(57)【要約】【課題】接合プロセス時間が長くならず、かつ接合後は高い耐熱性を有する接合材料及び接合構造体を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の接合材料は、不可避不純物を除いてＳｎ−Ｂｉ合金とＳｅとで構成され、加熱及び冷却されることで、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物からなる第一金属類とＢｉを主成分とする第二金属類とからなる接合部を形成することを特徴とする。また、本発明の接合構造体は、第一の導体と、第二の導体と、上記接合材料から形成されると共に、前記第一の導体の第一面と前記第二の導体の第二面とを接合する接合部とを備え、前記接合部は、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物からなる第一金属類と、Ｂｉを主成分とする第二金属類とからなることを特徴とする。【選択図】図１
2015098039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不可避不純物を除いてＳｎ−Ｂｉ合金とＳｅとで構成され、
加熱及び冷却されることで、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物からなる第一金属類とＢｉを主成分とする第二金属類とからなる接合部を形成する、
接合材料。
【請求項２】
該接合材料のＳｎ−Ｂｉ二元系において、ＳｎをＸｗｔ％、ＢｉをＹｗｔ％、Ｘ＋Ｙ＝１００ｗｔ％とした場合に、２５ｗｔ％≦Ｙ≦５８ｗｔ％の関係を満たすと共に、
該接合材料のＳｎ−Ｓｅ二元系において、ＳｎをＡｗｔ％、ＳｅをＢｗｔ％、Ａ＋Ｂ＝１００ｗｔ％とした場合、４０ｗｔ％≦Ｂ≦５７ｗｔ％の関係を満たす、
請求項１に記載の接合材料。
【請求項３】
第一の導体と、
第二の導体と、
請求項１に記載の接合材料から形成されると共に、前記第一の導体の第一面と前記第二の導体の第二面とを接合する接合部とを備え、
前記接合部は、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物からなる第一金属類とＢｉを主成分とする第二金属類とからなる、
接合構造体。
【請求項４】
前記接合部が、前記接合材料を加熱および冷却して形成されたものである、
請求項３に記載の接合構造体。
【請求項５】
前記接合部は、前記Ｓｅの融点未満であると共に前記Ｓｎ−Ｂｉ合金が溶融する温度で前記接合材料を一定時間加熱して形成された、
請求項４に記載の接合構造体。
【請求項６】
前記接合部は、前記Ｓｅの融点未満であると共に前記Ｓｎ−Ｂｉ合金が溶融する温度で前記接合材料を一定時間加熱した後に、前記Ｓｅが溶融する温度で一定時間加熱して形成された、
請求項５に記載の接合構造体。
【請求項７】
前記第一面および第二面は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｕまたはこれらの合金の少なくともいずれかからなる、
請求項３から６いずれかに記載の接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置や電子回路基板などに用いるための接合材料及び接合構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置では、スイッチング制御された大電流を、動作電流として流す必要がある。大電流を流すには、半導体素子の電極と外部電極との接合部の面積を広くする必要がある。そのため、半導体素子の電極と外部導体との接続は、アルミワイヤによる固相接合から、接合部の面積を広くすることが容易なはんだ接合に置き換わってきている。
【０００３】
しかしながら、半導体素子の電極と外部導体との接合材料としてはんだを用いた場合、接合プロセスにおけるリフロー加熱工程において、はんだが再溶融することがある。はんだが再溶融すると、半導体素子の電極が短絡する可能性がある。そのため、接合材料としてのはんだには、高融点の材料、すなわち、リフロー加熱工程の温度（例えば２５０℃）以上の融点を持つ材料が望まれている。
