(57)【要約】【課題】密着力に優れた、金属体の接合方法を提供する。【解決手段】本発明の金属体の接合方法は、金属体であって、原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施した加工層１１を有する第１の被接合材１を準備する工程と、前記第１の被接合材１の前記加工層１１と第２の被接合材２との間に金属微粒子３を供給する工程と、前記第１の被接合材１と前記第２の被接合材２とを接合する工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施した加工層を有する金属からなる第１の被接合材を準備する工程と、
前記第１の被接合材の前記加工層と第２の被接合材との間に金属微粒子を供給する工程と、
前記金属微粒子を介して前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合する工程とを有することを特徴とする金属体の接合方法。
【請求項２】
前記第２の被接合材は、原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施した加工層を有する金属体であることを特徴とする請求項１に記載の金属体の接合方法。
【請求項３】
前記加工層が被接合材の表面にのみ形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属体の接合方法。
【請求項４】
前記加工層が被接合材の前記金属微粒子により接合される部分のみに形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の金属体の接合方法。
【請求項５】
前記金属微粒子は、一次粒子の平均粒子径が、１ｎｍ〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の金属体の接合方法。
【請求項６】
前記金属微粒子は、銀、金、銅、アルミニウム、ニッケル、白金、錫、アンチモン及びパラジウムからなる金属元素群から選ばれる１種の微粒子、前記金属元素群から選ばれる２種以上を混合した微粒子、前記金属元素群から選ばれる２種以上の元素の合金からなる微粒子、前記金属元素群から選ばれる１種の微粒子又は前記金属元素群から選ばれる２種以上を混合した微粒子と前記金属元素群から選ばれる２種以上の元素の合金からなる微粒子とを混合した微粒子、これらの酸化物、又は、これらの水酸化物であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の金属体の接合方法。
【請求項７】
前記原子空孔および／または転位を生じさせる加工は、機械的加工であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に金属体の接合方法。
【請求項８】
前記第１の被接合材が銅からなることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の金属体の接合方法。
【請求項９】
前記第１の被接合材の前記加工層の再結晶温度以上で加熱することにより、前記第１の被接合材の前記加工層が再結晶されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の金属体の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属体の接合方法に関し、特に、金属体が半導体素子の電極、回路基板、セラミック基板等の基板の電極またはリードフレームなどである場合の金属体の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の制御や供給等を行う半導体素子（いわゆるパワー半導体素子）と回路基板、セラミック基板等の基板またはリードフレームなどの配線体との接続では、一般に半田が使用されている。このような半田としては、半田の粉末にフラックスを加えて適当な粘度にしたクリーム半田が主に用いられている。しかしながら、フラックスを用いると、半導体素子表面を汚染する可能性があり、洗浄工程が必要という問題があった。また、近年、環境上の配慮から、鉛を含まない鉛フリー半田材料を用いることが要求されている。パワー半導体の発熱に対応可能な鉛フリー半田材料としてＡｕ−Ｓｎ系半田があるが、高価であるため、実用的ではない。Ａｕ−Ｓｎ系半田より安価な半田材料としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田があるが、熱履歴による金属間化合物の成長が信頼性の低下につながるという問題があった。
【０００３】
半田を用いない接合部材として、熱硬化性樹脂に導電性を持つ微細な金属粒子を混ぜ合わせたものを膜状に成形した異方性導電フィルム（Anisotropic Conductive Film：ＡＣＦ）がある。しかしながら、ＡＣＦは、高熱による熱硬化性樹脂の劣化が懸念されるため、発熱量の大きいパワー半導体の接続には適さない。
【０００４】
