JP2007067058A - 電子部品の集合体の製造方法および電子部品の集合体 - Google Patents

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Abstract

【課題】 金属端子の接合を、長時間を要することなく大きな接合強度で実現できるようにする。
【解決手段】 第１の電子部品の金属端子２ａと第２の電子部品の金属端子２ｂを対向させ、対向する金属端子同士の間に金属端子の金属と同質の金属からなる金属超微粒子３を配置し、酸化皮膜を還元させた上で焼結させることで金属端子同士を接合させた接合部分を持つ電子部品の集合体を得る。好ましい例は、銅の金属端子同士を、銅あるいは銅合金から成る金属超微粒子により接合することである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、有機樹脂基板あるいはセラミックス基板に配線パターンを形成した印刷配線板、半導体装置、その他のチップ部品等の電子部品の金属端子を他の電子部品の金属端子に接合する場合、あるいはその電子部品の内部の金属端子同士を接合する場合に、金属超微粒子を焼結させることで接合する方法、および、その方法で金属端子同士を接合された印刷配線板や半導体装置などの電子部品に関する。
従来、半導体装置や印刷配線板などの電子部品を製造する際には、階層的に順次金属端子同士を電気的に接合する処理を繰り返す必要があった。例えばシリコン基板同士を、両者の金属端子同士を電気的に接合することで一体化したシリコン基板複合体を製造する。次に、そのシリコン基板複合体の金属端子をセラミックス基板上の金属端子に電気的に接合して一体化した半導体装置を製造する。続いて、その半導体装置の金属端子を、有機樹脂基板の金属端子に電気的に接合して一体にしたマルチチップモジュールを製造する。更に、そのマルチチップモジュールの金属端子を有機樹脂基板から成る印刷配線板の金属端子に電気的に接合し一体にしたパッケージ基板を製造する。
従来は、これらの製造工程の初めに接合する金属端子同士は高温はんだ合金で接合し、最後の製造工程で接合する金属端子同士は低温はんだ合金で接合し、その中間の製造工程で接合する金属端子同士は、中間的な温度の融点を有するはんだ合金で接合する。このようにすることで後の金属端子同士のはんだ接合処理により先に接合した金属端子同士の接合部の接合信頼性を損なわないようにしていた。
後の金属端子同士の接合の製造工程が先に接合した金属端子同士の接合を損なわないようにするための解決策は、焼結温度が低い金属超微粒子の焼結による金属接合で金属端子同士を接合することである。その焼結温度が低くても、焼結を終えた金属接合部分は、その金属の融点程度の高温までの耐熱性を有するようになるため、次の製造工程における金属端子同士の低い温度による接合処理で加熱する温度に十分耐えることができるようになるからである。このため、焼結温度が低い金属超微粒子の焼結による金属接合により、被接合物の金属端子同士を強固な金属接合で接合する技術が望まれていた。
ところで、金属超微粒子を利用して金属接合を行う技術として、以下のような例が知られている。
第１の従来例として、特許文献１には、アルコールと混合したアルミニウムあるいは銅の超微粉を金属板上に塗布し、その上からもう一方の金属材を加熱・加圧し、超微粉を焼結することで２つの金属材を接合させる技術が開示されている。
第２の従来例として、特許文献２には、超微粒子を２つの被接合材の間に設置し、不活性ガス雰囲気中あるいは真空中で、加熱・加圧し超微粒子を焼結させることで２つの被接合材を接合する技術が開示されている。
第３の従来例として、特許文献３には、第１の接続箇所と第２の接続箇所を接触させ、その接続箇所に金属超微粒子を吹き付け固着させることで第１の接続箇所と第２の接続箇所を電気的に接続させる技術が開示されている。
第４の従来例として、特許文献４には、２つの金属の被接合面を、Ａｒ原子をスパッタリングし、それにより金属面を清浄化するとともに金属超微粒子を生成し堆積させ、その被接合面同士を加圧することで２つの金属を接合する技術が開示されている。
第５の従来例として、特許文献５には、被接合物の金属端子にＮｉ層を設け、この上に有機溶媒に分散させたＡｇ又はＡuの金属超微粒子を塗布し、大気中で３００℃以上に加熱し、有機物の炭素を酸化して除去し、加熱してＡｇ層を形成した他の被接合物の金属端子と重ねることで、被接合物同士を金属超微粒子を介して接合する技術が開示されている。
第６の従来例として、特許文献６には、有機物で被覆された金属超微粒子を第１の被接合物と第２の被接合物の間に挟んで第１の被接合物と第２の被接合物を加圧し、２００℃程度の温度で金属超微粒子を被覆している有機物を蒸発させるとともに金属超微粒子を焼結させ、第１と第２の被接合物を金属接合する技術が開示されている。
第７の従来例として、特許文献７には、銀の金属超微粒子を用いることが開示されている。銀は大気圧中で２５℃における酸化物の生成に要する酸化の標準自由エネルギー（エリンガム図で示される）が酸素分子１モルあたり−３０ｋジュール程度であり、酸化されにくいため、銀の金属超微粒子は焼結させ易い。特許文献７に開示された技術では、平均粒径５ｎｍの銀の金属超微粒子を印刷配線板の金属端子上に配置し３００℃で３分加熱して、印刷配線板の金属端子を半導体パッケージのバンプと接合するようにしている。