【０００４】
ここで、多層基板を接合する技術が、特許文献１に開示されている。
特許文献１では、図７（ａ）に示すように、Ｓｎ−Ｂｉ系粒子７０１およびＣｕ粒子７０２を含む接合材料７０３を用い、Ｓｎ−Ｂｉ系粒子７０１の融点以上の温度（具体的には、１８０℃〜２００℃）で９０分以上加熱することによって、図７（ｂ）に示すように、Ｃｕ粒子７０２の外周に固相温度２５０℃以上のＣｕ−Ｓｎ系化合物７０４が形成された接合部７０５とすることで、接合している。図７（ｂ）に示す接合部７０５は、固相温度が２００℃以下の低融点相が消失しているため、図７（ａ）に示す接合材料７０３と比較して、融点が上昇している。
【０００５】
すなわち、特許文献１では、接合プロセス中に低融点相を消失させることで、例えば接合後の部品実装時のリフロー温度（例えば２５０℃）に対する接合部７０５の耐熱性を確保することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−９４２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、接合プロセスにおいて１８０℃〜２００℃で９０分以上加熱を行う必要があり、接合プロセス時間が長いという課題を有している。実際の量産工程では、接合プロセス時間を、例えば６０分以下（より好ましくは１０分以下）にすることが望まれている。
【０００８】
特許文献１において接合プロセス時間が長くなる理由は、ＣｕとＳｎの拡散速度が遅いことである。これを解決する手段として、接合プロセスにおける加熱温度を例えば３００℃以上に高温化する手段、または、接合プロセスにおいて例えば加熱時に１ＭＰａ以上に加圧する手段により、拡散速度を上げることが考えられる。しかしながら、これらの処理を行うと、接合部７０５により接合される部材に対して負荷を与えることが懸念される。
【０００９】
本発明は、接合プロセス時間が長くならず、かつ接合後は高い耐熱性を有する接合材料及び接合構造体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】
【００１０】
本発明の接合材料は、不可避不純物を除いてＳｎ−Ｂｉ合金とＳｅとで構成され、加熱及び冷却されることで、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物からなる第一金属類とＢｉを主成分とする第二金属類とからなる接合部を形成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の接合構造体は、第一の導体と、第二の導体と、上記接合材料から形成されると共に、前記第一の導体の第一面と前記第二の導体の第二面とを接合する接合部とを備え、前記接合部は、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物からなる第一金属類と、Ｂｉを主成分とする第二金属類とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、接合プロセス時間が長くならず、かつ接合後は高い耐熱性を有する接合材料及び接合構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態に係る接合材料を示す図、（ｂ）本実施の形態に係る加熱中の接合材料を示す断面図、（ｃ）本実施の形態に係る接合部を示す図である。
【図２】（ａ）本実施の形態に係る接合材料を供給した状態の模式図、（ｂ）本実施の形態に係る接合構造体の模式図である。
【図３】本実施の形態に係る接合構造体の要部断面模式図である。
【図４】本実施の形態に係る接合構造体の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】Ｓｎ−Ｂｉの２元系状態図である。
