0.1秒で1000°C昇温できる
瞬間発熱素材の創製と応用
生

.

は じめ津資大に材料をナノサイズにするとバルクでは見られなかった新たな機能や現象を発現することが多くある．ナノ材料特有の現象は単に学術的に面白いだけでなく，新たな製品を創出するきっかけとなり得るため大変興味深い．著者らはこれまでスパッタリング成膜した軽金属と遷移金属のナノ多層膜が自己伝播発熱機能を示すことを見出し，その瞬間的な発熱特性を利用してシリコンウェハを 0.1秒未満に瞬間ハンダ接合する技術を開発してきた．この技術を使うと限られた領域のみを極短時間で接合できるため，例えば熱に弱い電子デバイスやMEMS ( Micro Electro Mechanical Systems ) デ バ イ ス の 封止実装に有用と期待できる．
ここでは，まず，マイクロデバイスの封止実装のためのハ

図1

自己伝播発熱多層膜と反応例．

ンダ接合応用を目指して開発してきた Al / Ni 自己伝播発熱
多層膜の成膜条件と発熱特性の関係を述べる．次に，これまで実施したハンダ接合応用研究の成果の一部と技術課題を紹介する．

.

自己伝播発熱多層膜

軽金属と遷移金属をナノの厚みで積層堆積させた金属多層膜に外部から極微小エネルギーを与えると，2 つの金属が化合物を作るのと同時に橙色の閃光を発しながら発熱する(図)．局所的な化合物生成反応で生じた熱が次の反応を引き起こすエネルギーとして使われるため，この発熱反応は多層膜内を 10 m/s 程度で高速自己伝播する特長を持つ(1)．図の示差走査熱量計測結果より，バイレイヤー厚 20～100 nm，総膜厚 20 mm の Al / Ni 多層膜はいずれも発熱反応を示して

図2

Al/Ni スパッタ多層膜の示差走査熱量計測結果例．

兵庫県立大学准教授工学研究科(〒6712201 姫路市書写2167)
Fabrication and Application of Selfpropagating Exothermic Materials Generating Heat of 1000°
C within 0.1 sec; Takahiro Namazu(Department of Mechanical and Systems Engineering, University of Hyogo, Himeji)
Keywords: selfpropagating exothermic reaction, Al/Ni multilayer film, sputtering, packaging, solder bonding, MEMS
2014年 7 月 3 日受理[doi:10.2320/materia.53.616]


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最近の研究

図3Al/Ni スパッタ多層膜における単位質量あたりの反応熱量のバイレイヤー厚依存性．

いることがわかる．発熱ピークの位置と数はバイレイヤー厚図4で異なっていた．バイレイヤー厚 100 nm の Al/Ni 多層膜で瞬間ハンダ接合を用いた MEMS 封止パッケージの模式図．

は 3 つ の 発 熱 ピ ー ク が 見 ら れ ， 温 度 が 低 い 方 か ら 524 K,590 K, 675 K でそれぞれ Ni2Al9, NiAl3, NiAl の金属間化合

トロニクスに一般的に用いられる樹脂封止等の実装技術をそ物が生成した．このグラフの横軸を時間に置き換え，発熱ピのまま適用できないことを意味し，MEMS デバイスをパッークの面積を算出すると単位質量当たりの反応熱量が得られケージと呼ばれる“箱”の中に収納する必要性が生じる．パる(図)．反応熱量は 2 種の金属の組み合わせ，バイレイヤ

ッケージは基板とキャップを何らかの方法で接合させたもの

ー厚，総膜厚等によって決定され，例えばスパッタ成膜したが一般的であり，その中にデバイス収納用の空間を有していバイレイヤー 100 nm ，総膜厚 40 mm の Al / Ni 多層膜(原子る．接合法には幾つかの方法があるが，比較的低温プロセス

比 1  1 )の場合，約 1200 J / g の熱量を発する．バイレイヤであるハンダ接合が用いられることが多い．ハンダ接合をーの縮小に伴って単位質量当たりの発熱量が減少する原因

MEMS 封止パッケージに用いる場合，ハンダを溶融させる

は，多層膜には Al 層と Ni 層の間にミキシング層と呼ばれために，図に示すようにデバイスを内部に収納した状態でる混合層の存在にある．ミキシング層の厚みは成膜装置と 2全体をオーブン加熱するか，ハンダ近傍にヒーター回路を設種の金属の組み合わせによって概ね決まる．この層は発熱反けてジュール熱で加熱する方法のいずれかが用いられる．ど応しないことから，バイレイヤー厚低下とともにミキシングちらの方法でもデバイスをパッケージ内部に収納した状態で層の割合が増えるため，図 3 のような傾向が得られる．ま比較的長時間加熱することとなり，異種材料の積層構造を多た， Al / Ni 多層膜(原子比 1  1 ，バイレイヤー 100 nm ，総く持つ MEMS に熱損傷が及ぶ可能性が高いことが懸念され膜厚 40 mm )を短冊状のカプトンテープ上に成膜し，一端にる．