また、第８の従来例として、特許文献８には、以下のような金属端子の接合方法が開示されている。第１の金属端子上に、平均粒径が１〜１０ｎｍの、金属塩を還元して形成したＡｇ，ＡｕまたはＰｂの金属超微粒子であって、周囲を有機性陰イオンの被覆層で被覆した複合金属超微粒子を金属粒子と混在させた金属ペーストを調整し、その金属ペーストにより高さ約２μｍの金属ペーストボールを形成する。続いて、その金属ペーストボール上に第２の金属端子を重ねて、２００〜２５０℃で３０分間の熱風炉により低温焼成を行うことで被覆層を離脱或いは分解して消滅させ、同時に金属超微粒子を溶融結合させることで、第１、第２の金属端子をその間の金属超微粒子により接合する。
特開昭５５−１５２１０９号公報 特開平４−１５８９９４号公報 特開平４−２５１９４５号公報 特開平６−９９３１７号公報 特開平８−２６４７６５号公報 特開２００１−２２５１８０号公報 特開２００４−１２８３５７号公報 特開２００１−１６８１４０号公報 「Sheldon K. Friedlander and Murray K. Wu, " Linear rate law for the decay of the excess surface area of a coalescing solid particle," Physical Review B49, pp. 3622-3624, 1994」
しかしながら、これら従来の技術には以下の欠点があった。
第１の従来例は、金属超微粒子をアルコールと混合するが、この作業を大気中で行う場合は、銅の金属超微粒子でも、室温でも１時間ほど大気中に曝すと厚さが０．５ｎｍ以上の酸化皮膜が形成され、それが後の焼結を妨げるようになる。この従来例では、銅の金属超微粒子を焼結させるために、真空中で２００℃程度の加熱と加圧の保持時間を１０分以上必要としていた。これは、銅の金属超微粒子の表面に酸化皮膜が存在するため、その酸化皮膜の成分の酸素を銅材料中に拡散させることで消滅させる時間が必要となることから、この時間を要したと考えられる。
第２の従来例では、銅の金属超微粒子を粉末のままで用い、加熱温度４００℃で加圧し３０分以上保持する必要があった。このように、銅の金属超微粒子ではその表面に酸化皮膜が形成され易いので、酸化皮膜が分解しその酸素が銅の母材に拡散する時間が銅の金属超微粒子の焼結に要する時間となることから、その時間だけ、銅の金属超微粒子を用いた金属同士の接合に時間を要するという問題があった。
第３の従来例は、金属超微粒子は、超微粒子生成室に配置された貯蔵部の金属を蒸発させることで酸化皮膜の無い金属超微粒子を形成する。そして、その金属超微粒子と搬送ガスとの混合気体を作り、その気体を搬送管で搬送し、その先端の直径約７０μｍの細いノズルから金属超微粒子と搬送ガスの混合気体を金属パッドとリード線の接合部に噴射させ金属超微粒子を堆積させることで金属超微粒子が焼結して成る金属塊を形成し、それにより金属パッドとリード線を接合していた。しかし、金属超微粒子の表面の活性が高いため、金属超微粒子がこれを噴出するノズルの開口部の内側に容易に付着し、付着した金属超微粒子に他の金属超微粒子が付着・焼結して堆積物を形成し、それがノズルの開口を塞ぎやすい。そのため、そのノズルを頻繁に交換しなければならないという欠点があった。
第４の従来例は、金属の被接合面を、Ａｒ原子をスパッタリングし、それにより金属面を清浄化するとともに金属超微粒子を生成し堆積させるが、その金属面に堆積する金属超微粒子の粒径を適切な径にコントロールすることが難しいという問題があった。すなわち、金属の被接合面に堆積された金属超微粒子は、その粒径が小さいと速やかに焼結し平坦な金属面に変化してしまい、平坦な金属面になると焼結の活性を失ってしまう問題があった。他方、粒径の大きい金属超微粒子が存在すると、その金属超微粒子は、その焼結に多くの時間を要し、その金属超微粒子の焼結時間に律速されることにより金属の被接合面同士を接合する時間に長時間を要するという問題があった。
第５の従来例および第７の従来例では、Ａｇを用いるため、銀はマイグレーションを生じ、銀を用いた接合部分とその近くの配線パターンとの間の絶縁性を悪くするという問題があった。
第６の従来例では、銅の金属超微粒子を脂肪酸錯体などの有機物で被覆した状態で第１の被接合物と第２の被接合物の間に挟んで、２００℃程度の温度に加熱することで金属超微粒子が焼結する際に、金属超微粒子の表面の一部に残留した脂肪酸錯体を、金属超微粒子の焼結構造内に閉じ込める。金属超微粒子の焼結構造内に閉じ込められた脂肪酸錯体は、焼結の進行に伴い炭化し、その炭素が金属超微粒子の焼結構造内に残留しそれ以上の焼結を妨げるため焼結構造の機械的強度を弱めるという問題があった。
第８の従来例は、被覆層を離脱或いは分解して消滅させる必要があるため、第１、第２の金属端子間に金属ペーストボールの表面を露出させ、そこに露出した金属ペーストボールの表面の露出した金属超微粒子の被覆層を離脱或いは分解して消滅させてその表面の金属超微粒子を焼結させることで２つの金属端子を接合していた。
しかし、第８の従来例では、金属超微粒子集合の閉じた空間内に金属超微粒子の被覆層が閉じ込められると、その被覆層の有機物の分解生成物の炭素の逃げ場が無く金属接合部に残留してしまうため、その炭素が金属超微粒子の集合の金属接合を弱くしてしまい金属超微粒子の集合の内部の金属接合が弱いという欠点があった。そのため、金属超微粒子の集合の体積に対する露出表面の面積を大きくする必要から、２つの金属端子間に金属ペーストボールを設置することで、その直径と高さをほぼ同じ大きさの形状にしていた。すなわち、その直径の高さに対する比が１０倍程度に大きい層状の金属超微粒子層を焼結させることによる緻密な金属層による金属端子同士の強固な金属接合が行えない欠点があった。