【図６】Ｓｎ−Ｓｅの２元系状態図である。
【図７】（ａ）従来の接合材料を示す図、（ｂ）従来の接合部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
本発明の説明では、接合対象部材の接合に用いる材料を接合材料と定義し、接合後の接合材料を接合部と定義し、接合対象部材が接合部で接合された構造を接合構造体と定義し、それぞれの構成について説明する。
【００１５】
先ず始めに、本発明の実施の形態に係る接合材料１００ａの構成について、図１（ａ）、図２（ａ）を用いて説明する。
図１（ａ）に示す本発明の実施の形態に係る接合材料１００ａは、主に、合金１０１で構成される。合金１０１は、不可避不純物（例えば０．０１ｗｔ％以下のＺｎ、Ｆｅ、Ａｌ等）を除き、Ｓｎ−Ｂｉ合金１０２とＳｅ１０３の金属粉体とで構成されている。
【００１６】
本実施の形態の接合材料１００ａには、溶剤（図示せず）と、活性剤（図示せず）とを混練したフラックスを混ぜている。ここで、溶剤は、粘度調整のために用い、活性剤は、溶融状態の合金の濡れ性を確保するために用いている。本実施の形態では、溶剤として２−エチル−１，３−ヘキサンジオールを用いたが、これに限らず、他にもジエチレングリコールジブチルエーテルなどを溶剤として用いてもよい。また、本実施の形態では、活性剤としてジグリコール酸を用いたが、これに限らず、他にもセバシン酸などの有機酸を活性剤として用いてもよい。本実施の形態では、溶剤及び活性剤の割合は、フラックス量全体に対し、溶剤が９０ｗｔ％、活性剤は１０ｗｔ％とした。フラックスが混ぜられた接合材料１００ａは、溶剤による粘度調整の作用と活性剤による濡れ性確保の作用とによって、図２（ａ）に示すように、第一の導体２０１上に形状を保持して供給することができる。
【００１７】
詳しくは後述するが、本実施の形態は、この接合材料１００ａおよび接合後の接合部１００ｃを特徴とするものである。
次に、本発明の実施の形態に係る接合部１００ｃの構成、及び接合部１００ｃで接合された接合構造体２００の構成について、図１（ｂ）（ｃ）、図２（ｂ）、図３を用いて説明する。
【００１８】
図１（ｂ）は、本実施の形態の接合材料１００ａに加熱プロセスを加えた際の接合材料の変化途中を示す断面図である。図１（ｂ）は、加熱中の接合材料１００ｂを示しており、溶融したＳｎ−Ｂｉ合金１０２に含まれるＳｎ成分がＳｅ１０３と反応し、Ｓｅ１０３の一部がＳｎ−Ｓｅ系化合物１０５に置き換わり、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物１０５の周辺にＢｉ１０６が形成されている状態である。図１（ｂ）の段階では、接合途中であるため、Ｓｎ−Ｂｉ合金１０２が一部残存している。図１（ｃ）は、接合部１００ｃを示しており、溶融したＳｎ−Ｂｉ合金とＳｅとの反応が完全に終了し、Ｓｎ−Ｂｉ合金及びＳｅがそれぞれ単体で残存せず、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物１０５及びＢｉ１０６のみが存在している状態である。このような図１（ｂ）（ｃ）は、図２（ａ）に示すように第一の導体２０１上に接合材料１００ａを供給した後、第二の導体２０３を搭載して加熱することにより、図２（ｂ）に示す接合部１００ｃとするまでの状態変化を示す図である。
【００１９】
図３は、図２（ｂ）中の一点破線で示した部分を拡大した模式図である。図３に示すように、接合構造体２００は、第一の導体２０１の接合面である第一面２０１Ｆと、第二の導体２０３の接合面である第二面２０３Ｆとの間が、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物１０５及びＢｉ１０６が混在した接合部１００ｃで接合されることで、構成されたものである。ここで、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物１０５は、本実施の形態の第一金属類の一例であり、Ｂｉ１０６は、本実施の形態の第二金属類の主成分の一例である。