そこで、半田を用いない他の接合部材として、Ａｇの粒子を樹脂に分散させたＡｇペーストを用いることが提案されている。パワー半導体の接合部材としてＡｇペーストを適用する場合、高熱伝導性と高導電性が要求されるため、ペースト中のＡｇの含有量を高くする必要がある。ところが、Ａｇの含有量が高くなると、弾性変形しやすい樹脂の比率が小さくなるため、硬化処理後の接合層の剛性が増して接合層の歪吸収能力が低くなる。この接合層に歪吸収能力を超える歪が加わると、半導体素子の電極あるいはダイパッドとＡｇ粒子との接触界面や接続材料内で欠陥が生じ、剥離が生じる問題があった。
【０００５】
また、半導体素子の電極や基板の電極がＮｉの場合、接合部材としてＡｇペーストを用いると、接合強度（密着性）が低く、取扱い時の外力で界面が破断したり、必要な長期信頼性が得られないという問題があるため、半導体素子の電極や基板の電極に貴金属めっきを施す必要がある。ところが、このように貴金属めっきを施して接合した場合、部材間の熱膨張差による半導体チップへの熱応力が増大するため、耐久性が低下するという問題があった。
【０００６】
また、近時、有機物で表面が被覆された平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子を被接合材間に供給し、加熱により有機物を分解させて金属粒子同士を焼結させることで接合を行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
さらには、被接合材の接合界面に酸素を含む酸化物層を形成し、この接合界面に、平均粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の金属化合物粒子と有機物からなる還元剤とを含む接合材を配置し、被接合材間を加熱、加圧することにより被接合材を接合することが提案されている（例えば、特許文献２）。この接合材は、金属化合物粒子単体を加熱分解するよりも低温で金属化合物粒子が還元され、その際に平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が作製されるとされている。また、接合前にあらかじめ接合面に酸化物層を生成させた後に、その層に酸化処理を施して自然酸化膜厚以上の厚さの酸化層を生成させておくことで、接合時に接合材中の有機物の排出を効率的に行うことができ、これにより接合面のせん断強度を上げることが可能となるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１０７７２８号公報
【特許文献２】特開２００８−２０８４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の接合方法では、金属微粒子による接合において、金属微粒子間の接合に比べて、金属微粒子と被接合材である金属体との接合は、拡散反応が進みにくく、密着力が弱いという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、密着力に優れた、金属体の接続方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上のような目的を達成するため、本発明による金属体の接合方法は、原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施した加工層を有する金属からなる第１の被接合材を準備する工程と、前記第１の被接合材の前記加工層と第２の被接合材との間に金属微粒子を供給する工程と、前記金属微粒子を介して前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、前記第２の被接合材も、原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施した加工層を有する金属体であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、前記加工層が被接合材の表面にのみ形成されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、前記加工層が被接合材の前記金属微粒子により接合される部分のみに形成されていることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、金属微粒子の一次粒子の平均粒子径が、１ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、金属微粒子が、銀、金、銅、アルミニウム、ニッケル、白金、錫、アンチモン及びパラジウムからなる金属元素群から選ばれる１種の微粒子、前記金属元素群から選ばれる２種以上を混合した微粒子、前記金属元素群から選ばれる２種以上の元素の合金からなる微粒子、前記金属元素群から選ばれる１種の微粒子又は前記金属元素群から選ばれる２種以上を混合した微粒子と前記金属元素群から選ばれる２種以上の元素の合金からなる微粒子とを混合した微粒子、これらの酸化物、又は、これらの水酸化物であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、金属微粒子が、有機溶媒でペースト化されていることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、前記原子空孔および／または転位を生じさせる加工が、機械的加工であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、前記第１の被接合材が銅からなることが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、前記第１の被接合材の前記加工層の再結晶温度以上で加熱することにより、前記第１の被接合材の前記加工層が再結晶されていることが好ましい。