更に、第８の従来例では、２００〜２５０℃の温度で３０分間の熱風炉により焼成する必要があり、処理温度も高く、処理時間も長時間を要するという欠点があった。また、第８の従来例で用いられている鉛については、鉛の融点が３２７℃と低く、また、その平均粒径が１〜１０ｎｍと小さいために鉛の超微粒子の融点が２００℃以下になり、２００℃以上では溶融した鉛超微粒子の表面の酸化皮膜が裂け内部の鉛が露出して接合することで鉛超微粒子同士が金属接合すると考えられる。そのため、第８の従来例では、鉛以外の、融点が４００℃以上の金属で、酸化皮膜が形成され易い、酸化の標準自由エネルギーが酸素分子１モルあたり−１００ｋジュール以下の金属による超微粒子の場合は、その金属に形成される酸化皮膜が焼結を妨害するため、その金属超微粒子の焼結には、より高い温度とより長い時間を要する問題があった。
本発明の課題は、かかる従来の問題を解決することにあり、金属端子の接合を、長時間を要することなく大きな接合強度で実現できるようにすることにある。
本発明は、金属端子同士を、特に、酸化皮膜が形成され易い、酸化の標準自由エネルギーが酸素分子１モルあたり−１００ｋジュール以下で、融点が４００℃以上の金属からなる金属超微粒子を焼結させて金属結合する技術である。
すなわち、酸化皮膜が形成されている金属超微粒子を第１の金属端子上に配置し、次に、その酸化皮膜を還元して除去し純粋な金属超微粒子に関して理論的に予想されるまでの活性度で、金属超微粒子の焼結機能を発現させ、次に、第２の金属端子を、その金属超微粒子を間に挟んで第１の金属端子に重ね合わせ、金属超微粒子を焼結させることで第１の金属端子に第２の金属端子を金属接合させる技術である。
そのため、本発明では、第１の金属端子と第２の金属端子の間に、銅、鉄、ニッケル、コバルト、チタンなどの、融点が４００℃以上あり、特に、大気圧中で２５℃における酸化物の生成に要する酸化の標準自由エネルギー（エリンガム図で示される）が酸素分子１モルあたり−１００ｋジュール以下であって酸化皮膜が形成され易い金属からなる金属超微粒子を挟んで、第１の金属端子と第２の金属端子を、金属超微粒子を介して金属接合する。その金属超微粒子には、印刷配線板あるいは半導体装置のような電子部品の加工条件に合わせた適切な粒径のものを用いる。そして、先ず、その金属超微粒子を第１の金属端子に配置した後、金属超微粒子の酸化皮膜を、適切な温度と時間以内で還元させることで、第１の金属端子の表面に、その後に焼結する活性を残した金属超微粒子の層を形成する。次に、その金属超微粒子の層の表面に第２の金属端子を重ね合わせ、焼結を生じる適切な温度で金属超微粒子を焼結させることで、第１、第２の金属端子を金属超微粒子によって金属接合させるようにしている。
本発明によれば、第１の電子部品の第１の金属端子の表面に、粒子の直径が０．５ｎｍから７０ｎｍの金属超微粒子を分散した液体を吐出し、前記液体の媒体を蒸発させることで厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの１０倍以上の金属超微粒子層を形成するとともに、前記金属超微粒子層における前記金属超微粒子の表面の酸化皮膜を、還元性ガスにより、前記金属超微粒子の粒径により定まる焼結時間よりも短い時間で還元する第１の工程と、次に、前記金属超微粒子層を形成した前記第１の金属端子に対向させて第２の電子部品の第２の金属端子を接触させ加熱し加圧することで、前記第１の金属端子及び第２の金属端子同士を、その間の前記金属超微粒子を焼結させることで金属接合させる第２の工程とを有することを特徴とする電子部品の集合体の製造方法が提供される。
本発明によればまた、第１の電子部品の第１の金属端子と第２の電子部品の第２の金属端子を接合させた接合部分を有する電子部品の集合体であって、該接合部分が、対向する前記第１、第２の金属端子の間に粒子の直径が０．５ｎｍから７０ｎｍの金属超微粒子を焼結させて成る、厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの１０倍以上の金属層を有することを特徴とする電子部品の集合体が提供される。
本発明によれば更に、第１の電子部品の第１の金属端子と第２の電子部品の第２の金属端子を接合させた接合部分を有する電子部品の集合体であって、該接合部分が、対向する前記第１、第２の金属端子の間に、銅あるいは銅成分が５０原子％以上の銅合金からなる、粒子の直径が０．５ｎｍから７０ｎｍの金属超微粒子を焼結させて成る、厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの１０倍以上の金属層を有することを特徴とする電子部品の集合体が提供される。
本発明によれば、例えば銅について言えば、その金属超微粒子を分散液に分散させた状態で、第１の電子部品の第１の金属端子の表面に配置し、分散液を蒸発させることで銅の金属超微粒子層を形成し、その銅の金属超微粒子層の上に第２の電子部品の第２の金属端子を重ね、金属超微粒子を、銅の融点より低い温度で焼結することで、第１、第２の金属端子を銅の金属超微粒子に金属接合させるようにしたことにより、第１の金属端子と第２の金属端子を金属超微粒子に、短時間かつ低温度でしかも大きな接合強度で金属結合させることができる。
