１０７と比較して、弾性率が小さく、延性に優れる性質を有し、これにより、応力緩和物１０８における亀裂の進展を効果的に抑制することができる。
【００２６】
応力緩和物１０８は、Ｓｎと、ＣｏまたはＧｅのいずれかとを含むものであってよい。応力緩和物１０８が、Ｓｎと、ＣｏまたはＧｅのいずれかとを含むものであることにより、亀裂の進展を効果的に抑制することができる。
【００２７】
応力緩和物１０８は、Ｓｎと、ＩｎまたはＢｉのいずれかとを含むものであってよい。応力緩和物１０８が、Ｓｎと、ＩｎまたはＢｉのいずれかとを含むものであることにより、亀裂の進展をより効果的に抑制することができる。
【００２８】
接合材層１０９に第１の界面層１０５および第２の界面層１０６と異なる結晶構造を有する第２の金属間化合物１１０が含まれていてもよい。第２の金属間化合物１１０は第１の界面層１０５および第２の界面層１０６と異なる結晶構造を有する任意の化合物であってよく、例えばＡｇ３Ｓｎ、Ａｇ２Ｉｎ等であってよいが、これに限定されない。
【実施例】
【００２９】
本発明の効果を確認するために、上記実施形態に関して１０ｍｍ２、１５ｍｍ２の大面積の接合を有する実装構造体を作製し、検証を行った。ここでは、第１の部材１０１には、裏面に第１の被接合材１０２であるＮｉめっきを有する、１５ｍｍ２のＳｉチップを用いた。また、第２の部材１０３には、裏面に第２の被接合材１０４であるＮｉめっきを有するＣｕ板を用いた。実装構造体は以下の手順で作製した。
【００３０】
まず、第２の部材１０３であるＣｕ板の上にフラックスを塗布し、その上に接合材層１０９を形成するはんだ材料の箔を供給した。さらに、はんだ材料の箔上にフラックスを塗布し、その上に第１の部材１０１であるＳｉチップを搭載した。これを２８０℃まで加熱し、はんだ材料を溶融させた。溶融した状態で、Ｓｉチップ上から下向きの力を印加して押しこむことで、接合後のＣｕ板とＳｉチップの間の層の厚みが１００μｍとなるように調整し、冷却速度５℃／ｓｅｃで１００℃まで冷却し、その後自然冷却で室温まで冷却することで接合を完了させた。用いたはんだ材料の種類は実施例１〜７および比較例１〜３として表１に示したとおりである。表１中、「ｂａｌ．」は残部を意味する。
【００３１】
作製した実装構造体について、超音波映像装置（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈ、ＳＡＴ）を用いて初期の空隙の状態確認を行った。観察結果は表１に併記しており、空隙が２０％以下のものを○、それより大きいものを×と判定した。さらに、走査型電子権顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｏｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）およびエネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、ＥＤＸ）を用いて断面観察により第１の界面層１０５、第２の界面層１０６および第１の金属間化合物１０７の、さらに存在する場合は第２の金属間化合物１１０の組成同定と、界面層１０５，１０６間の第１の金属間化合物１０７の閉塞状態確認とを行った。結果を表１に併記した。界面層１０５、１０６の閉塞は、第１の界面層１０５と第２の界面層１０６の間が、断面観察において第１の金属間化合物１０７で一部でも閉塞されている場合を○、閉塞が確認できない場合を×、第２の金属間化合物１１０で閉塞されている場合を△とした。
【００３２】
初期の状態を確認した後に、低温側が−４０℃、高温側が１２５℃の繰り返し温度サイクル試験を実施した。上限及び下限の温度で各５分間保持する５００サイクルの液槽式温度サイクル試験を行い、完了後に再度ＳＡＴによる亀裂観察を行った。観察結果を表１に併記した。亀裂進展後の接合が確保できているかを判定するために、１０ｍｍ２、１５ｍｍ２共に接合部１０９の任意の断面における、断面積に対する亀裂の面積の割合（亀裂の面積率）が１／３以下であったものを◎、１０ｍｍ２、１５ｍｍ２いずれかで亀裂の面積率が１／３より大きく、１／２以下であったものを○、１０ｍｍ２、１５ｍｍ２いずれかで亀裂の面積率が全体の１／２より大きかった場合を×と判定した。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
