マイクロメートルサイズの酸化銀粒子を用いた
高温環境向け鉛フリー接合技術の開発
守 田 俊 章1) 保 田 雄 亮2)井 出 英 一2) 廣 瀬 明 夫.

は じめに自動車や産業機器に用いられる電子部品は，電流の高密度

.

酸化銀の還元温度

図に酸化銀粒子(平均粒径2～3 mm)に還元促進剤とし化に伴い，半導体素子の動作温度が高温になる傾向があるたて ミ リ ス チ ル ア ル コ ー ル ( C14H24OH  融 点 311 K ) を 10め，高温環境下での高い信頼性が要求されている．またシリmass 添加した粒子(以下，酸化銀接合材と記す)の TG ・コンカーバイト(SiC)などの新デバイスでは，高温に耐えるDTA 曲線を示す． 423 K 付近で DTA 曲線には発熱ピーク接合材料が望まれている．さらに，これまでの高温環境向けが観察でき，TG 曲線からは約 20 mass，重量減少してい接合材料は鉛を多く含んだ材料が使用されていたが，近年でた．図に図 1 の発熱ピーク前後の酸化銀接合材に対するは環境保全の観点から，有害な鉛を含まない RoHS 指令に対応した接合材料が望まれている．
こうしたニーズに対し，現在研究が進められている銀ナノ粒子接合法(1)(2)は，鉛フリーで，銀の融点よりも低い温度で接合が可能であり，接合後に銀の特長である高放熱・高耐熱性を持つため高温環境に適した接合技術として注目されている．しかし銀ナノ粒子は高価な材料で，かつ接合時に銀ナノ粒子を安定化する目的で用いられている保護膜を 300°C程度の加熱により除去する必要があるため，接合温度の低温化に限界があるなどの課題があった．
このような背景から，著者らは，酸化銀マイクロ粒子に還元促進剤を添加し，低温で加熱・還元する際に銀ナノ粒子が生成されることを利用した新たな接合技術を開発した(3)(4)．

図1

還元促進剤を添加した酸化銀粒子に対する TG 
DTA 試験結果．

本報告では，還元時における酸化銀粒子の状態変化，および相手電極との接合部界面構造の解析を行い，その接合機構を述べる．さらに本技術を用いたパワー半導体モジュールを試作して放熱性，信頼性を評価し，実用性を検討した．

株式会社日立製作所材料研究所 1)主任研究員 2)研究員
大阪大学教授大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻
Development of Lead Free Bonding Technique Corresponding
to High Temperature Environment Using Microscaled Silveroxide Particles; Toshiaki Morita, Yusuke Yasuda, Eiichi
Ide, Akio Hirose(Materials Research Laboratory, Hitachi
Ltd. Division of Materials and Manufacturing Science, OsakaUniversity)
2009年10月22日受理

図2

酸化銀接合材の X 線回折結果．
(a) 413 K 加熱後，(b) 453 K 加熱後

新技術・新製品

X 線回折結果を示す．413 K では酸化銀のピークのみが確認

元生成し，焼結した銀層は微細な欠陥が点在しているが，銀できるが， 453 K では酸化銀のピークが消失し， Ag のピー焼結層は数 100 nm 程度の粒で構成され，緻密に焼結していクのみが確認できた．この結果より，423 K の発熱ピークおた．前述した酸化銀の還元時における銀ナノ粒子化により，よび重量減少は酸化銀接合材の還元反応によると考えられ従来報告されている銀ナノ粒子接合と同様の効果が得られた

る．なお XRD 結果には Cu のピークが確認できるが，これと考えられる．

は下地素材からのものである．

図に，図 5 で観察した試料の金めっき膜と銀焼結層界面の高分解能 TEM 像を示す．図 6 から結晶方位が一致して.

酸化銀粒子の還元，および焼結挙動いることが判った．銀と金は共に面心立方構造であり，さらに格子定数の差が小さい(銀 0.4086 nm ，金 0.4079 nm )図(a)と(b)に図 1 の発熱ピーク温度前後の酸化銀接合材ことから，金めっき面の方位に合うように銀ナノ粒子がエピ表面状態を示す．発熱ピーク温度前の( a)413 K では粒子表タキシャル成長したと考えられ，良好な接合状態にあること面に顕著な変化は確認できないが，発熱ピーク温度後の(b)が確認できた．

453 K では，粒子表面に 10 nm 程度の粒状凹凸が多数あることが判った．これは酸化銀接合材の還元反応時に生成され.

放 熱 性 評 価た銀ナノ粒子であると考えられる．
酸化銀接合材を用いて半導体チップをダイボンドしたパワ

. 接 合 強 度 評 価ー半導体モジュールを作製し，熱抵抗を測定した．比較とし

図に接合温度に対する接合強度評価結果を示す．表面を評価に供した．なお，ダイボンド部の厚さは両サンプルともて，従来はんだ材(Pb 5Sn)を用いたモジュールも作製し，金めっきした接合試験サンプルを用意し，このサンプルを酸約 80 mm とした．