【００２０】
ここで、本実施の形態に係る接合構造体２００の接合部１００ｃは、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物１０５が融点８８０℃のＳｎＳｅ（セレン化スズ）或いは融点６５７℃のＳｎＳｅ２（二セレン化スズ）からなり、Ｂｉ１０６の融点が２７０℃であることから、融点が２７０℃以上の組成が混在した組織で構成されている。そのため、接合後の部品実装時に、接合構造体２００を、リフロー温度（例えば、２５０℃程度）まで加熱しても、接合部１００ｃが溶融することを防止できる。このように、本実施の形態においては、不可避不純物を除いた接合材料１００ａを、Ｓｎ−Ｂｉ合金１０２とＳｅ１０３で構成し、この接合材料１００ａを加熱することで得られた接合部１００ｃを、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物１０５及びＢｉ１０６で構成していることを特徴とする。
【００２１】
次に、図４を用いて、本実施の形態に係る接合構造体２００の製造方法について説明する。
本実施の形態に係る接合構造体２００は、図４のステップＳ１０１からステップＳ１０５の順に処理することで得られる。
【００２２】
ステップＳ１０１は、室温状態で、第一の導体２０１に接合材料１００ａを供給する工程であり、図２（ａ）に該当する工程である。供給方法としては、例えば、塗布工法、印刷工法がある。なお、接合材料１００ａを供給する際、雰囲気としては大気でも良いが、接合材料１００ａの表面に酸化膜が形成されると濡れ性が低下する可能性があるため、水素及び窒素の混合雰囲気或いは、水素雰囲気のような還元雰囲気とすることが望ましい。
【００２３】
ステップＳ１０２以降は、図２（ｂ）に該当する工程であり、ステップＳ１０２は、室温状態で、接合材料１００ａ上に第二の導体２０３を搭載する工程である。
ステップＳ１０３は、Ｓｎ−Ｂｉ合金１０２が溶融する温度（１３９℃以上かつ２００℃以下）で接合材料１００ａを加熱し、一定時間（３０秒以上かつ６０秒以下）保持する工程である。なお、ステップＳ１０３での加熱温度は、Ｓｅ１０３の融点（Ｓｅが溶融する温度）未満としている。
【００２４】
次に、ステップＳ１０４は、ステップＳ１０３の後に昇温速度４℃／秒で昇温させ、Ｓｅ１０３が溶融する温度（２４０℃以上かつ２５０℃以下）で加熱中の接合材料１００ｂを加熱する工程である。
【００２５】
このステップＳ１０３及びステップＳ１０４に係る工程が、図１（ｂ）から（ｃ）に該当する工程であり、Ｓｎ成分とＳｅ成分との相互拡散反応させる工程である。
さらに、ステップＳ１０４の加熱温度（２４０℃以上かつ２５０℃以下）を一定時間（５分以上）保持することで、加熱中の接合材料１００ｂのＳｎ−Ｂｉ合金及びＳｅがいずれも溶融している状態で、ＳｎとＳｅの相互拡散反応を促し、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物及びＢｉを晶出させる。すなわち、ステップＳ１０３〜Ｓ１０４においては、Ｓｎ−Ｂｉ合金及びＳｅが化学変化して消失することになる。
【００２６】
なお、ステップＳ１０３〜１０４においては、加熱中の接合材料１００ｂの溶剤や活性剤の揮発による空隙を低減するために、減圧雰囲気であることが望ましい。
最後に、ステップＳ１０５で室温状態まで冷却し、第一の導体２０１、第二の導体２０３の接合を完了させる。
【００２７】
以上の工程により、第一の導体２０１及び第二の導体２０３の接合部１００ｃが高い耐熱性をもった混合組織からなる接合構造体２００を得ることができる。ここで、高い耐熱性とは、前述のように、接合部１００ｃが、融点６５７℃以上のＳｎ−Ｓｅ系化合物と融点２７０℃のＢｉから構成されることで、接合部１００ｃの融点２７０℃が、２７０℃となっていることである。
【００２８】
