(57)【要約】【課題】超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で金属ナノペーストを金属のナノ粒子の金属層に変化させて積層状の金属部材を接合し、工程の簡素化を図る【解決手段】接合対象部材１４は下側金属部材１５と上側金属部材１６とが金属ナノペースト１７を介在させて重ね合わされた積層体になっている。この接合対象部材１４が共振器９と受台１３とで挟まれて加圧され、共振器９が振動子１２から伝達された音波振動に共振すると、この矢印Ｘで示した横方向の振動が下側金属部材１５と上側金属部材１６と金属ナノペースト１７とに付与され、金属ナノペースト１７が上記加圧と上記振動による摩擦とを受け、金属ナノペースト１７中の分散剤や希釈剤等の有機材が蒸発し、金属ナノペースト１７中の金・銀・銅・アルミニウム等の電気抵抗率の小さな金属のナノ粒子が金属層１８に変化して下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下側金属部材と上側金属部材とが金属ナノペーストを介在させて重ね合わされた積層状の接合対象部材が共振器と受台とで挟まれて加圧され、共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動に共振し上記共振器と受台とで挟まれて加圧される方向に直交する横方向の振動が下側金属部材と上側金属部材と金属ナノペーストとに付与され、金属ナノペーストが上記加圧と上記横方向の振動による摩擦とを受け、金属ナノペースト中の分散剤や希釈剤等の有機材が蒸発し、金属ナノペースト中の金・銀・銅・アルミニウム等の電気抵抗率の小さな金属のナノ粒子が金属層に変化して下側金属部材と上側金属部材とを接合することを特徴とする音波接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で金属ナノペーストを金属のナノ粒子の金属層に変化させて積層状の金属部材を接合する音波接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３を参照し、特許文献１の要約、段落００２５、段落００３２、図３、図４で開示された回路基板３１の電極部３２と半導体装置３３の電極部３４とを互いに接合する方法について説明する。図３のＡ図に示したように、電極部３２に金属ナノペースト３４が付けられる。次に、図３のＢ図に示したように、電極部３２に塗布された金属ナノペースト３４が加熱され、金属ナノペースト３４中の金属のナノ粒子の表面を被覆している分散剤や希釈剤等の有機材が蒸発し、金属ナノペースト３４中の金属ナノ粒子が金属膜３５として電極部３２の上に形成される。その後、図３のＣ図に示したように、電極部３４と金属膜３５とが互いに重ね合わされ、回路基板３１と半導体装置３３と電極部３２，３４と金属膜３５とからなる積層体としての接合対象部材３６が受台３７と共振器３８とで挟まれて加圧される。その状態において、共振器３８が振動子３９から伝達された超音波振動に共振し、電極部３２，３４と金属膜３５とが超音波振動で互いに接合される。
【０００３】
しかしながら、特許文献１で開示された方法では、電極部３２に付けた金属ナノペース３４ト３４を加熱して金属膜３５として形成する工程と、電極部３２，３４と金属膜３５とからなる３体の金属部を超音波振動で接合する工程とを有するので、製造が複雑であるという欠点がある。
【０００４】
図４を参照し、特許文献２の段落００５９、段落００７０、段落００７１、図４、図６、図７で開示された回路基板４１の電極部４２と半導体装置４３の電極部４４とを互いに接合する方法について説明する。図４のＡ図に示したように、電極部４２に金属ナノペースト４５が付けられ、電極部４４に金属ナノペースト４６が付けられている。次に、図４のＢ図に示したように、電極部４２，４４が互いに重ね合わされ、回路基板４１と半導体装置４３と電極部４２，４４と金属ナノペースト４５，４６とからなる積層体としての接合対象部材４７が受台４８と共振器４９とで挟まれて加圧され、共振器４９が振動子５０から伝達された超音波振動に共振し、電極部４２，４４と金属ナノペースト４５，４６とが超音波振動によって互いに電気的に非導通な状態で１次接合される。この超音波振動による１次接合では、金属ナノペースト４５，４６中の分散剤や希釈剤等の有機材が溶融するだけで、金属ナノペースト４５，４６中の金属のナノ粒子が電気を導通しないようになっている。その後、図４のＣ図に示したように、１次接合された接合対象部材４７が加圧及び加熱されることにより、金属ナノペースト４５，４６中の金属のナノ粒子が焼結されて金属膜５１として形成され、極部４２，４４及び電金属膜５１が相互に電気的に導通状態に２次接合される。
【０００５】
しかしながら、特許文献２で開示された接合する方法では、超音波振動で金属ナノペースト４５，４６を電気的に非導通な状態する１次接合の工程と、加圧及び加熱で金属ナノペースト４５，４６中の金属のナノ粒子を金属膜５１として形成して電極部４２，４４及び金属膜５１どうしを電気的に導通状態にする２次接合の工程とを有するので、製造が複雑であるという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３４２１２号公報