【００２１】
また、本発明に係る金属体の接合方法は、前記第１の被接合材が、基板、リードフレーム、または半導体素子の電極であり、第２の被接合材が、半導体素子の電極または半導体素子の裏面であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の金属体の接合方法によれば、第１の被接合材と第２の被接合材と金属微粒子とからなる積層体を少なくとも加熱すると、金属微粒子表面で局所的に溶融現象が起こり、金属微粒子間および金属微粒子と第１の被接合材との間に結合部（ネック）が形成される。このとき、金属体である第１の被接合材は少なくとも表面に原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施した加工層を有するため、金属微粒子間のネックと同様に金属微粒子と第１の被接合材との間においては、加工層の原子空孔が被接合材全体や金属微粒子への移動することを伴う拡散が促進し、金属微粒子とネックが成長していくため、より高い密着力が得られ、かつ、より低温での接合が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る金属体の接合方法を模式的に説明するための説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る金属体の接合方法の作用を模式的に説明するための説明図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る金属体の接合方法を模式的に説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る金属体の接合方法の作用を模式的に説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
本実施形態に係る金属体の接合方法は、金属体であって原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施した加工層１１，１２を表面に有する第１の被接合材１および第２の被接合材２を準備する工程と、図１に示すように、第１の被接合材１の加工層１と第２の被接合材２の加工層１１，１２との間に金属微粒子３を供給する工程と、第１の被接合材１と第２の被接合材２と金属微粒子３とからなる積層体を少なくとも加熱することにより、第１の被接合材１と第２の被接合材２とを接合する工程とを有する。
【００２６】
第１の被接合材１は、導電性を有する金属体であれば特に限定はないが、例えば、回路基板又はセラミック基板等の基板１００の電極であり、銅または銅合金、銀メッキや金メッキからなることが好ましい。また、基板１００としては、銅板をセラミック（ＡｌＮ）基板と接合させたＤＢＣ（Direct Bonding Copper）基板を用いることができる。なお、セラミックはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）など用いても良い。
【００２７】
本実施形態においては第２の被接合材２も、金属体である。第２の被接合材２は、例えば、半導体素子２００の電極であり、Ｓｎ合金にＴｉまたはＴｉ合金やＮｉまたはＮｉ合金がメッキされて形成されていることが好ましい。
【００２８】
なお、上記例では、半導体素子２００の電極と基板１００の電極とを接続することになるが、基板に替えてリードフレームのダイパッドと半導体素子の裏面とを接続してもよいし、半導体素子と他の半導体素子とを接続する、いわゆるｃｈｉｐ ｏｎ ｃｈｉｐ構造に適用してもよい。また、半導体素子の電極の接合は、バンプによる接合であってもよいし、微細接合としてピン接合であってもよい。
【００２９】
本実施の形態では、第１の被接合材１および第２の被接合材２の表面には、原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施され、加工層１１，１２が形成されている。加工層１１，１２の形成は、第１の被接合材１および第２の被接合材２の表面に、原子空孔および／または転位を生じさせるものであれば特に限定はなく、例えば、ブラストやバフによる研磨等、機械的加工によることが好ましいが、粒子線照射により放射線損傷させても良い。例えば、材質がアルミナで形状が多角形の中心粒径１４μｍであるメディアを使用したウエットブラスト法により、圧力０．１５ＭＰａで処理速度５ｍｍ／ｓｅｃで処理することで５μｍの加工層が得られる。なお、第２の被接合材２が、半導体素子の裏面であるような場合は、加工層１を有していなくてもよい。