また、本実施の形態における第一の導体２０１及び第二の導体２０３の材質は、Ｃｕである。また、第一面２０１Ｆ及び第二面２０３Ｆは、Ｃｕ或いはＣｕ合金である。そのため、図４のステップＳ１０４において、加熱中の接合材料１００ｂ中に含まれるＳｎと各導体２０１、２０３のＣｕとが相互拡散することにより、第一面２０１Ｆ及び第二面２０３Ｆの一部とＳｎとの間でそれぞれＣｕ−Ｓｎ合金化が進行し、第一の導体２０１と第二の導体２０３とが接合される。
【００２９】
なお、第一の導体２０１と第二の導体２０３の材質としては、Ｃｕ及びＣｕ合金の他に、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｕ及びこれらの合金の少なくともいずれかとすることもできる。
なお、第一の導体２０１と第二の導体２０３の材質として、Ｓｉ、ＧａＮ、ＳｉＣなどの半導体デバイスを用いても良い。ただし、この場合、接合材料１００ａに対応しためっきを、第一面２０１Ｆ及び第二面２０３Ｆに形成しておく必要がある。これは、例えば、加熱中の接合材料１００ｂ中に含まれるＳｎと相互拡散させて、第一の導体２０１及び第二の導体２０３を接合する必要があるためである。
【００３０】
例えば、第一の導体２０１にＳｉデバイスを用いた場合、第一面２０１Ｆには加熱中の接合材料１００ｂ中に含まれるＳｎと相互拡散する金属であるＣｕまたはＡｇまたはＮｉまたはＡｕをめっきしておく必要がある。
【００３１】
なお、これらの金属を導体またはめっきに使用した場合、Ｓｎとの相互拡散により、Ｃｕ−Ｓｎ化合物、Ａｇ−Ｓｎ化合物、Ｎｉ−Ｓｎ化合物、Ａｕ−Ｓｎ化合物などを形成する。これらの化合物は、いずれも融点が２５０℃より大きいため、高耐熱性を有する。そのため、本実施の形態においては、第一の導体２０１、第二の導体２０３の材質は特に限定されないが、第一面２０１Ｆ及び第二面２０３Ｆの材質（表面またはめっきの材質）は、加熱中の接合材料１００ｂ中に含まれるＳｎと相互拡散し、且つ高融点の金属間化合物を形成する金属であることが必要となる。例えば、接合材料１００ａとしてＳｎ系を用いる場合は、ＣｕまたはＡｇまたはＮｉまたはＡｕを用いる必要がある。
【００３２】
次に、接合構造体２００の製造方法における各フローの具体的な条件（例えば、合金組成、温度）について、説明する。
始めに、図５（出典：ASM International発行“Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams”）を用いて、Ｓｎ−Ｂｉ合金の組成について、説明する。図５は、ＳｎとＢｉの二元系状態図であり、ＳｎとＢｉの混合濃度と温度によって合金がどのような状態になるのかを示したものである。図５において、横軸は各組成の比率、縦軸は温度である。
【００３３】
前述のように、本実施の形態は、Ｓｎをベースとした合金とＳｅとの相互拡散反応により、高融点のＳｎ−Ｓｅ系化合物（融点８８０℃のＳｎＳｅ、融点６５７℃のＳｎＳｅ２）を晶出させることで、接合前後（接合材料１００ａと接合部１００ｃとの間）で融点に差を設けることを狙いとしている。
【００３４】
ここで、Ｓｅは、融点が２２１℃であり、上述した図４のステップＳ１０４の加熱温度である２４０℃以上かつ２５０℃以下で溶融させることによりＳｎと液相系での相互拡散反応を起こす。すなわち、Ｓｅは、Ｓｎに対する相互拡散速度が速く、本実施の形態の狙いに対して好適な元素である。しかしながら、Ｓｅは、沸点が２３４℃であるため、図４のステップＳ１０４の加熱温度（２４０℃以上かつ２５０℃以下）で揮発し、加熱中の接合材料１００ｂが飛散するおそれがある。加熱中の接合材料１００ｂが飛散すると、例えば、第一の導体２０１と第二の導体２０３との部品ズレが発生することが懸念される。
【００３５】
