(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銀膜であって、
前記銀膜は、２層の焼結可能な粒子層の間に補強銀箔層が配置されることにより構成された複層構造を有し、
前記焼結可能な粒子層はそれぞれ、焼結可能な銀粒子と補強粒子との混合物を含み、
前記補強粒子は、黒鉛粒子であり、
前記補強銀箔層は、固体銀箔である、銀膜。
【請求項２】
前記焼結可能な粒子層を支持するように構成された支持膜をさらに含む、請求項１に記載の銀膜。
【請求項３】
前記補強粒子は、球状、フレーク状、繊維状、花状またはナノワイヤ状のいずれかの形状を有する、請求項１に記載の銀膜。
【請求項４】
前記補強粒子のサイズは、２ｎｍ〜１０μｍの間である、請求項３に記載の銀膜。
【請求項５】
前記銀膜は、焼結可能な銀接点を形成する、請求項３に記載の銀膜。
【請求項６】
前記補強粒子の含有率は、０．１重量％〜５０重量％の間である、請求項３に記載の銀膜。
【請求項７】
請求項１の銀膜を取付け用のダイに積層する方法。
【請求項８】
請求項１の銀膜を用いて、ダイを基板に取付ける方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の分野
本開示は、電気部品または機械部品を接合する方法に関し、より詳しくは、電子部品および関連素子を回路基板に取付ける方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
焼結は、従来の半田付けの代わり技術として現れて来ている。一般的に、焼結は、プリント回路基板組立体のさまざまな素子を取付けるために高温処理および高圧処理を含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
概要
本開示の１つ以上の局面によれば、銀膜は、銀粒子と補強（改質）粒子との混合物を含んでもよい。また、銀膜の他の局面は、焼結可能な銀粒子層と補強粒子とを含む混合物を提供することを含んでもよい。銀膜は、焼結可能な銀粒子層と補強粒子とを支持するように構成された支持膜をさらに含んでもよい。補強（改質）粒子は、金属粒子であってもよく、非金属粒子であってもよい。補強（改質）粒子は、球状、顆粒状、フレーク状、繊維状、花状およびナノワイヤ状を含むさまざまな形状およびサイズを有してもよい。補強（改質）粒子のサイズは、２ｎｍ〜１０μｍの範囲にあってもよい。焼結銀接点の特性を改質するために使用できる補強（改質）粒子は、銅、アルミニウム、ガラス、炭素、黒鉛および他のものである。補強（改質）粒子の含有率は、０．１重量％〜５０重量％の範囲にあってもよい。銀膜は、銀膜は、少なくとも２層または３層からなり、補強金属箔層を含む複層構造を有してもよい。補強金属箔層は、銀、銅、金または任意の他の金属もしくは任意の合金から形成されてもよい。補強金属箔層は、金属化ポリマまたはセラミック箔であってもよい。補強金属箔層は、異なる金属および合金からなる異なる層を有する複合物またはクラッド構造を有してもよい。補強金属箔層は、固体状箔、穿孔箔、またはメッシュ状箔であってもよい。
【０００４】
１つ以上の他の局面は、開示された膜を用いた積層工程を含んでもよい。さらに別の局面は、開示された膜を用いたダイ取付け方法を含んでもよい。
【０００５】
これらの例示的な局面および実施形態のさらなる他の局面、実施形態および利点は、以下により詳細に説明される。本明細書に開示された実施形態は、本明細書に開示された原理のうち少なくとも１つと一致する任意の方法で他の実施形態と組み合わせることができる。「一実施形態」、「いくつかの実施形態」、「代替的な実施形態」、「さまざまな実施形態」、「１つの実施形態」などを言及する場合、必ずしも相互に排他的ではなく、記載された特定の特徴、構造または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることができることを意図している。本明細書に使用されたこれらの用語は、必ずしもすべて同一の実施形態を指す必要がない。
【０００６】