本発明によればまた、還元性ガス、例えば水素の大気圧水素プラズマあるいは水素原子を多量に含む還元性ガスにより金属超微粒子の表面の酸化皮膜をその焼結速度よりも速く還元させて除去し、次に、焼結の活性がある状態の金属超微粒子を焼結させるようにしたことにより、第１、第２の金属端子同士を強固に金属接合させることができる。
［本発明の原理］
本発明は、第１の金属端子上に金属、例えば銅の金属超微粒子（いわゆるナノ粒子）による、厚さ方向に直角な方向の直径がその厚さの１０倍以上ある金属超微粒子層を配置し、その金属超微粒子の表面の酸化皮膜を還元性気体の存在下で生起されたプラズマあるいは原子状水素の雰囲気により還元し酸化皮膜が除去された生の金属表面を露出させ、第１の金属端子上の金属超微粒子層に第２の金属端子を重ねて、第１、第２の金属端子をその金属超微粒子を焼結させることで直径が厚さの１０倍以上ある扁平な構造で緻密な金属層を形成することにより接合するという着想に基づいている。しかし、この場合、第１の金属端子上の金属超微粒子の粒径が小さいと、それは還元後に速やかに焼結し平坦な金属面に変化してしまい、平坦な金属面になると焼結の活性を失ってしまう。他方、粒径の大きい金属超微粒子が存在すると、その金属超微粒子は、その焼結に多くの時間を要し、その金属超微粒子の焼結時間に律速されることにより金属の被接合面同士を接合する時間に長時間を要する。このように、金属端子間に金属超微粒子を介在させることで金属接合させることは容易ではない。
上記の問題点に対し、本発明は、金属、例えば銅の金属超微粒子の焼結温度は、その金属超微粒子の粒径が小さくなるとともに低下し、また、その焼結温度は金属超微粒子の粒径が小さくなることにより低下する融点により十分低い温度になることを利用している。
本発明は、図１に示すように、特に、融点が４００℃で、大気圧中で２５℃における酸化物の生成に要する酸化の標準自由エネルギー（エリンガム図で示される）が酸素分子１モルあたり−１００ｋジュール以下であって酸化皮膜が形成され易い金属の金属超微粒子３による、厚さ方向に直角な方向の直径がその厚さの１０倍以上ある金属超微粒子層３ｂを、印刷配線板あるいは半導体装置などの電子部品の金属端子２ａと別の電子部品の金属端子（図示せず）との間に設置し、両者を接合する。この種の金属は、銅、鉄、ニッケル、コバルト、チタンなどが考えられる。また、標準自由エネルギーが−１００ｋジュールを越える銀や金の金属超微粒子３についても、薄い酸化皮膜の存在により生の金属に比べて焼結速度が低下しているが、その酸化皮膜を還元除去することで焼結の速度を速め、それらの金属超微粒子を電子部品の金属端子間に介在させた速やかな焼結によりその金属端子同士を接合することができる。これらの金属超微粒子３は、製造する電子部品の加工条件に合わせた焼結機能を有する適切な粒径のものを用いる。そして、先ず、その金属超微粒子３を、電子部品の金属端子（第１の金属端子）２ａに配置した後に、その酸化皮膜を焼結が進行しない適切な温度と時間以内で還元させることで、金属端子２ａの表面に焼結の活性を有する金属超微粒子３の層３ｂを形成する。ここで、金属超微粒子層３ｂのサイズを厚さ及び直径で表しているが、これは金属超微粒子層３ｂが扁平な円形に近い形状になり易いからである。そこで、仮に金属超微粒子層３ｂが矩形状になるような場合にはその幅のサイズが直径として表される。
次に、図２に示すように、金属超微粒子層３ｂを別の電子部品の金属端子（第２の金属端子）２ｂと重ね合わせて加圧し、焼結を生じる適切な温度と時間をかけて、２つの金属端子２ａ，２ｂ間の金属超微粒子３を焼結させることで２つの金属端子２ａ，２ｂを金属接合させる。
例えば、１気圧２５℃での酸化の標準自由エネルギーが酸素分子１モルあたり約−３００ｋジュールである銅の金属超微粒子３を用いる場合は、その金属超微粒子３の直径が２ｎｍから７０ｎｍのものを分散液３ａに分散させる。この分散液３ａ中の銅の金属超微粒子３には、その表面に厚さが１ｎｍ程度の酸化皮膜が形成される。その酸化皮膜が銅の金属超微粒子３同士の結合を妨げるので、個々の銅の金属超微粒子３が分散液３ａ中で焼結せず、独立して存在するよう良く分散される。
次に、その分散液３ａを、図１に参照番号８で示すディスペンサーやインクジェットプリンタ等により、第１の絶縁基板（樹脂シート）５−１上の銅の第１の金属端子２ａに吐出し、その分散液３ａを乾燥させ、厚さ方向に直角な方向の直径が１０μｍから１００μｍ程度で厚さが０．１μｍから１μｍ程度、すなわち直径が厚さの１０倍以上の銅の金属超微粒子層３ｂを形成する。
次に、銅の金属超微粒子３の表面を、水素、アンモニア、一酸化炭素等の還元性原料ガスを用いた大気圧プラズマの還元性ガス４に接触させる。還元性ガス４としては、この他に、還元性原料ガスを加熱した触媒体に接触させて、その表面での接触分解反応を利用して分解することで原子状水素を多量に生成し、その原子状水素を大気圧のアルゴンガスや窒素ガスに混入させて形成した還元性ガスを用いても良い。このように原子状水素を混入させた還元性ガスも、還元性の大気圧プラズマによる還元性ガス４と同じく還元力が強いので、以下の処理で用いることができる。これらの還元性ガス４により、金属超微粒子３の表面に付着した炭素成分を、メタンガスなどのガスに変えることで除去する。また、この還元性ガス４は、これと同時に、銅の金属超微粒子３の酸化皮膜を、酸化皮膜が除去された後の銅の金属超微粒子３の焼結速度よりも速い速度で還元することができる。また、この工程では、減圧環境においてアルゴンガスのスパッタ処理を行うことによっても、銅の金属超微粒子３の表面の炭素成分と酸化皮膜を同時に除去することができる。