化銀接合材を用いて大気中で 2.5 MPa 加圧，2.5 分間所定温

図に温度サイクル( 233 K 30 分保持， 398 K 30 分保持)度で保持して接合した．比較のため，還元促進剤を加えない試験後の熱抵抗特性結果を示す．横軸は温度サイクル回数で酸化銀粒子単体も評価した．
還元促進剤を加えない酸化銀粒子では，接合温度を上げても接合強度は低いまま変化せず，接合できないことが判った．一方酸化銀接合材では， 523 K で約 17 MPa, 573 K 以上では平均 20 MPa の接合強度を示した．
図に接合温度 573 K 時の接合部断面 SEM 像を示す．還図5
図3

接合温度 573 K 時の Au めっきと，還元焼結後の銀層との接合部断面の SEM 像．

大気中加熱後の酸化銀接合材の状態変化．
(a) 413 K 加熱後，(b) 453 K 加熱後

図4

接合温度に対する接合強度．

ま て り あ 第49巻 第 1 号(2010)Materia Japan

図6Ag/Au 接合部界面の高分解能 TEM 像．

図7

温度サイクル回数に対する熱抵抗変化．

ある．初期の熱抵抗値を比較すると，従来モジュール( Pb 5Sn 接合)は約 0.15 K /W であり，酸化銀粒子接合モジュー

図8Ag/Al 接合部界面の高分解能 TEM 像．

ル は 約 0.12 K / W と 従 来 モ ジ ュ ー ル に 比 べ 約 20  向 上 した．これは，接合層が銀で構成された焼結層で SnPb 系に比べて熱伝導性に優れていたこと，および接合部界面は金属接接合技術の低コスト化だけでなく，接合可能な電極種の拡大合であることによると考えられる．また 1000 回までの温度によって接合技術の自由度が向上でき，これまで実現不可能サイクル回数に対する熱抵抗値は何れも上昇せず，両者は同であった実装技術への展開が図れると考えている．

等の信頼性を示した．なお，光交流法によって測定した熱伝さらに，接合雰囲気は大気の他，還元雰囲気(水素)も適用

導率は， Pb 5Sn はんだ材が約 40 W / mK ，酸化銀接合材をできることを確認しており，低コストな高放熱高耐熱 Pb フ用いて作製した焼結後の銀フィルムでは約 140 W/mK であリー接合技術として，LSI や発熱の大きいパワーデバイス系った．

半導体の実装に適用できると考えている．

.

まとめ

.

特許出願状況

本報告で紹介したマイクロメートルサイズ酸化銀粒子の還本 技 術 関 連 で 出 願 し た 特 許 は ， 特 開 2008 166086 ， 特 開元反応を利用した接合法は，液相を介さずに低温で接合でき2008089166 ，特開 2008178911，特開 2009267374をはじる技術であり，接合後の接合部は高い放熱性と耐熱性を持めとして約 30 件出願し，国内の他，アジア，欧州，北米をつ．さらに，接合材の作製や保管が容易なことから接合コス中心に手続きを行っている．ハイブリッド自動車や電車等のトも大幅に低減できる．

インバータ，携帯電話用 RFモジュール，ディスプレイのバまた添加する還元促進剤の種類によって，接合温度 473

ックライト，照明等を適用製品として考えている．

K，および半導体素子搭載には必須条件である無加圧接合ができる．さらに，アルミニウムやシリコンなど表面に酸化物

文

献を形成している材料についても酸化膜を除去せずに接合できる．その一例として，アルミニウムとの接合部界面の高分解能 TEM 像を図に示す．その接合構造は，酸化銀粒子から還元過程で生成し，焼結した銀が，アルミニウム表面に形成した酸化膜と接合した構造である．
このように，従来の錫や鉛を主体としたはんだ材では接合困難であった材料と接合できることは，半導体実装における( 1 ) Y. Akada, H. Tastumi, T. Yamaguchi, A. Hirose, T. Morita
and E. Ide: Mater. Trans., 49(2008), 15371545.
( 2 ) T. Morita, E. Ide, Y. Yasuda, A. Hirose and K. Kobayashi: Jpn.
J. Appl. Phys., 47(2008), 66156622.
( 3 ) T. Morita, Y. Yasuda, E. Ide, Y. Akada and A. Hirose: Mater.
Trans., 49(2008), 28752880.
( 4 ) T. Morita, Y. Yasuda, E. Ide and A. Hirose: Mater. Trans., 50(2009), 226228.

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