JP2006043733A - Method for joining metals - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属部材同士を鑞材により接合する金属接合方法に関する。 The present invention relates to a metal joining method for joining metal members together with a brazing material.
図9及び図10は本発明の背景を説明する一例として引用した構造で、電極たる金属膜を貼り付けたセラミック板に半導体チップを鑞付けした状態を模式的に示したもので、図9はその平面図、図10は半導体チップとセラミック板との鑞付け部分にクラックが発生した様子を模式的に示す断面図であり、図9中のX-X線に沿って矢印の矢じり側から見た断面図である。 FIG. 9 and FIG. 10 are structures cited as an example for explaining the background of the present invention, and schematically show a state in which a semiconductor chip is brazed to a ceramic plate to which a metal film as an electrode is attached. FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a state where cracks are generated in the brazed portion between the semiconductor chip and the ceramic plate, and a cross section seen from the arrowhead side of the arrow along the line XX in FIG. FIG.
一般的に、電力用半導体チップ1の裏面には主電極としての金属膜2が形成されており、この金属膜2は、当該チップ1が配設されるセラミック板4の表面に形成された外部電極としての金属箔5に、電気的且つ物理的に接続される。この半導体チップ1裏面の金属膜2とセラミック板4上の金属箔5とを接合する技術として、例えば半田に代表されるような、濡れ性を有し比較的低融点の金属若しくはその合金から成る鑞材3が知られている(例えば、特許文献1参照)。
ところが、このような半導体チップ1とセラミック板4との接合部では、半導体チップ1、金属膜2、鑞材3、金属箔5、及び、セラミック板4の熱膨張係数がそれぞれ異なるので、先ず、鑞材3を金属膜2と金属箔5との間で溶融させた後に常温に戻した時点で鑞材3に応力が発生する。この応力は、半導体チップ1の周縁部、特に図9中の太線矢印で示す半導体チップ1の各角部に集中し、その結果として、当該応力集中箇所に図10に示すようなクラック(亀裂)が生じる場合がある。さらに、半導体チップ1が動作/停止を繰り返すと、その度に構造体全体の温度が上昇/降下するので、この温度サイクルに伴って前記応力集中箇所にさらに応力が反復印加され、既にクラックが発生している場合、これが徐々に進展し、延いては接続信頼性や電気的特性の低下を招来する。
However, since the thermal expansion coefficients of the
本発明は、鑞付けによって金属部材同士の接合部に発生する応力ならびに温度変化によって反復的に印加される応力に対し、接続信頼性及び電気的特性を維持することが可能な金属接合方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a metal joining method capable of maintaining connection reliability and electrical characteristics against stress generated in a joint between metal members by brazing and stress repeatedly applied by temperature change. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明によれば、第1の金属部材と第2の金属部材とを鑞材により接合する金属接合方法にあって、鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属粒体を前記鑞材に混入させて前記第1の金属部材と前記第2の金属部材とを接合する金属接合方法が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a metal joining method for joining a first metal member and a second metal member with a brazing material, wherein the liquid phase of the brazing material is changed to a brazing temperature. Provided is a metal joining method for joining the first metal member and the second metal member by mixing metal particles that do not substantially melt into the brazing material.
また、上記目的を達成するために、本発明によれば、第1の金属部材と第2の金属部材とを鑞材により接合する金属接合方法にあって、前記第1の金属部材又は前記第2の金属部材の少なくとも一方の表面に、鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属粒体を予め付着させておく金属接合方法が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a metal joining method for joining a first metal member and a second metal member with a brazing material, the first metal member or the first metal member. A metal joining method is provided in which metal particles that do not substantially melt in the liquid phase of the brazing material at the brazing temperature are attached in advance to at least one surface of the two metal members.