少なくとも１つの実施例さまざまな局面は、添付の図面を参照して以下に説明する。添付の図面は、一定の縮尺で描かれることを意図していない。図面は、さまざまな局面および実施形態を例示するおよびさらに理解するために提供され、本明細書に組み込まれ本明細書の一部を構成するが、本発明に制限を加えることを意図していない。図面、詳細な説明または特許請求の範囲における技術的特徴に参照番号を付した場合、これらの参照番号は、図面および詳細な説明をより明瞭化する目的のみで付される。図面において、さまざまな図面に図示された同一またはほぼ同一の構成要素は、同様の参照番号によって標記される。明確化のために、各図面においてすべての部品を標記しないことがある。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】１つ以上の実施形態に係る接点を示す概略図である。
【図２】１つ以上の実施形態に係る複合銀膜を示す概略図である。
【図３】１つ以上の実施形態に係る複合銀膜を示す概略図である。
【図４】１つ以上の実施形態に係る複合銀膜を示す概略図である。
【図５Ａ】１つ以上の実施形態に係る金属箔の例を示す図である。
【図５Ｂ】１つ以上の実施形態に係る金属箔の例を示す図である。
【図５Ｃ】１つ以上の実施形態に係る金属箔の例を示す図である。
【図５Ｄ】１つ以上の実施形態に係る金属箔の例を示す図である。
【図５Ｅ】１つ以上の実施形態に係る金属箔の例を示す図である。
【図６】１つ以上の実施形態に従ったをダイ取付け構造を示す概略図である。
【図７】添付の実施例に説明されたデータを示す図である。
【図８】添付の実施例に説明されたデータを示す図である。
【図９】添付の実施例に説明されたデータを示す図である。
【図１０】添付の実施例に説明されたデータを示す図である。
【図１１Ａ】添付の実施例に説明されたデータを示す図である。
【図１１Ｂ】添付の実施例に説明されたデータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
詳細な説明
本明細書は、焼結銀接点の強度および弾性を改善する焼結銀膜組成物の実施形態を開示する。強度および弾性の改善は、焼結可能なマトリックスに補強粒子および／または固体金属層を追加することによって達成される。
【０００９】
ダイ取付用の焼結銀膜は、製品にナノ銀粒子および革新的な化学形態の独特の物理特性を組入れるため、非常に信頼性が高い熱伝導性および電気伝導性を有する界面を生成して、さまざまな電子機器を接合することができる。このような膜は、Khaselevらが共同所有、同時係属中の米国特許出願公開第２０１２／０１１４９２７Ａ１号（発明の名称：焼結材料およびそれを用いた取付け方法）に開示されているものを含む。この特許出願は、あらゆる目的でその全体が引用により本明細書に援用される。ダイ取付用の焼結銀膜を独特に配置することによって、既存の製造設備および製造工程に組込むことができ、大量生産を可能にする。本発明の技術は、電気機器および自動車機器用の大型サイリスタおよびパワーモジュールから、モバイル技術およびＬＥＤ照明用の小型別個部品までのさまざまな装置および用途に及ぶ。本発明の技術は、既存のパワー素子の性能を改善し、従来の接合技術に比べて、パワー素子の信頼性を５〜１０倍増加する。本発明の膜は、既存の技術では達成できない効率で新型の高温ＳｉＣ素子およびＧａＮ素子の使用を可能にする。
【００１０】
ダイ取付用の銀膜は、受動基板または別の装置に電子素子を取付ける接合材である。銀膜は、ダイ、ウエハまたは基板の裏面に適用される。その後、銀膜を緻密化させ、接合材と接続部品との間に密接な接合を確立するのに十分な圧力で、ダイ、ウエハまたは基板を予熱した基板上に配置する。加えられた熱および圧力によって、銀膜は、焼結され、ダイを基板にまたはウエハをウエハにまたは基板を基板に接合する。ダイと基板との間に形成された接点は、金属銀の接点であり、図１に示された構造および性質を有する。
【００１１】
特定の用途では、焼結銀接点の機械的性質の改良が望まれる。たとえば、より高い弾性は、接続部品のＣＴＥが非常に異なっている装置の接合信頼性を改善する。また、焼結銀層のより高い強度は、高熱または高機械応力の下で動作する装置の性能を改善する。
【００１２】
１つ以上の実施形態によれば、図２に概略に示されたように、銀膜は、銀粒子と補強（改質）粒子との混合物であってもよい。
【００１３】
補強（改質）粒子は、金属粒子であってもよく、非金属粒子であってもよい。粒子は、球状（丸状）、顆粒状、フレーク状、花状、繊維状および／またはナノワイヤ状などのさまざまな形状を有してもよい。粒子のサイズは、たとえば約２ｎｍ〜約１０μｍの範囲を有してもよく、この範囲を超えてもよい。焼結銀接点の特性を改質するために使用できる粒子の例としては、銅、アルミニウム、ガラス、炭素、黒鉛および他のものである。さまざまな実施形態において、これらの粒子の含有率は、約０．１重量％〜約５０重量％の範囲にあってもよい。
