(57)【要約】【課題】  Ｐｂを含んだはんだに替わり高温環境下で高信頼接合を維持できる接合材料として、接合部が高温環境に耐え、高信頼な接合を維持できる接合構造を提供することにある。【解決手段】  本発明は、第１の部材５と第２の部材１の接合構造において、はんだ３とガラス４とによって、第１の部材５と第２の部材１を接合し、ガラス４がはんだ３を封止していることによって、導電性を確保するとともに、高温時にはんだ溶融による流出を抑制して、耐久性を向上させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と第２の部材はんだとを接合した接合構造において、
前記第１の部材と前記第２の部材とは、はんだにより接続されており、前記はんだは、ガラスによって封止されているはんだはんだことを特徴とする接合構造。
【請求項２】
請求項１において、
前記第1の部材と前記第２の部材とは、前記はんだ及び前記ガラスによって接合ざれていることを特徴とする接合構造。
【請求項３】
請求項１において、
前記はんだの全体が、前記第１及び第２の基板と前記ガラスとにより覆われていることを特徴とする接合構造。
【請求項４】
請求項１において、
前記第１の基板及び前記第２の基板は、前記はんだと接合される部分に導体層を備えていることを特徴とする接合構造。
【請求項５】
請求項４において、
前記第１の部材及び第２の部材の導体層の材料がＣｕもしくはＣｕ合金、ＡｌもしくはＡｌ合金、ＮｉもしくはＮｉ合金の金属、またはＡｕもしくはＡｕ合金のいずれかであることを特徴とするの接合構造。
【請求項６】
請求項１において、
前記接合形態において用いられるはんだの表面に、Ａｇ、Ａｕ若しくはＡｇとＡｕを積層して構成される膜が形成されていることを特徴とする接合構造。
【請求項７】
請求項６において、
前記はんだの表面に、前記Ａｇ、Ａｕ若しくはＡｇとＡｕを積層して構成される膜が蒸着、スパッタまたはめっきにより形成されることを特徴とする請求項３に記載の接合構造。
【請求項８】
請求項１において、
前記第1の部材と前記第２の部材との間に、前記はんだとそれを封止するガラスとが複数形成されていることを特徴とする接合構造。
【請求項９】
請求項１において、
前記第1の部材は基板であり、
前記第２の部材は、機能素子であることを特徴とする接合構造。
【請求項１０】
第１の部材と第２の部材とを接合した接合構造の製造方法において、
はんだ、第１の基板、表面にはんだはんだパターンを形成する工程と、
前記はんだパターンの上に、はんだパターンを覆うようにガラスを形成する工程と、
はんだはんだ前記ガラスが前記はんだパターンを封止するように、前記はんだパターン及び前記ガラスに前記第２の部材を接合する工程とを含む接合構造の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記第２の基板の接合前に、前記ガラスの一部を除去して前記はんだパターンを露出させる工程を含むことを特徴とする接合構造の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０において、
前記第２の部材上に、前記はんだパターンに接合させる導体層を有し、
前記導体層は、凹凸形状を有することを特徴とする接合構造の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０において、
前記第２の部材上に、前記はんだパターンに接合させる導体層を有し、
前記導体層は、バンプ形状を有することを特徴とする接合構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスとはんだを用いた接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の接合形態としては、接続部にはんだが用いられている（例えば特許文献１参照）において知られている。特許文献１には、基板間をはんだで接合し、基板上に形成された導体層の保護と、基板の寿命を延ばすことを目的に、導体層および基板表面をガラスで覆っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１８２２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、自動車のエンジンルーム内のように２００℃以上の高温環境となる領域の基板と機能素子の導体層の電気的接合に用いる接合材料にはＰｂを含んだはんだが使われている。高温環境下で使用可能な接合材料として８５％以上のＰｂを含んだＳｎ−Ｐｂはんだの代替技術が今のところないため、Ｐｂ等の有害性が懸念される物質を規制しているＲｏＨＳ指令（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ  Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）で、Ｓｎ−Ｐｂはんだを使うことが許可されている。しかし、今後は、Ｓｎ−Ｐｂはんだも使用禁止になることが予想される。この場合の課題は、Ｓｎ−Ｐｂはんだ以外に２００℃以上の高温環境下で長期間、高信頼接合を維持できる接合材料が存在しないことである。そこで、Ｓｎ−Ｐｂはんだに替わり高温環境下で高信頼接合を維持できる接合技術が求められている。