電気刺激を与えて反応を誘起させ，他端への反応伝播時の温このような課題に対し，自己伝播発熱多層膜を熱源とした度を赤外線放射温度計で計測すると， 0.1秒で 1000°C近くまハンダ接合では，ハンダのみを局所的かつ瞬時に加熱できるで瞬間発熱する．最高温度到達の 1～2 秒後には室温に戻る

ため，パッケージ内部に収納したデバイスに与える熱損傷をため，この発熱素材を用いると熱を与えたい箇所のみを瞬時大幅に低減できる．加えてリフロー不要でアウトガスゼロのに加熱できる．この発熱反応は酸化還元反応ではないために省エネ・低エミッションプロセスであり，実用化されれば環反応雰囲気を選ばず，真空中，不活性ガス中，水中でも大気境面への好影響も期待できる．

中と同様に反応する．加えてアウトガスがないゼロエミッシ
ョン材料でもある．

.

MEMS 封止実装応用の利点.

体積収縮とクラックAl/Ni 多層膜を熱源としたハンダ接合 MEMS パッケージの作製を行うに際し，まず， 2 枚の Si チップの瞬間ハンダ
著者らは上述のような極めて特異な特長を持つ発熱多層膜接合を行った． Sn 3.5Ag ハンダを成膜した 2 枚の Si チッをハンダの溶融熱源として用い， MEMS デバイスの封止実プの片方に Al/Ni 多層膜(原子比 11，バイレイヤー厚 100

装のための瞬間ハンダ接合法を開発してきた．近年の半導体

nm，膜厚 30 mm)を成膜し，重ねた状態で上方から加圧して加工技術やボトムアップ加工技術の飛躍的進歩の恩恵を受け真空中で電気刺激を Al/Ni 多層膜に与えた(図)．その結果，て作られる MEMS は，機械的に動く“可動部”を持つことSi チップを瞬時にハンダ接合することに成功した．

がエレクトロニクスデバイスとの違いである．これはエレク

ま て り あ 第53巻 第12号(2014)
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作製した接合チップを X 線透過観察した結果，図のように反応開始点から放射状にクラック形成していた(2)．Al/し，この体積収縮がクラック発生の主要因と考えられる．

Ni 多層膜に外部刺激を与えると，化合物生成反応により結Al/Ni 多層膜の厚みの微妙な変化や膜内の欠陥，組成ムラ等晶構造が FCC から BCC に変化し，格子面間隔が約半分ににより，場所によって反応伝播速度が若干異なると考えられなる．これにより反応後の体積は反応前から約 12 減少る．伝播速度が速い部分は体積収縮を伴いながら反応が優先的に進むため，結果として反応伝播が遅い部分にクラックができたものと推測できる．この考えに基づくと，複数点から同時に反応を誘起した場合，反応同士が衝突するところに大きなクラックが形成されると予想できる．自作のマルチプローブ反応誘起システムで複数点同時反応させた結果，図のようにほぼ予想通りの箇所にクラックを導入することができた(2)．また，マイクロデバイス用封止パッケージを視野に入れ，キャビティを持つ Si チップに対して複数点同時反応を起こした結果，キャビティを持つチップでも同様に反応が衝突するところに大きなクラックができた(3)．これは反応開始位置と数を変えることでクラックの位置と向きを制御できる可能性があることを示唆しており，仮にダイシングライン上にのみ上手くクラックを導入できれば，ダイシング後のチップ接合部はクラックフリー化するものと期待できる．なお，クラックが生成されても瞬間的に溶融したハンダがその中に流れ込むため，接合部にはクラックに基づく空間が存在しないことを確認している．
しかし，半導体デバイスの接合では，クラックの存在自体が敬遠される．著者らは発熱反応後の NiAl 化合物内部のクラックフリー化を目指し，Al/Ni 多層膜の線幅，厚み，ハンダ膜厚を変化させて接合実験を行い，クラックの様子を観察