【００１４】
１つ以上の他の実施形態によれば、銀膜は、図３に概略的に示されたように少なくとも２層、すなわち、焼結可能な銀粒子層／金属箔層からなる複層構造を有してもよく、図４に概略的に示されたように３層以上、すなわち、焼結可能な銀粒子層／金属箔／焼結可能な銀粒子層からなる複層構造を有してもよい。焼結可能な銀粒子層１および２は、同様の組成および構造を有してもよく、異なる組成および構造を有してもよい。
【００１５】
補強金属箔層は、銀、銅、金または他の金属または合金からなる層、たとえば、金属化ポリマおよび／またはセラミック箔であってもよい。金属箔は、前述の異なる金属および合金の異なる層を有する複合物またはクラッド構造を有してもよい。金属箔は、固体状箔、穿孔箔、またはメッシュ状箔であってもよい。金属箔の例は、図５Ａ〜５Ｅに示されている。
【００１６】
より良好な焼結を得るために、金属箔は、たとえばＡｇまたはＡｕを用いてメッキされることができる。金属箔の厚さは、約１μｍ未満から約３００μｍ以上の範囲に変化してもよい。実用上、金属箔の厚さは、制限されない。箔として考えられる任意の厚さが適当である。膜は、薄いプラスチック層によって支持されてもよく、独立の膜として存在してもよい。
【００１７】
複合型焼結銀膜は、非複合型焼結銀膜と同様に、電子素子および他の素子の製造に使用することができる。このような膜を使用する方法は、あらゆる目的でその全体が引用により本明細書に援用される米国特許出願公開第２０１２／０１１４９２７Ａ１号に詳細に記載されている。このような方法は、本明細書に説明された改質複合膜に適用可能であり、積層工程およびダイ取付け工程を含んでもよい。得られる構造は、図６に概略的に示されている。
【００１８】
焼結可能な銀膜は、銀ナノ粒子と粒子状または膜状の改質材料とのマトリックスから形成される。改質材料は、さまざまな形状を有する金属粒子および／または非金属粒子および／または固体金属層であってもよい。複合銀膜は、焼結銀接点の強度および弾性を改善するために設計される。複合膜を用いて、電子機器の製造および他の用途においてさまざまな部品を接合することができる。焼結銀膜を使用する方法は、引用により本明細書に援用された米国特許出願公開第２０１２／０１１４９２７Ａ１号に記載されている。
【００１９】
本明細書に使用された場合、リフロー半田付けという用語は、回路基板の表面において、半田ペーストのプリントまたは分配もしくは半田予備成形物の配置もしくはその両方を行い、堆積された半田の中にまたは近くに部品を配置し、その後、半田をリフローさせるのに十分な温度に組立体を加熱するプロセスを指すことができる。
【００２０】
本明細書に記載された方法および組成物は、パワーモジュール、別個パワー素子、二極パワー素子、熱電冷却器、エネルギー取込み素子、ＬＥＤおよびＭＥＭＳ組立体、積層型マイクロプロセッサおよびメモリ素子の製造を含むがこれらに限定されない用途で使用されることができる。
【００２１】
これらの実施形態および他の実施形態の機能および利点は、以下の実施例からより完全に理解されるであろう。実施例は、事実上説明の目的に意図されており、本明細書に記載の実施形態の範囲を限定するものと考えるべきではない。
【実施例】
【００２２】
［実施例１］
銀膜は、引用により本明細書に援用される米国特許出願公開第２０１２／０１１４９２７Ａ１号に記載された形成手順に従って製造された。銀膜組成物（膜Ａ）は、９８重量％の銀ナノ粒子および２重量％の有機バインダを含む。この膜の性能は、グラファイト粒子を含むものと比較された。複合膜の組成は、９７重量％の銀ナノ粒子、１重量％の約２〜３μｍの直径を有する黒鉛球状粒子、および２重量％の有機バインダを含む。５×５ｍｍのシリコンダイは、３ｍｍ厚さの銅製基板に取付けられた。取付けは、１０ＭＰａの圧力および２５０℃の温度で９０秒間行われた。
【００２３】
ダイが取付けられた試料を−４０℃〜１２５℃温度範囲の各温度で３分間保持して、液体−液体熱衝撃試験を行った。得られたデータは、図７に示されている。光学画像に示されたように、６００サイクル後、銀膜を用いて取付けられたダイが亀裂し、基板から部分的に剥離した。複合膜を用いて取付けられたダイが亀裂せず、基板に強く取付けられているように見えた。走査型超音波顕微鏡によるこれらの試料のさらなる検査は、複合銀接点が熱衝撃によって劣化しなかったことを示した。