実施例１〜７および比較例１〜３のいずれにおいても、初期の大きな空隙は見られなかった。これは、接合材層１０９中の第１の金属間化合物１０７が、被接合材１０２、１０４の固体Ｃｕとはんだ材料のＳｎとの反応により生成されるものではなく、はんだ材料の溶融−凝固の際に、はんだ材料に含まれるＣｕとＳｎとの反応により生成されるものであるためである。
【００３５】
実施例１〜７および比較例１〜３のいずれにおいても、はんだ材料はＣｕおよびＮｉを含み、第１の界面層１０５、第２の界面層１０６および第１の金属間化合物１０７にはいずれも（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が含まれていた。実施例１〜７では、Ｃｕの含有率が比較的大きいため、第１の金属間化合物１０７の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が多数存在し、少なくとも一部が閉塞していた。
【００３６】
実施例３、比較例２のはんだ材料に含まれるＡｇは、第２の金属間化合物１１０のＡｇ３Ｓｎとして存在し、接合材層１０９に分散していた。
【００３７】
一方、比較例１、２では、Ｃｕの含有率が小さいため、第１の金属間化合物１０７の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が少なく、閉塞は確認できなかった。また、比較例３では、Ａｇの含有率が大きいため、第２の金属間化合物１１０としてＡｇ３Ｓｎが多数存在し、閉塞構造を形成していた。
【００３８】
また、実施例４〜７のはんだ材料に含まれるＣｕ、Ｎｉを除く他の元素は、第１の金属間化合物１０７として存在せず、Ｉｎ、Ｂｉは応力緩和物１０８に固溶し、Ｃｏ、Ｇｅは微量であるため観測されなかったが、第１の界面層１０５、第２の界面層１０６、応力緩和物１０８のいずれかに含まれると考えられる。
【００３９】
実施例１〜７では、いずれも大きな亀裂が観察されず、判定は◎または○であった。一方、比較例１〜３では亀裂が大きかった。比較例１、２では、応力緩和物１０８であるＳｎ層内を亀裂が伝播していた。これは、第１の金属間化合物１０７が閉塞構造を有していないため熱応力に耐えられず、応力緩和物１０８内に負荷が集中したためと考えられる。比較例３では、第２の界面層１０６と第１の金属間化合物１０７との間、および第２の界面層１０６と応力緩和物１０８との間の界面で亀裂が伝播していた。これは、第２の界面層１０６と第１の金属間化合物１０７との結晶構造が異なるため、物性が異なる界面に負荷が集中したためと考えられる。
【００４０】
上記実施例の結果より、
２つの部材が、第１の界面層と第２の界面層とを２つの部材との界面にそれぞれ有する接合材層によって接合された実装構造体において、
接合材層が、第１の金属間化合物と応力緩和物とを含み、さらに任意に第２の金属間化合物を含む層として構成され、
第１の金属間化合物は、
第１の界面層および第２の界面層と同じ結晶構造とを有し、
第１の界面層および第２の界面層の間の一部を閉塞しており、
応力緩和物は、第１の金属間化合物の周囲を充填し、Ｓｎが主成分であることが、本発明の実装構造体の効果を発現するための好適な条件であることが分かった。
さらに、本発明の実装構造体の効果を発現するために、
第１の金属間化合物が球状、柱状および楕円球状のいずれかの形状を有することと、第２の金属間化合物は、第１の界面層１０５および第２の界面層１０６と異なる結晶構造を有し、接合材層１０９の内部に分散していることとは、好適な条件である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の実装構造体によれば、パワーデバイスやＬＥＤなどの大きな発熱を伴うデバイスにおいて、大面積の接合による放熱特性に優れた実装構造体を提供することができ、機器の性能向上に貢献することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０１  第１の部材
１０２  第１の被接合材
１０３  第２の部材
１０４  第２の被接合材
１０５  第１の界面層
１０６  第２の界面層
１０７  第１の金属間化合物
１０８  応力緩和物
１０９  接合材層
１１０  第２の金属間化合物
【図１】
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