【００３０】
また、加工層１１，１２は、第１の被接合材１および第２の被接合材２の表面の金属微粒子３により接合される部分のみに形成してもよい。例えば、第１の被接合材１が基板１００の電極である場合、基板１００の電極には、ダイボンドされる部分だけでなく、ワイヤーボンドされる部分も存在し、ワイヤー材料として、拡散が早いアルミ材料等が用いられる場合があり、拡散が加速するとカーケンダールボイド等の欠陥が形成されやすくなるため、ワイヤーボンドされる部分は、加工層１１を形成しないことが好ましい。
【００３１】
加工層１１，１２の厚さは、特に限定はされないが、０．５μｍ〜１０μｍであることが好ましい。また、加工の度合いは、接続温度可能な温度をより低温化するためには、加工前のマイクロビッカース硬さに対して、加工層１１，１２の硬さが１５％以上高いこと好ましい。加工層１１，１２の厚さが薄い場合には、ナノインデンター等で測定した硬さ指標が同様に１５％以上高い値を示すことが代替指標となる。
【００３２】
金属微粒子３は、銀、金、銅、アルミニウム、ニッケル、白金、錫、アンチモン及びパラジウムからなる金属元素群から選ばれる１種の微粒子、前記金属元素群から選ばれる２種以上を混合した微粒子、前記金属元素群から選ばれる２種以上の元素の合金からなる微粒子、前記金属元素群から選ばれる１種の微粒子又は前記金属元素群から選ばれる２種以上を混合した微粒子と前記金属元素群から選ばれる２種以上の元素の合金からなる微粒子とを混合した微粒子、これらの酸化物、又は、これらの水酸化物であることが好ましい。
【００３３】
また、金属微粒子３の平均粒径（一次粒子の平均粒子径）は、１ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは５ｎｍ〜２００ｎｍである。ここで、一次粒子の平均粒子径とは、二次粒子を構成する個々の金属微粒子３である一次粒子の直径の平均の意味である。該一次粒子径は、電子顕微鏡を用いて測定することができる。また、平均粒子径とは、一次粒子の数平均粒子径を意味する。一次粒子の平均粒子径が、１ｎｍ〜５００ｎｍである金属微粒子３を所定割合、好ましくは全体の質量の３０〜９０％含んでいれば、他に粒子径が０．５〜５０μｍの金属微粒子を含んでいてもよい。
【００３４】
金属微粒子３は、有機溶媒でペースト化されていることが好ましい。有機溶媒としては、公知のものを適宜使用することができるが、好ましいものとして、２５℃において液状であるアルコール及び／もしくは多価アルコールが挙げられ、また、２５℃において液状であるアルコール及び／もしくは多価アルコールと、２５℃において固形状のアルコール及び／もしくは多価アルコールとを混合したものが挙げられる。
【００３５】
その他、分散補助物質や溶剤を適宜配合することができる。分散補助物質としては、公知のものを適宜使用することができるが、金属微粒子３の分散性、焼結性の向上等を考慮すると、アミド基を有する化合物、アミン化合物等を用いることが好ましい。
【００３６】
第１の被接合材１の加工層１１上に金属微粒子３を供給し、その上に、第２の被接合材２を加工層１２が金属微粒子３と接するように載置する。この状態で、金属微粒子３を焼結させる。金属微粒子３の焼結は、還元雰囲気または不活性雰囲気中で実施することが望ましい。不活性雰囲気とは、窒素などのガスを充填した雰囲気、または、真空雰囲気のことである。こうすることで、金属微粒子３表面の酸化層を取り除き、金属微粒子３の焼結性を向上させることが可能になる。また、金属微粒子３に配合する有機溶媒の性質によって、焼結は適宜加圧しながら行うとよい。焼結は、３０〜９０分間、加工層１２の再結晶温度以上で加熱、０〜２０ＭＰａで加圧して行うことが好ましい。
【００３７】
加圧しながら熱処理して金属微粒子３の焼結を行うことが望ましい場合としては、熱処理により有機溶媒が揮発して、金属微粒子３の占有体積減少が大きい場合がある。熱処理により金属微粒子３の占有面積減少が著しい場合、加圧により、金属密度を高めることができる。また、金属微粒子３の焼結体に亀裂が形成することを防止することができる。さらに、加圧することで、第１の被接合材１と第２の被接合材２とをより強固に接合することが可能となる。
【００３８】
一方、熱処理しても金属微粒子３の占有面積が殆ど変わらない場合は、加圧せずに熱処理して金属微粒子３の焼結を行うことができる。
【００３９】
第１の被接合材１と第２の被接合材２と金属微粒子３とからなる積層体を少なくとも加熱することにより、金属微粒子３表面で局所的に溶融現象が起こり、図２に示すように、金属微粒子３間および金属微粒子３と第１の被接合材１（金属体）との間に結合部（ネック４）が形成され、金属微粒子３同士および第１の被接合材１の接合面と金属微粒子３とが融合された融合層５が形成される。このとき、第１の被接合材１は少なくとも表面に原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施した加工層１１を有するため、金属微粒子３と第１の被接合材１との間のネック４においては、加工層の原子空孔が被接合材全体や金属微粒子への移動することを伴う拡散が促進し、金属微粒子とネックが成長していくため、より高い密着力が得られ、かつ、より低温での接合が可能になる。これにより、第１の被接合材１の表面には、再結晶層が形成される。