最後に、図２に示すように、そのようにして焼結の活性を有する銅の金属超微粒子層３ｂ上に、第２の絶縁基板５−２上の１００℃から３００℃に加熱した第２の金属端子２ｂを重ねて加圧することで、第１の金属端子２ａと第２の金属端子２ｂの間の銅の金属超微粒子３を焼結させ、それにより第１の金属端子２ａと第２の金属端子２ｂを強固に金属接合させる。
ここで、金属超微粒子３の焼結速度は、金属超微粒子３の粒径と温度により定まり、その温度は、金属超微粒子３の融点よりも低い温度で焼結する。金属超微粒子３の焼結時間ｔは、非特許文献１に開示されている実験結果に良く合う以下の式（１）により計算できる。
ｔ＝(３kＢＴ＊Ｎ)／(６４πＥ＊Ｄ) （１）
式（１）において、Ｔは温度である。また、Ｎは焼結後の体積の金属超微粒子３の原子数で、銅の金属超微粒子３の場合は、Ｎ=(４π／３)Ｒ３／(０．０１１８ｎｍ３)（Ｒは焼結後の銅の金属超微粒子３の半径）である。ｔは経過時間である。Ｅは気体と接する表面自由エネルギーであり、銅の金属超微粒子３の場合は、１６７０erg/cm2である。ｋＢはボルツマン定数１．３８＊１０−２３ (J／deg)である。また、Ｄは拡散係数であり、以下の式（２）であらわされる。
Ｄ＝Ｄｏｅｘｐ(−Ｑ／(ｋＢ＊ＮＡ＊Ｔ)) （２）
但し、ＮＡはアボガドロ数６．０２＊１０２３ (／mol)である。
式（２）の拡散係数は、表面拡散係数あるいは粒界拡散係数が用いられる。銅の金属超微粒子３では、粒界拡散係数を用いるのが妥当と考えられ、その拡散係数は、振動数因子Ｄｏ＝０．１cm２／sec、粒界拡散の活性化エネルギーＱは１０５kJ／molである。
図３に、本発明者により式（１）を銅の金属超微粒子３に適用して計算した焼結時間ｔを、銅の金属超微粒子３の半径Ｒ毎に示す。但し、このＲは、焼結以前の複数の銅の金属超微粒子３が結合した結果の体積の半径と解し、焼結時間は、その体積の銅の金属超微粒子３の形成に要する時間と解することができる。そのため、この焼結を開始する元の銅の金属超微粒子３の半径はおおむねその半分程度と考え、図３に示すＲは、焼結する以前の銅の金属超微粒子３の直径にあたると考える。すなわち、直径ｄの金属超微粒子８つが焼結し直径２ｄの金属超微粒子が形成される時間が式（１）で計算される焼結時間ｔと考える。そこで、以下ではこのＲを金属超微粒子の直径d（焼結する以前の金属超微粒子の直径）と呼んで説明を行う。
図３から、温度Ｔが１００℃から３００℃の範囲では、元の銅の金属超微粒子３の直径dが１０ｎｍ程度の場合、２００℃では１秒程度で焼結するが１００℃では１０００倍の１０００秒かかり、温度により焼結時間に大きな開きがあることがわかる。また、同じ２００℃の温度でも、金属超微粒子３の直径が大きくなると、直径dが２０ｎｍでは７秒、d＝４０ｎｍでは５０秒、d＝７０ｎｍでは２８０秒かかるというように、直径ｄにより焼結時間に大きな開きがある。
このグラフから、銅の金属超微粒子３の焼結速度は、温度が２００℃と３００℃では１００倍の速度差があり、温度が１００℃と３００℃では１０万倍の速度差があることがわかる。このような温度による焼結の速度差を利用することで、比較的低温で、銅の金属超微粒子３の粒径とその温度により定まる焼結時間以内の時間で銅の金属超微粒子３の酸化皮膜を還元させる。そして、比較的高温に加熱することで、銅の金属超微粒子３の粒子径とその温度により定まる焼結時間以上の時間で焼結させる。この焼結の際の温度を上げることで速やかに焼結させることができる。
［第１の実施例］
本発明の第１の実施例として、多層の印刷配線板を製造する場合を説明する。第１の実施例では、表面に酸化皮膜が形成され易い銅の金属超微粒子を用い、図４に示す多層印刷配線板１を、以下の製造方法で製造する。
（１）先ず、直径２ｎｍから７０ｎｍの銅の金属超微粒子３を、エチルアルコールやトルエンなどの有機溶剤や水を主成分とする分散液中に分散させて保持した分散液３ａ（図１参照）を製造する。この銅の金属超微粒子３は、分散液３ａ中で厚さが１ｎｍ程度の酸化皮膜が形成された状態で存在する。その酸化皮膜が金属超微粒子３同士の焼結を妨げることで、分散液３ａ中で個々の金属超微粒子３が独立し良く分散された状態を保つことができる。
（２）次に、２０μｍから６０μｍ程度の厚さが１０ｍｍから６００ｍｍ程度のガラスエポキシやポリイミド樹脂などから成る樹脂シート５上に、銅めっきによる配線パターン６と、樹脂シート５の表裏に形成された直径が５０μｍから２００μｍで厚さが１０μｍから５０μｍ程度の銅めっきの金属端子２と、その表裏の金属端子２を接続するように、樹脂シート５を貫通する直径が５０μｍから２００μｍの孔に銅めっきで金属柱７を形成する。
（３）次に、樹脂シート５を塩酸で洗浄することで、金属端子２の表面の酸化膜を溶解し除去する。しかし、この銅の金属端子２の表面は、その塩酸中に溶解している酸素成分で酸化されるため、厚さが１ｎｍ程度の薄い酸化皮膜が残る。
（４）次に、複数の樹脂シート５を、水素を含む大気圧プラズマあるいは原子状水素混入ガスなどの還元性ガス４（図１参照）に曝すことで、その樹脂シート５の金属端子２表面の有機物を還元し除去するとともに、金属端子２表面の１ｎｍ程度の薄い酸化皮膜を還元する。
（５）次に、還元性ガス４の雰囲気中で、各樹脂シート５を赤外線ランプなどで約１００℃に加熱し、樹脂シート５の金属端子２上に、銅の金属超微粒子３を分散させた分散液３ａをディスペンサーあるいはインクジェット装置などの吐出装置８（図１参照）により吐出させ、吐出された分散液３ａを速やかに蒸発させ乾燥させる。そして、露出した銅の金属超微粒子３表面の酸化皮膜を還元性ガス４により還元させる。こうして、各樹脂シート５の直径が５０μｍから２００μｍの金属端子２上に、分散剤を含まない銅の金属超微粒子３のみによる厚さが２００ｎｍ以下の層状の銅の金属超微粒子層３ｂを形成する。