そこで本実施の形態では、図４のステップＳ１０３において（ステップＳ１０４の前に）、Ｓｎ−Ｂｉ合金は溶融するがＳｅが溶融しない温度（１３９℃以上かつ２００℃以下）で接合材料を加熱しておくことにより、例えば、第一の導体２０１と第二の導体２０３とを液化したＳｎ−Ｂｉ合金により予め繋いでおくことで、その後のステップＳ１０４においてＳｅが揮発することによる接合材料の飛散を防ぐことができ、第一の導体２０１と第二の導体２０３との部品ズレの懸念事項を回避することができる。
【００３６】
さらに、発明者らの実験から、図４のステップＳ１０４において、溶融開始温度を所定温度以下に下げれば、上述した懸念事項を回避できることがわかったので、液相温度が２００℃以下になるＳｎ−Ｂｉの配合比を検討した。ここで、所定温度とは、Ｓｅの沸点２３４℃より３０℃以上低い温度であり、具体的には、２０４℃以下である。
【００３７】
図５より、Ｓｎ−Ｂｉの二元系において、液相温度が２００℃以下になるＢｉの割合は、２５ｗｔ％以上７７ｗｔ％以下である。Ｓｎ−Ｂｉ合金の共晶温度である１３９℃から上述した２００℃の温度領域において、Ｂｉの割合が２５ｗｔ％以上５８ｗｔ％以下の領域では、液相中に固体のＳｎ金属層が形成され、Ｂｉの割合が５８ｗｔ％より大きく７７ｗｔ％以下の領域では、液相中に固体のＢｉ金属層が形成される。
【００３８】
ここで、Ｂｉ金属層はＳｎ金属層よりも酸化しやすく、接合材料の表面に酸化膜が形成されると接合材料の濡れ性が低下してしまうため、Ｂｉ金属層が形成されるのは望ましくない。
【００３９】
そこで、本実施の形態では、Ｓｎ−Ｂｉの２元系におけるＢｉの割合を、２５ｗｔ％以上５８ｗｔ％以下の領域とした。すなわち、本実施の形態においては、Ｓｎ−Ｂｉ二元系において、Ｓｎの含有率をＸｗｔ%、Ｂｉの含有率をＹｗｔ%、Ｘ＋Ｙ＝１００ｗｔ％とした場合、ＳｎとＢｉとの重量比が、２５ｗｔ％≦Ｙ≦５８ｗｔ％の関係を満たす。
【００４０】
続いて、図６（出典：ASM International発行“Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams”）を用いて、Ｓｎに対するＳｅの配合比について、説明する。図６は、ＳｎとＳｅの二元系状態図であり、ＳｎとＳｅの混合濃度と温度によって合金がどの様な状態になるのかを示したものである。図６において、横軸は各組成の比率、縦軸は温度である。
【００４１】
図６より、Ｓｎ−Ｓｅの二元系において、図４のステップＳ１０４の加熱温度である２４０℃以上かつ２５０℃以下の温度から室温まで冷却する際に生成される金属組成を、検討した。
【００４２】
図６に示すように、Ｓｅの割合が０ｗｔ％以上かつ４０ｗｔ％未満の領域では冷却後にＳｎＳｅとＳｎ単体が形成され、Ｓｅの割合が４０ｗｔ％以上かつ５７ｗｔ％以下の領域ではＳｎＳｅとＳｎＳｅ２が形成され、Ｓｅの割合が５７ｗｔ％より大きく１００ｗｔ％以下の領域ではＳｎＳｅ２とＳｅ単体が形成される。
【００４３】
ここで、前述のように、ＳｎＳｅ、ＳｎＳｅ２の融点はそれぞれ８８０℃、６５７℃であり、一般的なリフロー加熱温度である２５０℃以上の耐熱性を有しているが、Ｓｎ単体、Ｓｅ単体の融点はそれぞれ２３２℃、２２１℃であり、リフロー加熱温度である２５０℃未満となっている。この特性と、図６に示す関係より、本実施の形態で目的としている２５０℃以上の耐熱性を有する接合部を形成するためには、Ｓｎ−Ｓｅの二元系において、Ｓｅの割合を４０ｗｔ％以上かつ５７ｗｔ％以下の領域とする必要がある。
【００４４】
そこで、本実施の形態では、Ｓｎ−Ｓｅの二元系におけるＳｅの割合を４０ｗｔ％以上かつ５７ｗｔ％以下の領域とした。すなわち、本実施の形態においては、接合後の接合部１００ｃは、Ｓｎ−Ｓｅの二元系において、Ｓｎの含有率をＡｗｔ%、Ｓｅの含有率をＢｗｔ%、Ａ＋Ｂ＝１００ｗｔ％とした場合、ＳｎとＳｅとの重量比が、４０ｗｔ％≦Ｂ≦５７ｗｔ％の関係を満たす。
【００４５】
最後に、表１、２を用いて、本実施の形態の実施例と比較例及び従来例との効果の比較を説明する。
【００４６】
【表１】
2015098039.tif 000003
【００４７】
【表２】
2015098039.tif 000004