【００４０】
また、第１の被接合材１の表面に加工層１１が設けられていることから、通常の表面に加工層１１が設けられていない被接合材を用いた場合と比べて拡散反応の効率が向上するため、金属微粒子３の再結晶温度は、通常の表面に加工層１１が設けられていない被接合材を用いた場合よりも低くなり、より低温での接合が可能になる。例えば、金属微粒子３が銅の場合、再結晶温度は、通常２００℃以上であるが、表面に加工層１１が設けられている第１の被接合材１と接合させる場合は、１５０℃以上となる。このように、低温での焼結が可能となる結果、接続界面の接合強度が上がる。
【００４１】
なお、上記では、第１の被接合材１と金属微粒子３との関係を説明したが、第２の被接合材２と金属微粒子３との関係も同様である。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について、図３を用いて説明する。上述の第１の実施形態が、第１の被接合材１の表面のみに加工層１が設けられていたのに対して、本実施の形態は、第１の被接合材１’全体に加工層１１’が設けられて点で異なる他は、第１の実施形態において説明したのと同様の構成、接合方法を適用することができる。
【００４３】
以下、第１の実施形態と異なる点について、説明する。図３に示すように、第１の被接合材１’には、厚み方向全域にわたって原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施されており、第１の被接合材１’は加工層１１’のみから形成されている。第１の被接合材１’の厚み方向全域にわたって原子空孔および／または転位を生じさせるには、例えば曲げ加工を施すとよい。
【００４４】
第１の被接合材１’は、例えばリードフレームのダイパッドであり、この場合、第２の被接合材２’は半導体素子の裏面である。
【００４５】
図３に示すように、第１の被接合材１’上に金属微粒子３を供給し、その上に第２の被接合材２’を載置した状態で加熱すると、上記第１の実施形態と同様に、図４に示すように、金属微粒子３間および金属微粒子３と第１の被接合材１’（金属体）との間に結合部（ネック４）が形成される。このとき、第１の被接合材１は原子空孔および／または転位を生じさせる加工を施した加工層１１’であるため、金属微粒子３と第１の被接合材１’との間のネック４においては、加工層の原子空孔が被接合材全体や金属微粒子への移動することを伴う拡散が促進し、金属微粒子とネックが成長していくため、より高い密着力が得られ、かつ、より低温での接合が可能になる。
【００４６】
また、第１の被接合材１’が加工層１１’で形成されていることから、通常の加工層１１’が設けられていない被接合材を用いた場合と比べて拡散反応が早いため、金属微粒子３の再結晶温度は、通常の表面に加工層１１’が設けられていない被接合材を用いた場合よりも低くなり、より低温での接合が可能になる。
【００４７】
上記第１の実施形態では、加工層１１が第１の被接合材１の表面にのみ設けられているため、図２に示すように、第１の被接合材１においては、原子空孔が接合側（表面）だけでなく、第１の被接合材１の全体に拡散する。
これに対して、第２の実施形態では、加工層１１’が第１の被接合材１’の厚み方向全域にわたって設けられているため、図３に示すように、第１の被接合材１’においては、原子空孔が接合側へ拡散する速度が相対的に上がり、接合側への原子空孔の移動が優先的に起こる。そのため第２の実施形態は、原子空孔の移動が金属微粒子への移動に限定されてしまう。
結果として拡散の促進は第１の実施形態の方が第２の実施形態よりも高い効率で発生し、金属微粒子３間または金属微粒子３と第１の被接合材１との間のネック成長や再結晶化が進行する。このため、厚み方向全域にわたって加工層１１’が設けられている第１の被接合材１’を用いたよりも、表面にのみ加工層１が設けられている第１の被接合材１を用いた場合のほうが再結晶温度を低くすることができる。例えば、金属微粒子３が銅の場合、厚み方向全域にわたって加工層１１’が設けられている第１の被接合材１’と接合させる際の再結晶温度は１８０℃以上となるのに対し、表面にのみ加工層１１が設けられている第１の被接合材１と接合させる際の再結晶温度は１５０℃となった。
【符号の説明】
【００４８】
１，１’：第１の被接合材
１１，１１’：加工層
２，２’：第２の被接合材
２２，２２’：加工層
３：金属微粒子
４：ネック
５：融合層
６：原子空孔
１００：基板
２００：半導体素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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