ここで、還元性ガス４の雰囲気中での、銅の金属超微粒子３の還元時間は、図３に従って、銅の金属超微粒子３の焼結以前の直径dにより定まる焼結時間以内の時間で還元処理をする。すなわち、樹脂シートを１００℃に加熱し、直径ｄが２ｎｍの場合は１秒以内で還元し、直径ｄが１０ｎｍでは１００秒以内、直径ｄが７０ｎｍでは２００００秒以内で還元する。あるいは、その直径dが２ｎｍの場合は、樹脂シート５を約１００℃に加熱し、その還元時間は約１秒以内で済ます。直径dが１０ｎｍの場合は、樹脂シート５を１５０℃に加熱し、その還元時間は約１０秒以内で済ます。直径dが７０ｎｍの場合は、樹脂シート５を２２０℃に加熱し、その還元時間は約１０秒以内で済ます。
樹脂シート５の金属端子２上において銅の金属超微粒子３の所定の還元時間を過ぎた後には、その樹脂シート５を室温以下に冷却された金属定板などに接するなどの冷却手段で冷却させる。これにより、銅の金属超微粒子３の焼結速度を低下させることができる。
また、この処理は、図１に示すように、銅の金属超微粒子３の直径dにより定まる焼結時間以内の時間で、数度繰り返すことで、数度に分けて銅の金属超微粒子３層を重ね、厚さが約０．５μｍから５μｍの銅の金属超微粒子層３ｂを形成しても良い。
（６）次に、還元性ガス４の雰囲気中で、あるいは、大気圧の水素ガス雰囲気中、窒素ガス中、あるいは真空中で、図４に示すように、各樹脂シート５を、銅の金属超微粒子３を配置した金属端子２同士を対向させて押し当てる。また、隣り合う樹脂シート５間にはプリプレグ９を挿入して積層し、約１７０℃に加熱し加圧しつつ３０分から１時間程度保持することで、プリプレグ９の樹脂成分を溶融させ、樹脂シート５同士をプリプレグ９で接着する。その積層工程において、同時に、隣り合う樹脂シート５の金属端子２同士を、その間の銅の金属超微粒子３を焼結させることで金属接合させる。樹脂シート５同士の積層温度１７０℃における、銅の金属超微粒子３の焼結時間は、銅の金属超微粒子３の直径により定まる焼結時間以上の時間をかけることで焼結させることができる。すなわち、その直径が２ｎｍの場合の焼結時間は１００分の１秒以上であり、直径が１０ｎｍの場合の焼結時間は１０秒以上であり、直径が７０ｎｍの場合の焼結時間は約１０００秒（２０分）以上である。
ここで、樹脂シート５をプリプレグ９により積層する温度と加工時間で、銅の金属超微粒子３が十分良く焼結するために、銅の金属超微粒子３の直径は７０ｎｍ以下であることが望ましい。他方、銅の金属超微粒子３の直径が２ｎｍ未満になると、その融点が３００℃以下になって溶融し易くなり、焼結速度が極めて速くなり、焼結を停止させる取り扱いが困難になるため、銅の金属超微粒子３の直径は２ｎｍ以上であることが望ましい。以上から、銅の金属超微粒子３の直径は２ｎｍから７０ｎｍまでの範囲が望ましい。
このようにして、対向し合う直径が５０μｍから２００μｍの金属端子２同士を銅の金属超微粒子３が焼結した厚さ５μｍ以下の金属層で、その直径が５０μｍ以上あり、結局、その直径が厚さの１０倍以上ある金属層を介して金属接合させることで、各層の配線パターン６が多層に電気接続する配線構造を有する多層印刷配線板１を得ることができる。
ここで、本実施例の金属端子２は、厚さが１０μｍ程度の銅めっきの金属端子のパターンの上に、銅の金属超微粒子を厚さ１０μｍまで設置し焼結することで形成しても良い。その場合は、２００℃に加熱した金属端子のパターンの上に粒径が２ｎｍの銅の金属超微粒子３の分散液をインクジェット装置などの高速吐出装置により１００分の１秒で吐出する。分散液が２００℃の金属端子に着弾して蒸発し、その金属超微粒子３の表面の酸化皮膜が還元されると、この粒径では、約１００分の１秒で焼結する。そのため、５０分の１秒間隔で金属端子のパターン上に重ねて分散液を吐出させ、銅の金属超微粒子３の層を焼結させた金属層の厚さを増すことで１０μｍの厚さまでに金属層を重ねた銅の金属端子２を形成し、それを用いることもできる。
また、本実施例では金属超微粒子３の金属として銅を用いたが、銅を主成分とするベリリウムやマンガンや金や亜鉛や錫などの金属との合金、あるいは、銅を主成分とするガリウムやシリコンやゲルマニウなどとの合金等の、融点を銅の融点より低くした銅の合金の金属超微粒子３を用いることもできる。
［第１の実施例の効果］
本実施例は、従来、層間の配線接続をビアホールに銅めっきを形成することで得ていた多層印刷配線板を、その銅めっき工程を用いずに、銅の金属超微粒子３を用いることで、銅の配線パターン６と銅めっきによる金属柱７と金属端子２を形成した樹脂シート５を重ね合わせ、対向し合う金属端子２同士を銅の金属超微粒子３を用いて接合した。すなわち、本実施例は、銅の金属超微粒子３がその融点よりも十分低い温度で焼結する現象を利用し、印刷配線板の樹脂シート５を積層する条件において、各樹脂シート５に形成した金属端子２同士を、その間に挟み込んだ銅の金属超微粒子３を焼結させて金属接合することで、多層印刷配線板１の各層の配線パターン６が電気接続された多層の電気配線構造を有する多層印刷配線板１を短時間に得ることができる効果がある。これにより、印刷配線板１の製造コストを低減できる効果がある。ここで、従来、この種の効果を有する印刷配線板としては、銀ペーストを利用して樹脂シートの配線パターンの層間を電気接続した印刷配線板が知られていた。これに対し、本実施例は、従来の印刷配線板の銀ペーストを銅の金属超微粒子３による層に置き換えて製造することで、従来の銀ペーストを用いた電気接続では信頼性が低かった問題を解決している。また、印刷配線板が湿度環境に曝される場合に、それに用いられている銀ペーストの銀がマイグレーションすることにより、その配線間がショートする故障が生じ、信頼性が低いという問題を解決している。本実施例は、これにより、多層印刷配線板１の信頼性を向上させ、車載向けなどの高い安全性を求める情報家電にもこの多層印刷配線板１を使えるようにした産業上の効果がある。