【０００５】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、接合部が高温環境に耐え、高信頼な接合を維持できる接合形態を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の部材と第２の部材とをはんだとガラスを用いて接合する。このときに、ガラスがはんだを封止するようにすることで、高温で溶融したはんだの流出をガラスで抑止する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、はんだ接合部がガラスで被覆されている接合形態であるため、はんだの融点以上の高温環境ではんだが溶融しても、はんだが接合部の周囲へ流出することがないので、高温環境下でガラスで接合部の強度を保つことができ、高温環境下で使われる部材の接合が可能となる。
【０００８】
また、本発明によれば、はんだ接合部がガラスで被覆されているため、耐候性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例に係わる機能素子を基板上に実装する前の状態を示す断面図である。
【図２】本発明に係わる基本構造である機能素子を基板上に実装した状態を示す断面図である。
【図３】本発明に係わる基本構造である機能素子を基板上に実装する前の状態を示す断面図であって、はんだ上に形成されたガラスの一部を除去している状態を示す断面図である。
【図４】本発明に係わる基本構造である機能素子を基板上に実装する前の状態を示す断面図であって、機能素子の接合面側に形成された導体層の一部に凹凸形状の導体層が形成されている状態を示す断面図である。
【図５】本発明に係わる第２の実施形態について示す図である。
【図６】本発明に係わる第２の実施形態について示す図である。
【図７】本発明に係わる第２の実施形態について示す図である。
【図８】本発明に係わる第２の実施形態について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係わる基板と基板および基板と機能素子を接合し、接合部がガラスで被覆されているような接合形態および、ガラスではんだを被覆することで作製される接合材料の製造方法について図１乃至図８を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明に係わる第１の実施の形態である２００℃以上の高温環境下で使われるダイオードなどの機能素子１の接合について、図１乃至図４を用いて説明する。
【００１２】
図２は、本実施例にかかる接合構造の断面図である。基板５上に機能素子１が、はんだ３とガラス４によって接合されている。機能素子１に例えばＳｉＣが主成分のパワー半導体であり、その主面には、導電層２、６が形成されている。基板５は、例えばＳｉＣを主成分とする基板、メタルコア基板等の放熱性に優れる基板であり、その機能素子１側の主面には導体層７が形成されている。本実施例では、基板５と機能素子１とをはんだで接合することにより、基板５上の導体層７と機能素子１上の導体層２とを電気的に接続している。さらに接合部のはんだ３をガラス４で覆うことで、放熱性に優れ、使用環境が２００℃以上の高温でも長期間の接合信頼性を維持できる。ガラス４も、基板１と機能素子１とを接合しており、さらにはんだ３を封止している。ガラスは、ガラスフリット、ガラスペーストなど、接合部材・封止部材と知られており、強固で耐熱性の高い接合が実現できることが知られている。しかしガラスは電気伝導性が低いので、導体として用いることはできない。本実施例では、はんだ３によって電気伝導性を担保し、はんだをガラス４により封止して接合することで、耐熱性を高めている。例えば、ガラス４としてはんだ３よりも融点の高いものを使用することにより、はんだ３が溶融しても、ガラスが封止していることで、はんだ３がすぐに流出することはなく、温度が低下すればはんだ３が凝固して元通りになる。従って、はんだ３とガラス４の接合によって、耐久性と耐熱性を高めることができる。
【００１３】
なお、接続する対象としては、本実施例では基板５と機能素子１としているがこれに限定されるものではなく、二つ以上の部材を接合するものならば他の部材でも適用可能である。機能素子１としては、パワー半導体に限定されるものではなく、さまざまな種類の機能素子が適用可能であるが、パワー半導体など高温になりやすい機能素子の場合には特に高耐熱性の効果が発揮できる。また、パワー半導体としてはＳｉＣに限定されるものではなく、ＧａＮなどにも適用可能である。また、はんだにはＰｂを含まないはんだを用い、ガラスにはＰｂを含まないものを用いることで、ＲｏＨＳ指令でＳｎ−Ｐｂはんだ規制後も使用を制限されることはない。機能素子１であるパワー半導体に外部から送電すること、およびパワー半導体から発生する熱を放熱するために第１の導体層２、第２の導体層６および第３の導体層７にはＣｕまたはＣｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金、ＮｉまたはＮｉ合金の金属、またはＡｕまたはＡｕ合金で構成される金属で形成される。
【００１４】
次に、本実施例に係わる接合構造の形成プロセスの概略について説明する。
【００１５】
図１は、機能素子１を基板５上に実装する前の断面図である。図３は、機能素子１を基板５上に実装する前にはんだ３の接合面側に形成されているガラス４を除去した状態の断面図である。図２は機能素子１を基板５上に実装した後の完成した接合構造の断面図である。図４は、機能素子１の接合面側の一部に凹凸形状を有する導体層２が形成された前記機能素子１を基板５上に実装する前の断面図である。
【００１６】