【００２４】
［実施例２］
複層複合膜は、２層の焼結ナノ銀粒子の間に固体銀箔を配置することによって製造された。得られた構造を圧接して、１３０℃で１〜２分間加熱した。加えられた圧力および熱によって、銀粒子層は、銀箔に接着された。得られた複合複層膜は、手動でまたはピックアンドプレース装置を用いて容易に処理することができる。必要なダイサイズに応じて、複層膜を切断することによって、取付けられるダイと同様のサイズを有する支持箔を形成することができる。引用により本明細書に援用される米国特許出願公開第２０１２／０１１４９２７Ａ１号に記載されたように、ウエハの裏面に複層膜を積層した後、ウエハを別個のダイに切断することができる。
【００２５】
この複層複合銀膜を用いて、１１×１１ｍｍのＳｉダイを銅で仕上げたＤＢＣ基板に取付けた。取付けは、１０ＭＰａの圧力および２５０℃の温度で９０秒間行われた。取付けられたダイの強度は、１０ｍｍのマンドレルの周りに試料を曲げることによって試験した。図８に示されたように、ダイは、均一に亀裂したが、基板から剥離しなかったため、強い取付を示している。
【００２６】
試料を切断し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて検査した。図９に示された低倍率の画像は、ダイの全体に亘って取付けの均一性および接着層厚さの均一性を示した。
【００２７】
図１０にされた高倍率のＳＥＭ画像は、焼結接点の詳細を示した。上部および下部の焼結銀層は、ダイ、基板および中間銀箔層に良好に接続された緻密な構造を示した。上部焼結層の厚さは、約１０μｍであり、下部焼結層の厚さは、１〜６μｍであった。銀箔の厚さは、９μｍであった。
【００２８】
ダイが取付けられた試料を−５５℃〜１２５℃温度範囲の温度で３分間保持して、液体−液体熱衝撃試験を行った。図１１Ａ〜１１Ｂに示されたＣＳＡＭ画像は、接点が５００熱衝撃サイクル後に劣化せず、強い接合を示した。
【００２９】
理解すべきことは、本明細書に説明された組成物および方法の実施形態は、および本明細書に記載された構造および配置の詳細に適用されると限らないことである。これらの組成物および方法は、他の実施形態に実施可能であり、さまざまな方法で実行または実現可能である。特定の実現例は、例示の目的のみで本明細書に記載され、限定する意図をしていない。特に、任意の１つ以上の実施形態に関連して説明された作用、要素および特徴は、任意の他の実施形態における同様の役割から除外されることを意図していない。
【００３０】
また、本明細書に使用された語法表現および専門用語は、説明の目的のためであり、限定と見なされるべきではない。本明細書において、「含む」（including）、「備える」（comprising）、「有する」（having）、「含有する」（containing）、「包含する」（involving）およびそれらの変形は、その後に列挙される項目およびそれらの均等物に加えて、追加の構成も含むことを意味する。
【００３１】
上記では、少なくとも１つの実施形態のいくつかの側面を説明したが、理解すべきことは、さまざまな変更、修正および改良は、当業者にとって容易に想起されることである。このような変更、修正および改良は、本開示の一部であり、本開示の範囲内にあると意図されている。したがって、前述の説明および図面は、例示に過ぎない。
【図１】
0006639394.tif 000002
【図２】
0006639394.tif 000003
【図３】
0006639394.tif 000004
【図４】
0006639394.tif 000005
【図５Ａ】
0006639394.tif 000006
【図５Ｂ】
0006639394.tif 000007
【図５Ｃ】
0006639394.tif 000008
【図５Ｄ】
0006639394.tif 000009
【図５Ｅ】
0006639394.tif 000010
【図６】
0006639394.tif 000011
【図７】
0006639394.tif 000012
【図８】
0006639394.tif 000013
【図９】
0006639394.tif 000014
【図１０】
0006639394.tif 000015
【図１１Ａ】
0006639394.tif 000016
【図１１Ｂ】
0006639394.tif 000017