［第２の実施例］
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、金属超微粒子３として、適切な粒径の銅あるいは銅合金の金属超微粒子３と、それより粒径が小さいが焼結時間が同じ程度である他の金属あるいは合金の金属超微粒子３’（図６に示す）を混在させて用いる点にある。それら異なる種類の金属超微粒子を分散液３ａに分散させ、図１、図２で説明したように、その分散液３ａを第１の金属端子２ａに吐出させ蒸発させることで、異種の金属あるいは合金から構成される金属超微粒子層３ｂを形成する。次に、還元性ガスによって有機物および酸化皮膜を還元、除去した後、第１の金属端子２ａに第２の金属端子２ｂを重ね合わせ、金属超微粒子層３ｂを焼結させることにより第１の金属端子２ａと第２の金属端子２ｂを金属接合させる。
これにより、金属超微粒子層３ｂが焼結して得られた金属層の密度が高くなり、より強固な金属接合が得られる効果がある。
以下、第２の実施例における金属超微粒子の構成について詳しく説明する。
第１の金属超微粒子３として、第１の実施例と同様な粒子径の銅の金属超微粒子を用いる。そして、第２の金属超微粒子として、チタンの金属超微粒子を用いる。チタンは銅よりも更に酸化され易い金属であるが、酸素の固容量が大きいため酸化皮膜の酸素がチタン中に拡散して消滅し易い。このため、銅の金属超微粒子３同士の接合面に酸化皮膜が少し残っている場合も、その酸化皮膜の酸素をチタン母材中に拡散することで酸化皮膜を消滅させ、金属超微粒子の焼結を助ける。チタンの焼結速度も、式（１）と式（２）で計算する。その計算のパラメータは、チタンの金属超微粒子の場合は、Ｎ＝(４π／３)ｄ３／(０．０１７５ｎｍ３)であり、気体と接する表面自由エネルギーＥは１６５０erg/cm２である。また、チタンの粒界拡散係数は詳しいデータが無かったが、銅の場合と同様に、体積拡散係数の半分程度であると考えられ、その拡散係数の振動数因子Ｄｏは、１．４cm２／sec、粒界拡散の活性化エネルギーＱは、１５０kJ／mol程度と考えられる。このパラメータで計算したチタンの焼結時間、焼結温度と粒径の関係を図５のグラフに示す。
図５のグラフから、チタンの金属超微粒子の焼結速度は、プリプレグ９（図４）を積層すると同時に金属超微粒子を焼結させる温度の１７０℃においては、粒子の直径dが１０ｎｍの銅の金属超微粒子３の焼結速度と、粒子の直径dが０．５ｎｍのチタンの金属超微粒子の焼結速度が同じである。同様に、２０ｎｍの銅の金属超微粒子３と１ｎｍのチタンの金属超微粒子の焼結速度が同じである。結局、銅の金属超微粒子３と、その２０分の１の直径のチタンの金属超微粒子の焼結速度が同等である。このため、図６に示すように、直径が１０ｎｍの銅の第１の金属超微粒子３と、その直径の約４分の１の直径のチタンの第２の金属超微粒子３’を、それぞれ同じ数づつ混ぜ合わせることで、銅の金属超微粒子３が最密の面心立方格子状に充填された隙間に、ちょうど収納される直径のチタンの金属超微粒子３‘を混ぜ合わせるようにする。あるいは、直径が１０ｎｍの銅の金属超微粒子３の直径の２０分の１の０．５ｎｍの直径のチタンの金属超微粒子３’は焼結温度も銅の金属超微粒子３と同じ程度であるが、それを、銅の超微粒子３の体積に対して、０．２６倍から０．５倍の体積の分量を混合する。この金属超微粒子の分散液３ａを吐出させることで金属超微粒子層３ｂを形成し、第１の金属端子２ａと第２の金属端子２ｂの間で焼結させることで、第１、第２の金属端子２ａ、２ｂを金属接合する。特に、銅の金属超微粒子３の２０分の１で焼結温度も同じ程度のチタンの金属超微粒子３’を、銅の超微粒子３の体積に対して、０．２６倍の体積量で混合する場合は、金属超微粒子層３ｂの焼結前の充填率を、銅の金属超微粒子のみの場合では７４％の充填率であったのを９３％にまで高められることで、焼結で得られる金属層が緻密に形成できる効果がある。
なお、本実施例は、銅の金属超微粒子３とチタンの金属超微粒子３’を混ぜ合わせた金属超微粒子層３ｂにより２つの金属端子同士を接合する場合を示したが、同様に、１７０℃において焼結速度が同等で大きさの異なる銅合金の金属超微粒子と銅の金属超微粒子３とを混ぜ合わせた金属超微粒子層３ｂにより２つの金属端子同士を接合することも可能である。