【特許文献２】特開２００８−２１３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で金属ナノペーストを金属のナノ粒子の金属層に変化させて積層状の金属部材を接合することにより、工程の簡素化された音波接合方法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】
【０００８】
本発明は、下側金属部材と上側金属部材とが金属ナノペーストを介在させて重ね合わされた積層状の接合対象部材が共振器と受台とで挟まれて加圧され、共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動に共振し上記共振器と受台とで挟まれて加圧される方向に直交する横方向の振動が下側金属部材と上側金属部材と金属ナノペーストとに付与され、金属ナノペーストが上記加圧と上記横方向の振動による摩擦とを受け、金属ナノペースト中の分散剤や希釈剤等の有機材が蒸発し、金属ナノペースト中の金・銀・銅・アルミニウム等の電気抵抗率の小さな金属のナノ粒子が金属層に変化して下側金属部材と上側金属部材とを接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で金属ナノペーストを金属のナノ粒子の金属層に変化させて積層状の金属部材を接合することにより、工程の簡素化された音波接合方法を提供することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】発明を実施するための形態に係る音波接合装置を示す正面図。
【図２】発明を実施するための形態に係る音波接合方法を示す工程図。
【図３】特許文献１で開示された音波接合方法を示す工程図。
【図４】特許文献２で開示された音波接合方法を示す工程図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照し、発明を実施するための形態に係る音波接合装置１の構造について説明する。図１に示した発明を実施するための形態に係る音波接合装置１の装置躯体２には、作業空間部３が前方及び左右に開口した態様に設けられる。装置躯体２の作業空間部３よりも上部には、加圧機構４が設けられる。加圧機構４の出力部材５は、装置躯体２の上部から作業空間部３に配置される。出力部材５の作業空間部３に配置された下部は、加圧機構４の駆動によって、作業空間部３の内部を直線的に昇降する。出力部材５の作業空間部３に配置された下部には、支持具６が設けられる。
【００１２】
支持具６は前後及び下方に貫通する内部空間７の左右両側に支持部８を備えた構成である。支持具６には共振器９が設置される。共振器９は、一端から他端までの長さが振動子１２から伝達された音波振動の共振周波数の少なくとも１波長を有する直線的な棒状になっている。共振器９の長さ方向の両端部及び中央部には、最大振動振幅点が位置する。共振器９の長さ方向の中央部おける最大振動振幅点の位置する外面部には、接合ツール部１０が設けられる。共振器９の接合ツール部１０より長さ方向の両側に存在する最小振動振幅点に位置する外面部には、被支持部１１が設けられる。
【００１３】
共振器９の一端部には、振動子１２が取り付けられる。共振器９と振動子１２との間には、図示のされていないブースターを設けることも適用可能である。支持具６には共振器９の長さ方向が矢印Ｘで示した左右方向に向けられ、共振器９の被被支持部１１以外の部分が支持具６に接触しないように内部空間７に配置され、被被支持部１１が支持部８に支持されることにより、共振器９が支持具６に設置される。装置躯体２の作業空間部３よりも下部には、受台１３が設けられる。
【００１４】
音波接合装置１の動作について説明する。先ず、共振器９が支持具６に装着され、出力部材５が上昇位置に停止し、接合ツール部１０と受台１３とが接合対象部材１４の挿入可能な空間を残して上下方向で対向した状態になっている。その状態において、受台１３の上には、接合対象部材１４が搭載される。接合対象部材１４は、少なくとも下側金属部材１５と上側金属部材１６とが金属ナノペースト１７を介在させて重ね合わされた積層体になっている。次に、加圧機構４が駆動し、出力部材５が下降するのに伴って、共振器９及び振動子１２が下降する。
【００１５】
そして、例えば、接合対象部材１４が接合ツール部１０と受台１３とで挟まれて加圧され、振動子１２が音波振動を発生し、共振器９が振動子１２から伝達された１０乃至２０ＫＨｚの音波振動に共振し、接合ツール部１０が共振器９から伝達された振動に共振する。これによって、共振器９の最大振動振幅点における接合ツール部１０の矢印で示した横方向の振動が接合対象部材１４に伝達され、金属ナノペースト１７が上記加圧と上記横方向の振動による摩擦とを受け、金属ナノペースト１７中の分散剤や希釈剤等の有機材が蒸発し、金属ナノペースト１７中の金・銀・銅・アルミニウム等の電気抵抗率の小さな金属のナノ粒子が金属層１８に変化して下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合する。
【００１６】
このように、共振器９の音波振動で下側金属部材１５と上側金属部材１６とが金属層１８に変化した金属のナノ粒子で接合される工程では、金属層１８に変化した金属のナノ粒子の厚さが１乃至２μｍ程度の厚さの層状になるように、出力部材５の下降が停止し、その停止状態が０．１乃至１秒程度保持される。