図5

図6

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

自己伝播発熱多層膜を用いた瞬間ハンダ接合の様子．

ハンダ接合した Si チップの透過観察写真例．

図7

クラック導入実験の一例．

最近の研究

図8

Al/Ni 上下のハンダ層の厚みと線幅を変えて接合した個所のクラック観察例．

した．Al/Ni 多層膜の膜厚はクラック形成と無関係であったが，図に例示するように，接合部線幅が細く，かつ，ハンダが厚いほど導入されたクラックの数は少ない傾向にあることがわかった．この理由は，線幅が細いほど約 12 の体積収縮で生じる変形量が小さくなり，ハンダが厚いほどその変形量をハンダ層が吸収しやすくなるために反応時の Al / Niの変形が容易になったためである．しかし，結果は省略する
が，ハンダ厚が 8 mm 以上では Al/Ni 層が体積収縮する際に面内方向だけでなく面外方向にも変形が容易になるため，接合後の NiAl 化合物層は面外方向に周期的に湾曲していた．
加えて NiAl 内部には反応時の変形のし易さによってもたらされたと思われるボイドが多数確認された．ハンダ層が厚くなるとクラックは抑制されるが NiAl の変形とボイドが見ら

図9

四点曲げ試験後の接合体の一例．

れるようになり，これらは接合部の機械信頼性を低下させることから避けなければならない．クラックやボイドができず，NiAl が変形しない最適条件を見出すことが重要である．

.

接 合強度

.

ウェハレベルパッケージ

MEMS 封止パッケージに適用することを想定し，デバイス収納部を想定したキャビティを複数含む 2 インチ Si ウェ
ハンダ接合を封止構造に使う場合，機械的強度と封止性のハの瞬間ハンダ接合を真空中で試みた．図に接合前後のウ確保は重要である．著者らは瞬間ハンダ接合した Si チップ

ェハ表面の写真を示す．この写真は格子状の光をウェハ表面の接合部をダイシングカットして中央に接合箇所を含む棒状に照射して撮影したものである．図より，接合前のウェハ表の試験片を準備し，様々な条件で四点曲げ試験を行って破壊面の格子状反射像は直線であり，ウェハ表面が平滑であるこ起点の特定と最適接合条件を調べた．結果，Al/Ni 多層膜がとを示している．一方，接合後のウェハ表面の反射像は曲線分厚く，ハンダと Si の間に Ni/Cr の下地膜を挟むと強度がであり，表面に凹凸があることを示唆している．つまり，減上昇する傾向にあった(4)(5)．このサンプルはハンダ内部の溶圧下で接合した封止パッケージを大気中で評価したため，キ融部と未溶融部の界面が破壊起点であった一方，下地膜がャビティ内外の圧力差でメンブレンにたわみが生じたことをNi のみのサンプルはハンダと Si との境界で破壊した．いず示している．これはキャビティ個々の封止が実現できている

れのサンプルも NiAl 化合物で壊れたものはなく(図)，反ことを表しており，近い将来，著者らが提案する MEMS 用応後の NiAl 化合物は機械強度に優れることを確認した．

封止構造体作製技術の実用化が実現可能と期待できる．

ま て り あ 第53巻 第12号(2014)
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まとめスパッタ成膜した Al / Ni 発熱多層膜を用いてハンダを局所的かつ瞬時に溶融させ， Si ウェハをハンダ接合する技術を構築した．接合部のクラックフリー化を実現するとともに接合強度ならびに封止性能が十分実用に耐えうることを実験的に確認した．近い将来，微小可動部を持つ MEMS デバイスの封止パッケージのためのハンダ接合法として実用化され，世界規模で省エネ・低エミッション化が進むことを期待する．

文献( 1 ) T. Namazu, H. Takemoto, H. Fujita, Y. Nagai and S. Inoue:Proceedings of IEEE MEMS 2006, Istanbul, (2006), 286289.
( 2 ) T. Namazu, K. Ohtani, K. Yoshiki and S. Inoue: Materials
Science Forum, 706709(2011), 19791983.
( 3 ) T. Namazu, K. Ohtani, K. Yoshiki and S. Inoue: Proceedings ofTransducers 2011, Beijing, (2011), 13681371.
( 4 ) K. Ohtani, Y. Yamano, T. Namazu and S. Inoue: Proceedingsof Transducers 2009, Denver, (2009), 172175.
( 5 ) T. Namazu and S. Inoue: Materials Science Forum, 638642(2010), 21422147.
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図 10

複数のダイヤフラム構造を含む 2 インチ Si ウェ
ハの瞬間ハンダ接合結果例．
生津資大

2002年 立命館大学大学院理工学研究科博士後期課程
総合理工学専攻 修了 博士(工学)2002年～2006年 兵庫県立大学大学院工学研究科機械系工学専攻機械知能工学部門 助手
2007年～現在 同上 准教授(現職)2010年～2013年 JST さきがけ研究者(兼任)2013 年～現在 京都大学学際融合教育研究推進センター講師(兼任)
専門分野ナノメカニクス，ナノ実験力学，機能性材料◎MEMS 技術を駆使したナノ材料の力学物性計測や薄膜材料の機械物性評価のための独自実験技術を開発している．最近では自己伝播発熱多層膜に関連する基礎材料研究と応用研究を進め，発熱機能を微粒子に付与する技術開発を行っている．

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最近の研究