このようにすると、たとえ鑞にクラックが発生し、さらに温度サイクルが印加されたとしても、金属粒体の存在によってクラックが進展するのを防止することが出来るので、鑞付けによる金属部材同士の接合部における接続信頼性維持を図ることが可能となる。 In this way, even if a crack occurs in the heel and a temperature cycle is further applied, it is possible to prevent the crack from progressing due to the presence of the metal particles, so that joining of the metal members by brazing It is possible to maintain the connection reliability in the part.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は本発明の第1実施形態に係る金属接合方法によりセラミック板に半導体チップを接合した状態を模式的に示す断面図で、前記図10と同様の部位である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a semiconductor chip is bonded to a ceramic plate by a metal bonding method according to the first embodiment of the present invention, which is the same portion as FIG.
図中、半導体チップ1は、発熱量が大きな電力用半導体チップ等である。その底面には、当該チップ1の主電極の一つとして、ニッケル等の金属材料から構成される金属膜2が形成されている。因みに、この金属膜2は表面酸化を防ぐため、連続蒸着法により例えば金や銀等から成る金属製保護膜(不図示)により被覆されており、鑞付け時にはこの保護膜が鑞に溶出して金属膜2と鑞材3が良好に接続される。一方、セラミック板4の表面には、外部電極としての金属箔5が設けられている。この半導体チップ1の金属膜2とセラミック板4の金属箔5とを鑞付接合するための鑞材3は、例えばAg−Cu系合金から構成されている。勿論、他の鑞材やPb系半田でも発明の効果に変わりはない。
In the figure, a
本実施形態に係る金属接合方法においては、半導体チップ1の金属膜2とセラミック板4の金属箔5とを接合する際、金属粒体6aを予め混ぜ込んだ鑞材3を、半導体チップ1の金属膜2とセラミック板4の金属箔5との間に挟んでから当該接合部を所定の鑞付温度に加熱して鑞材3を溶融させ、その後に温度を降下させて接合を完成させる。なお、鑞材の初期形態は固体板状のものでも、或いは、ペースト状のものでも良い。
In the metal bonding method according to this embodiment, when bonding the
この金属粒体6aは、鑞材3より高融点を有する例えばニッケル等の金属材料により構成されており、鑞付温度において鑞材3の液相に実質的に溶融しないようになっている。なお、鑞材3の液相に金属粒体6aが実質的に溶融しないとは、鑞材3の液相に金属粒体6aが全く溶融しないことの他に、鑞材3の液相に金属粒体6aが容易に溶融し難いが若干溶融してしまうことをも許容する趣旨であり、これに該当する金属であれば同様の効果がある。
The
また、この金属粒体6aは、図1に示すように、鋭利な稜線若しくは角部を有する形状となっている。金属粒体6aをこのような形状とすることにより、鑞材3と金属粒体6aとの界面にクラックが進んだ際に、当該鋭利な稜線若しくは角部でクラックの進展を食い止め易くなっているので、鑞付けによる金属部材同士の接合部における接続信頼性の維持を図ることが可能となる。これに対し、表面が滑らかな、例えば球体形状の金属粒体6a’を用いると、図2に示すように、クラックが当該金属粒体6a’を回り込んでしまい進展を続け易くなる。
Further, as shown in FIG. 1, the
[第2実施形態]
図3は本発明の第2実施形態に係る金属接合方法を説明するための前記図1に対応した図であり、同一符号は第1実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 1 for explaining the metal joining method according to the second embodiment of the present invention, wherein the same reference numerals denote the same parts as those described in the first embodiment. .
本実施形態においては、鋭角な稜線若しくは角部を持った金属粒体6aの代わりに、形状は任意だが、鑞材3より柔らかい例えばアルミニウム等の金属材料で構成された金属粒体6bが混ぜ込まれており、印加された応力に対して鑞材3より塑性変形し易くなっている。特にアルミニウムは200℃を超えると容易に塑性変形するので金属粒体6bに特に好適な材料の一つである。このような性質の金属を金属粒体6bとして用いると、図3に示すように、クラックが進展した際に、金属粒体6bがクラックによって分割され当該金属粒体6b自体が歪み或いは破断することで応力を吸収するので、鑞材3からはクラックの先端が消失し、クラックの進展を食い止めることが可能となっている。
In the present embodiment, instead of the
[第3実施形態]
図4は本発明の第3実施形態に係る金属接合方法を説明するための前記図1に対応した図であり、同一符号は第1実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
[Third Embodiment]
FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 1 for explaining the metal joining method according to the third embodiment of the present invention, wherein the same reference numerals denote the same parts as those described in the first embodiment. .