表１において、実施例１〜５は本実施の形態における接合材料であり、比較例１〜４は本発明の構成及び効果を有さない接合材料であり、従来例は特許文献１に記載の接合材料である。ここで、実施例１〜５は、加熱及び冷却されることで、Ｓｎ−Ｓｅ系化合物からなる第一金属類とＢｉを主成分とする第二金属類とからなる接合部を形成する接合材料である。なお、実施例１〜３は、後述するように２５０℃以下溶融ピークが存在せず、接合後に非常に高い耐熱性を有する接合材料であり、実施例４〜５は、後述するように２５０℃以下溶融ピークが一部存在するが、接合後に高い耐熱性を有する接合材料である。また、表１には、示差走査熱量分析（ＤＳＣ）により各種接合材料の溶融開始温度を測定した結果を示している。
【００４８】
表２は、表１の実施例１〜５、比較例１〜４、従来例の接合材料に、図４のステップＳ１０１〜Ｓ１０４で作製したサンプルが２５０℃以下で溶融するか否かを、示差走査熱量分析（ＤＳＣ）により測定し、２５０℃以下の溶融ピークの有無を評価した結果と接合時の部品ズレの結果を示す。
【００４９】
ここで、２５０℃以下の溶融ピーク有無の評価に用いたサンプルは、実施例１〜５、比較例１〜４、従来例の接合材料に対し、図４のステップＳ１０３、Ｓ１０４の工程のみ通過した試料を用いた。
【００５０】
また、部品ズレの評価に用いたサンプルは、図４のステップＳ１０１〜Ｓ１０４の全ての工程を通過させ、Ｃｕ基板である第一の導体２０１とＳｎめっきされたＣｕ基板である第二の導体２０３として１００５サイズのチップ部品を用いた。
【００５１】
また、図４のステップＳ１０３の加熱温度および時間は、それぞれ１６０℃および６０秒とし、図４のステップＳ１０４の加熱温度および時間は、それぞれ２４０℃および５分とし、図４のステップＳ１０２からＳ１０３及びＳ１０３からＳ１０４への昇温速度は４℃／秒とした。
【００５２】
表１と表２の違いは、表１が接合時、すなわち加熱時の接合材料評価で、表２が接合後、すなわち加熱後の接合材料評価に相当する。
まず始めに、実施例１〜３と実施例４及び５とを比較する。
【００５３】
実施例１〜３の配合比は、Ｓｎ−Ｂｉの２元系におけるＢｉの割合が、それぞれ５８ｗｔ％、４０ｗｔ％、２５ｗｔ％（つまり、各々（Ｘ，Ｙ）＝（４２，５８）、（６０，４０）、（７５，２５））である。これは、実施例１〜３の配合比が、図５で説明したＳｎ−Ｂｉの２元系におけるＢｉの割合が２５ｗｔ％以上かつ５８ｗｔ％以下の領域に含まれることを意味する。
【００５４】
また、実施例１〜３の配合比は、Ｓｎ−Ｓｅの２元系におけるＳｅの割合が、それぞれ５３ｗｔ％、４８ｗｔ％、４４ｗｔ％（つまり、各々（Ａ，Ｂ）＝（４７，５３）、（５２，４８）、（５６，４４））である。これは、実施例１〜３の配合比が、図６で説明したＳｎ−Ｓｅの２元系におけるＳｅの割合が４０ｗｔ％以上かつ５７ｗｔ％以下の領域に含まれることを意味する。
【００５５】
ここで、（Ｘ，Ｙ）は、表１の金属Ａの組成のＳｎ−Ｂｉ合金のＳｎとＢｉとの重量比を、ＳｎとＢｉの合計で１００％換算した割合で示している。また、（Ａ，Ｂ）は、表１の各組成のＳｎとＳｅとの重量比を、ＳｎとＳｅの合計で１００％換算した割合で示している。
【００５６】
一方、実施例４及び５の配合比は、Ｓｎ−Ｂｉの２元系におけるＢｉの割合５８ｗｔ％が２５ｗｔ％以上かつ５８ｗｔ以下％の領域に含まれるが、Ｓｎ−Ｓｅの２元系におけるＳｅの割合３７ｗｔ％、６１ｗｔ％がいずれも４０ｗｔ％以上かつ５７ｗｔ％以下の領域に含まれない。そのため、冷却する際に融点２２１℃のＳｅ単体或いは融点２３２℃のＳｎ単体の相が形成されることになり、実施例４及び５では、２５０℃以下の溶融ピークが一部検出された。よって、実施例４及び５の判定を、本発明には含まれるが実施例１〜３より耐熱性の低い△とした。これは、図６を用いて説明したＳｎに対するＳｅの配合比の検討で示した内容と２５０℃以下の溶融ピークの結果が一致していることを表している。
【００５７】