【００１７】
その後、出力部材５が上昇し、接合ツール部１０が上側金属部材１６から離れ、接合対象部材１４が接合構造体となって受台１３の上に残される。この受台１３の上に残された接合構造体となった接合対象部材１４が受台１３から音波接合装置１の外部に取り出され、音波接合装置１による接合対象部材１４に対する１回の接合動作が終了する。
【００１８】
以上により、下側金属部材１５と上側金属部材１６と金属ナノペースト１７とからなる積層状の接合対象部材１４が共振器９と受台１３とで挟まれて加圧された状態において、共振器９が振動子１２から伝達された音波振動に共振し、金属ナノペースト１７が共振器９と受台１３とからの加圧と摩擦とを受け、金属ナノペースト１７中の分散剤や希釈剤等の有機材が蒸発し、金属ナノペースト１７中の金・銀・銅・アルミニウム等の電気抵抗率の小さな金属のナノ粒子が金属層１８に変化して下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合した状態になる。つまり、下側金属部材１５と上側金属部材１６とが金属ナノペースト１７中の金・銀・銅・アルミニウム等の電気抵抗率の小さな金属のナノ粒子が金属層１８に変化して接合された構成である。
【００１９】
図２を参照し、発明を実施するための形態に係る音波接合方法について、図２のＢ図に示したように、下側金属部材１５が回路基板１９に予め設けられた電気回路の電極部であり、上側金属部材１６が半導体装置２０に予め設けられた電極部である場合を例として説明する。半導体装置２０は、半導体チップ又は半導体素子等である。先ず、図２のＡ図に示したように、受台１３の上に回路基板１９が載せられる。受台１３の上に載せられる回路基板１９の下側金属部材１５としての電極部の上面には金属ナノペースト１７が付けられている。この金属ナノペースト１７が上に向くように、回路基板１９が受台１３の上に載せられる。
【００２０】
次に、図２のＢ図に示したように、金属ナノペースト１７の上に半導体装置２０の電極部としての下側金属部材１６が重ね合わされる。即ち、受台１３の上に載せられた接合対象部材１４は、下側金属部材１５と上側金属部材１６とが金属ナノペースト１７を介在させて重ね合わされた積層体になっている。
【００２１】
その後、図２のＣ図に示したように、接合対象部材１４が接合ツール部１０と受台１３とで挟まれて加圧され、共振器９が振動子１２から伝達された音波振動に共振し、接合ツール部１０が共振器９から伝達された振動に共振する。これによって、接合ツール部１０の矢印で示した横方向の振動が接合対象部材１４に伝達され、金属ナノペースト１７が上記加圧と上記振動による摩擦とを受け、金属ナノペースト１７中の分散剤や希釈剤等の有機材が蒸発し、金属ナノペースト１７中の金・銀・銅・アルミニウム等の電気抵抗率の小さな金属のナノ粒子が金属層１８に変化して下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合する。このように、共振器９の音波振動で接合対象部材１４の下側金属部材１５と上側金属部材１６とが金属層１８に変化した金属のナノ粒子で接合される工程では、金属層１８に変化した金属のナノ粒子の厚さが一定の厚さになるように、出力部材５の下降が停止し、その停止状態が予め設定された時間保持された後、振動子１２が音波振動の発振を停止する。
【００２２】
そして、接合ツール部１０が上側金属部材１６から離れ、接合対象部材１４が接合構造体となって受台１３の上に残される。この受台１３の上に残された接合対象部材１４が受台１３からに取り出され、音波接合による接合対象部材１４に対する１回の接合動作が終了する。
【００２３】
上記図１及び図２で示した音波接合方法を実験したところ、上記金属のナノ粒子からなる金属層１８の内部にはボイドが発生していないこと、上記金属のナノ粒子からなる金属層１８の厚みは数μｍであること、アルミニウム、銅、金、銀、ニッケルの接合が可能であること、接合時間は数秒の短時間であること、半導体装置２０への荷重も低くでき、その結果、半導体装置２０へのダメージの軽減や残留応力の発生も防げること、音波振動で金属ナノペースト１７の大気中での常温接合が数秒で可能になること等を確認できた。
【符号の説明】
【００２４】
１は音波接合装置、２は装置躯体、３は作業空間部、４は加圧機構、５は出力部材、６は支持具、７は内部空間、８は支持部、９は共振器、１０は接合ツール部、１１は被支持部、１２は振動子、１３は受台、１４は接合対象部材、１５は下側金属部材、１６は上側金属部材、１７は金属ナノペースト、１８は金属層、１９は回路基板、２０は半導体装置、２１乃至３０は欠番、３１回路基板、３２電極部、３２半導体装置、３３電極部、３４金属ナノペースト、３５金属膜、３６接合対象部材、３７受台、３８共振器、３９振動子、４０は欠番、４１は回路基板、４２は電極部、４３は半導体装置、４４は電極部、４５，４６は金属ナノペースト、４７は接合対象部材、４８は受台、４９は共振器、５０は振動子、５１は金属膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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