本実施形態においては、金属粒体として、例えば銅やタングステン等の導電性に優れた金属材料から成る細かな金属粒子7を押し固めて作った多孔質塊で構成されている金属粒体6cを用いる。この金属粒子7を構成する銅やタングステン等の金属材料は、鑞材3より高融点を有することにより、鑞付温度において鑞材3の液相に実質的に溶融しないようになっている。
In the present embodiment, as the metal particles, for example,
このように金属粒体6cを、細かな金属粒子7から成る多孔質塊とすることにより、上述の第2実施形態のように金属粒体にアルミニウムのような柔らかい金属材料を用いなくても、金属粒体6c自体を鑞材3より容易に変形可能で、これによって鑞材3からはクラックの先端が消失し、クラックの進展を食い止めることが可能となっている。さらに、銅やタングステン等の導電性に優れた金属材料で金属粒体6cを構成することが出来るので、鑞材3の電気的特性を向上させることが可能となる。
Thus, by making the
[第4実施形態]
図5は本発明の第4実施形態に係る金属接合方法を説明するための前記図1に対応した図であり、同一符号は第1実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 1 for explaining the metal bonding method according to the fourth embodiment of the present invention, and the same reference numerals denote the same parts as those described in the first embodiment. .
本実施形態においては、金属粒体として、鑞材3より低融点の例えばSn−Pb系の半田等の金属材料で構成された本体部8を、鑞材3より高融点を有する例えばニッケル等の金属材料から構成された金属製コーティング層9で被覆した金属粒体6dを用いる。
In the present embodiment, as the metal particles, the
なお、金属粒体6dは、扁平形状又は板状形状とすることにより、金属粒体6dの溶融時の当該金属粒体6dの体積膨張により金属製コーティング層8が破裂するのを防止することが可能となっている。
The
このような構成により、温度融点が低い金属も使うことが可能となり、鑞材3は溶けないが本体部8が溶ける温度にまで上昇すると、クラックの先端が消失し、クラックの進展を食い止めることが可能となっている。
With such a configuration, it becomes possible to use a metal having a low temperature melting point, and when the temperature of the brazing
[第5実施形態]
図6は本発明の第5実施形態に係る金属接合方法を説明するための前記図9に対応した図であり、図9と同一符号は上述の図9で説明したものと同一のものを示している。図6中、6は前記6a〜6dの金属粒体の何れかを示す。勿論、これら金属粒体6a〜6dのうち、複数種のものを混合しても良い。破線は半導体チップ1が設置される位置を示している。
[Fifth Embodiment]
FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 9 for explaining the metal bonding method according to the fifth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 9 denote the same as those described in FIG. ing. In FIG. 6, 6 indicates any of the metal particles of 6a to 6d. Of course, you may mix multiple types of these
本実施形態においては、鑞材3に金属粒体6を予め混入するのではなく、接合しようとするセラミック板4の金属箔5に、上述したような金属粒体6を実質的に均一に予め付着させておき、それから鑞材3を用いて、2つの金属部材2、5を接合させる方法をとる。このような方法をとると、効果は上述した実施形態と同様であるが、予め鑞材に細工をする必要がなく工程が簡便となり、工数低減や生産性向上に寄与し、延いてはコストダウンを図ることが可能となる。
In the present embodiment, the
なお、半導体チップ1の金属膜2、又は、半導体チップ1の金属膜2及びセラミック板4の金属箔5の両方に金属粒体6bを予め付着させても良い。
The
[第6実施形態]
図7は本発明の第6実施形態に係る金属接合方法において金属粒体を付着させる領域を説明するための前記図6に対応した平面図であり、図6と同一符号は第5実施形態にて説明したものと同一のものを示している。破線は半導体チップ1が設置される位置を示している。
[Sixth Embodiment]
FIG. 7 is a plan view corresponding to FIG. 6 for explaining the region to which the metal particles are attached in the metal joining method according to the sixth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. This is the same as described above. A broken line indicates a position where the
これまで説明してきた接合方法では、金属粒体6a〜6dが鑞材3に予め混入されていたため、金属粒体6は接合面全体に分布していた。しかしながら、このようにすると、応力があまり印加されない接合部周縁以外の部分に存在する金属粒体6の存在が、物理的な接着強度や電気特性に影響を及ぼす場合もある。そこで、このような影響を排除するため、クラックが発生しそうな接合部周縁(特に角部)のみに予め付着させておく方法をとる。
In the joining method described so far, the
[第7実施形態]
図8は本発明の第7実施形態を説明するための前記図1に対応した図であり、同一符号は第1実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
[Seventh Embodiment]
FIG. 8 is a view corresponding to FIG. 1 for explaining the seventh embodiment of the present invention, and the same reference numerals denote the same parts as those described in the first embodiment.