比較例１の配合比は、Ｓｎ−Ｓｅの２元系におけるＳｅの割合４０ｗｔ％が４０ｗｔ％以上かつ５７ｗｔ％以下の領域に含まれるため、２５０℃以下の溶融ピークは検出されない。だが、比較例１においては、部品ズレが発生した。これは、比較例１においては、Ｂｉの含有率が０ｗｔ％であることから、図４のステップＳ１０３、Ｓ１０４の加熱プロセスにおいてＳｎの溶融とほぼ同時にＳｅが揮発して接合材料が飛散してしまい、飛散した接合材料により部品ズレが発生するためであると考えられる。よって、比較例１の判定を×とした。
【００５８】
一方、実施例１〜３においては、図４のステップＳ１０３、Ｓ１０４の加熱プロセスにおいて、先にＳｎ−Ｂｉ合金が溶融および液化するため、Ｓｅが揮発しても接合材料が飛散することはなく、部品ズレを防止することができていると考える。この結果から、図４のステップＳ１０３において、接合材料１００ａのＳｎ−Ｂｉ合金成分が溶融する温度で一定時間加熱することで、Ｓｎ−Ｂｉ合金が溶融および液化して第一の導体２０１と第二の導体２０３の濡れ性が確保されていると考えられる。すなわち、本実施の形態において、図４のステップＳ１０３は、部品ズレを防止する上で重要なプロセスであることを表していると考えられる。
【００５９】
比較例２〜４は、Ｓｎをベースとした合金の溶融開始温度を下げるために、Ｂｉ以外の金属材料として、Ｚｎ、Ｉｎ、Ａｇ、ＣｕをＳｎに添加した接合材料を用いた例である。
まず、比較例２〜４において、２５０℃以下の溶融ピークが検出されたことについて説明する。比較例２及び３で添加したものはＺｎやＩｎといった比較的酸化しやすい金属であるため、溶融状態のＳｎをベースとした合金表面が酸化膜に覆われ、酸化膜に覆われた合金表面が溶融Ｓｅと十分に拡散反応を起こすことができず、結果として加熱後に低融点成分が残存したと推察される。また、比較例４は、合金表面に薄く形成されたＡｇＳｅＳｎ化合物層が溶融Ｓｅと十分に拡散反応を起こすことができず、結果として加熱後に低融点成分が残存したと推察される。よって、比較例２〜４の判定を×とした。
【００６０】
従来例において、２５０℃以下の溶融ピークが検出されたことについて説明する。ＳｎとＣｕとの拡散反応が遅いことから、溶融状態のＳｎと固体状態のＣｕとが十分に拡散反応を起こすことができず、結果として加熱後に低融点成分が残存したと推察される。よって、従来例の判定を×とした。
【００６１】
以上の結果より、加熱温度が従来同等で加圧を必要とせず、従来より短時間の加熱プロセスで接合し、加熱後は低融点相を短時間で消失させることが可能であり、それにより高い耐熱性を有する接合材料及び接合構造体を提供することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、耐熱性が要求される接合材料及び接合構造体、特に電力用半導体装置における大電流容量に対応した配線接続や、電子回路基板の部品実装または配線形成に用いるための接合材料及び接合構造体として広く利用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１００ａ、７０３  接合材料
１００ｂ  加熱中の接合材料
１００ｃ、７０５  接合部
１０１  合金
１０２  Ｓｎ−Ｂｉ合金
１０３  Ｓｅ
１０５  Ｓｎ−Ｓｅ系化合物
１０６  Ｂｉ
２００  接合構造体
２０１  第一の導体
２０３  第二の導体
２０１Ｆ  第一面
２０３Ｆ  第二面
７０１  Ｓｎ−Ｂｉ系粒子
７０２  Ｃｕ粒子
７０４  Ｃｕ−Ｓｎ系化合物
【図２】
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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１】
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【図３】
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