まず、基板５の接合面側に電極となる第３の導体層７をフォトリソグラフィー技術を用いた半導体プロセスにより形成する。次に導体層７上にはんだ３を蒸着、スパッタ、めっき、あるいはスクリーン印刷技術を用いて形成する。形成したはんだを完全に覆うようにガラス４をスクリーン印刷技術を用いて印刷する。次に、１００℃から１５０℃程度の温度の環境に前記ガラス４を印刷した基板を放置してガラス４を乾燥させる。その後、機能素子１であるパワー半導体を接合する前に、図３のように機能素子１が接合する側の主面のガラス４を研磨等で除去し、はんだ３を露出させる。こうすることで、パワー半導体を基板５上に接合時に、パワー半導体側に形成された第１の導体層２が、はんだ３の露出した部分に接する。その後、加熱した状態でガラス４でパワー半導体と基板７を接合できる温度に保持し、基板５と機能素子１とを接合し、冷却することで、ガラス４を用いた接合とはんだ３を用いた金属的な接合を同時に実現できる。このとき、加熱によりはんだ３は溶融し、ガラス４は軟化するが完全に溶融するわけではないので、はんだ３とガラス４が少ししか混ざらず、独立した状態で接合できる。ガラスは接続可能温度に比べて耐久温度が高いので、完成した接続構造は耐熱性の高いものとなる。
【００１７】
また、機能素子であるパワー半導体を接合する前に、図４のように第１の導体層２を凹凸形状にすることで、ガラスを除去する工程を省略してもよい。凹凸形状は、転写技術やナノインプリント技術や溶液を使ったウェットエッチングを適用することで形成する。凹凸は、はんだ３上のガラス４の厚さよりも大きいことが望ましい。こうすることで、パワー半導体を基板５上に接合の加熱時に、第１の導体層２の凸部により軟化状態のガラス４を突き破り、第１の導体層２とはんだ３が接し、ガラス４でパワー半導体と基板７を接合できる。
【００１８】
本発明によれば、はんだ接合部がガラスで被覆されている接合形態であるため、はんだの融点以上の高温環境ではんだが溶融しても、はんだが接合部の周囲へ流出することがないので、高温環境下で使われる部材の接合が可能となる。
【００１９】
また、本発明によれば、はんだ接合部がガラスで被覆されており、該ガラスではんだ接合部周辺が接合されているため、高温環境下ではんだが溶融してもガラスで接合部の強度を保つことができる。そのため、接合部の強度を補強する目的でアンダーフィルを使う必要はなく、アンダーフィルの材料費削減およびアンダーフィルを接合部へ注入する工程を削減できる。
【００２０】
また、本発明によれば、はんだ接合部がガラスで被覆されている接合形態であるため、はんだの融点以上の高温環境ではんだが溶融しても、はんだが接合部の周囲へ流出することがないので、高温環境下ではんだが溶融した状態を維持できるため被接合材の熱膨張係数の差により生じる熱応力を低減できる。
【実施例２】
【００２１】
次に本発明に係わる第２の実施の形態について図５乃至図８を用いて説明する。第２の実施の形態において、第１の実施形態と相違する点は、はんだ３を用いて接合する代わりに、バンプ形状の接合金属（はんだまたは金属）８を用いて接合することである。
【００２２】
図５は機能素子１を基板５上に実装する前の断面図である。図６は機能素子１を基板５上に実装した後の断面図である。図７は、機能素子１を基板５上に実装する前にバンプ形状のはんだまたは金属８の接合面側に形成されているガラス４を除去した状態の断面図である。図８は、機能素子１の接合面側の一部に凹凸形状を有する導体層２が形成された前記機能素子１を基板５上に実装する前の断面図である。
【００２３】
完成した接合構造は、図６に示すように、基板５と機能素子１がガラス４とガラス４に封止されたバンプ状の接合部材８によって接合され、実施例１と同様に高い耐久性と耐熱性とを有する。さらに、複数の接合金属８によって接合されるので、微細な配線パターンにも適用可能である。
【００２４】
本実施例での接合構造の製造方法では、実施例１と同様に基板５上に接合金属８を形成し、その上にガラス４を形成し、図７のようにガラス４の一部を除去し、加熱により接合金属８とガラス４を溶融させ機能素子１を接合する。ここで、図８に示すように、機能素子１側に形成する接合金属８を、先端が尖ったバンプ形状の金属とすることにより、バンプ形状がガラスを突き破って接合させることができ、ガラス４の一部を除去する工程を省略することができる。
【００２５】
上記のような第２の実施の形態とすることで、微細な配線パターンの実装にも対応可能となる。
【実施例３】
【００２６】
次に本発明に係わる第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、第１および２の実施の形態で説明したはんだ３の表面に、さらにＡｇ膜あるいはＡｕ膜が形成されており、Ａｇ膜を形成する場合は、さらにＡｇ膜の表面にＡｕ膜が形成され、はんだ表面の酸化を防止している。Ａｇ膜は０・１μｍ程度の厚さで、酸化防止能力を発揮し、特にノンフラックスの接続プロセスに有効な技術である。ただし、Ａｇ膜あるいはＡｕ膜の形成は必須ではない。例えば、フラックスが使える場合や、はんだ表面の酸化防止をしなくても良好な接続ができる場合など、Ａｇ膜あるいはＡｕ膜の形成が必要ないこともある。
【００２７】
以上説明したように、第３の実施の形態によれば、はんだの濡れ性を向上させるはたらきのあるフラックスをはんだに塗布することもフラックスを洗浄することも必要ないため、フラックス残渣によって配線部を腐食させて電子部品が故障することも防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００２８】
１・・・機能素子、２・・・第１の導体層（機能素子の接合面側）、３・・・はんだ、４・・・ガラス、５・・・基板、６・・・第２の導体層（機能素子の接合面と反対側）、７・・・第３の導体層（基板１の接合面側）、８・・・バンプ形状のはんだまたは金属、９・・・バンプ状の導体層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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