本実施形態においては、鑞材として、鑞材金属を含有したペーストを用い、接合させたい2つの金属(例えば、図8においては金属膜2と金属箔5)の間にこの鑞材ペーストを介在させて、さらに当該ペーストが接合部から少しはみ出すように挟み込む。そして、加熱溶融させる前に、上述してきた金属粒体6を当該はみ出し部のペーストに向けて吹き付け、ペーストの粘着力のみで金属粒体6を付着させる。そして、ペーストを加熱して鑞材を溶融させると、はみ出し部に付着した金属粒体6が鑞材3内に包含される。冷却した後には、図8のように金属粒体6が、クラックの発生し易い接合部周縁のみに存在し、クラックを食い止める。この場合、接合部内には金属粒体6が存在しないので、接合強度や電気特性には全く影響せず、クラックを防止することが出来る。
In this embodiment, a paste containing brazing metal is used as the brazing material, and this brazing paste is interposed between two metals to be joined (for example, the
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating the understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
1…半導体チップ
2…金属膜(第1の金属部材)
3…鑞材
4…セラミック板
5…金属箔(第2の金属部材)
6a〜6d…金属粒体
7…金属粒子
8…本体部
9…金属製コーティング層
DESCRIPTION OF
3 ... Raw material 4 ...
6a to 6d ...
Claims (9)
鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属粒体を混入させた前記鑞材を用いて前記第1の金属部材と前記第2の金属部材とを接合する金属接合方法。 A metal joining method for joining a first metal member and a second metal member with a brazing material,
A metal joining method for joining the first metal member and the second metal member using the brazing material in which metal particles that are not substantially melted are mixed in the liquid phase of the brazing material at a brazing temperature.
前記第1の金属部材又は前記第2の金属部材の少なくとも一方の表面に、鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属粒体を予め付着させておく金属接合方法。 A metal joining method for joining a first metal member and a second metal member with a brazing material,
A metal joining method in which metal particles that do not substantially melt in the liquid phase of the brazing material at a brazing temperature are attached in advance to at least one surface of the first metal member or the second metal member.
前記鑞材より低融点を持つ本体部と、
鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属製コーティング層と、を有し、
前記本体部は、前記金属製コーティング層で被覆されている請求項1〜4の何れかに記載の金属接合方法。 The metal particles are
A main body having a lower melting point than that of the brazing material,
A metal coating layer that does not substantially melt into the liquid phase of the brazing material at a brazing temperature,
The metal bonding method according to claim 1, wherein the main body is covered with the metal coating layer.
The metal bonding method according to claim 8, wherein the metal particles have a flat shape or a plate shape.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Cited By (2)
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US20140239467A1 (en) * | 2013-02-22 | 2014-08-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Semiconductor device |
JP2015135956A (en) * | 2013-12-19 | 2015-07-27 | 株式会社デンソー | semiconductor device |
-
2004
- 2004-08-04 JP JP2004228366A patent/JP2006043733A/en active Pending
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