本実施例の他の変形例として、直径が２０ｎｍ程度の銅の金属超微粒子３と、その直径が２０倍の０．４μｍから１μｍ程度の銅の金属微粒子とを混合した金属超微粒子層３ｂを第１の金属端子２ａに設置して用いても良い。すなわち、その銅粒子の体積に対して０．２６倍から０．５倍の銅の金属超微粒子３を混合した金属粒子混合体を、分散液中３ａで良く撹拌し、その分散液３ａを第１の金属端子２ａに吐出し、分散液３ａを速やかに乾燥させ、また、金属超微粒子３の酸化皮膜を還元性ガス４で還元させることで、０．４μｍから１μｍの厚さの金属粒子と金属超微粒子３が混合された金属超微粒子層３ｂを形成する。その後に、その金属超微粒子層３ｂの上に加熱した第２の金属端子２ｂを押し当てることで金属超微粒子層３ｂを焼結させ、両金属端子２を金属接合させることができる。また、この金属超微粒子層３ｂの他の形成方法としては、先ず、金属端子２ａ上に金属超微粒子３のみの分散液３ａを吐出し金属超微粒子層３ｂを形成し、次に、その層の上に、別に用意した分散液３ａに分散した０．４μｍから１μｍの直径の金属微粒子を、単層で設置されるように分散液３ａを先に形成した金属超微粒子層３ｂ上に吐出し乾燥させ、また、還元性ガス４で還元して金属微粒子を設置し、その次に、その金属微粒子の単層を覆うように、金属超微粒子３の分散液３ａを吐出することで金属超微粒子層３ｂを形成しても良い。なお、この、異なる直径の金属微粒子を混合した金属超微粒子層３ｂを焼結して得た金属層には有機物が混入しないので、従来の金属ペーストにより形成された金属層とは異なり、その金属接合の強度が強い効果がある。
［第２の実施例の効果］
大きさが４倍から２０倍程度異なる第１の金属超微粒子あるいは金属微粒子と、第２の金属超微粒子を混ぜ合わせた金属超微粒子層３ｂにより、直径が大きい方の金属超微粒子あるいは金属微粒子が最密に設置された隙間にちょうど収納される直径の小さな金属超微粒子が設置され、充填率が高められ焼結粒子間の隙間を小さくした金属超微粒子層３ｂが得られ、これを焼結すると容易に緻密な金属層が得られる効果がある。この金属超微粒子層３ｂにより第１の金属端子２ａと第２の金属端子２ｂを金属接合させることで金属超微粒子層３ｂを焼結して得た金属層を緻密な構造に形成でき、その金属接合の強度を高めることができる。
［第３の実施例］
第３の実施例は、図７に示すように、表面が酸化され易い銅やニッケルなどの金属端子２を形成した複数の半導体チップ１２を製造し、隣接する半導体チップ１２が縦横の長さが１０μｍ□程度、すなわち、直径が１０μｍ程度の銅の金属端子２同士をそれと同じ材質の銅の金属超微粒子３を焼結させて得た厚さが１μｍ以下の金属層により接合することで複数の半導体チップ１２をマルチチップ型に構成した半導体装置１３である。
ここで、半導体チップ１２は、厚さが５０μｍから１００μｍ程度のシリコンからなる半導体基板１４を含んでいる。半導体基板１４の一方の表面（以下、「表面」と言う）には、複数の電極を有する機能素子（デバイス）１５が形成されている。機能素子１５の側方には、半導体基板１４をその厚さ方向に貫通する孔に銅の金属柱７が形成されている。半導体基板１４と金属柱７の間の孔の壁面には酸化シリコンからなる絶縁膜１６が形成されている。また、半導体基板１４の表面には、酸化シリコンから成り、開口１７を有するハードマスク１８が形成されている。半導体基板１４を垂直に見下ろす平面視において、開口１７内には機能素子１５の電極が存在しており、開口１７内の電極と金属柱７は連続した銅の配線パターン６で電気接続されている。絶縁膜１６上、開口１７内、および、開口１７と金属柱７の間のハードマスク１８上を含む所定の領域には、タンタルナイライド（ＴａＮ）やチタンナイライド（ＴｉＮ）からなる連続した拡散防止膜（図示せず）が形成されている。
半導体基板１４の反対面（以下[裏面]と言う。）には、金属柱７と一体で、裏面から突出した銅の金属端子２が形成されている。
以下、本発明の第３の実施例である半導体装置１３の製造方法を説明する。
（１）先ず、第１の実施例と同様に、直径２ｎｍから７０ｎｍの銅の金属超微粒子３を分散させて保持した分散液３ａを製造する。以下では、直径５ｎｍの銅の金属超微粒子３の場合について説明する。また、この分散液３ａは、直径５ｎｍの銅の金属超微粒子の重量２６から５０に対して、直径１００ｎｍの銅の超微粒子の重量を１００で混合した分散液を用いても良い。この場合は、第２の実施例と同様に、直径１００ｎｍの銅の金属超微粒子３の焼結は遅いが、それを直径５ｎｍの銅の金属超微粒子３が速やかに焼結することで接合するため、これにより、緻密な金属接合をすることができる。
（２）次に、半導体チップ１２の裏面の銅の金属端子２を塩酸で洗浄することで、金属端子２の表面の酸化膜を溶解し除去する。しかし、この銅の金属端子２の表面は、その塩酸中に溶解している酸素成分で酸化されるため、厚さが１ｎｍ程度の薄い酸化皮膜が残る。
（３）次に、この半導体チップ１２を、還元性ガス４に曝すことで、半導体チップ１２裏面における金属端子２表面の有機物を還元し除去するとともに、その金属端子２表面の１ｎｍ程度の薄い酸化皮膜を還元する。ここで、この還元性ガス４は、大気圧で無くとも、例えば１００Ｐａ程度に減圧した雰囲気中で、原子状水素を生成して成る還元性ガス４を用いることができる。
（４）次に、還元性ガス４の雰囲気中で、半導体チップ１２を約１００℃に加熱し、半導体チップ１２の裏面の金属端子２上に、銅の金属超微粒子３を分散させた分散液３ａをディスペンサーあるいはインクジェット装置などの吐出装置８により吐出させ、吐出された分散液３ａを速やかに蒸発させ乾燥させる。そして、露出した銅の金属超微粒子３表面の酸化皮膜を還元性ガス４により還元させる。こうして、半導体チップ１２の裏面の直径１０μｍの金属端子２上に、分散剤を含まない銅の金属超微粒子３のみによる、厚さが１μｍ以下の２００ｎｍ程度で、厚さに直角な方向の直径が２μｍ以上の、すなわち厚さの１０倍以上の銅の金属超微粒子層３ｂを形成する。銅の金属超微粒子３の直径は５ｎｍ程度とする。ここで、還元性ガス４の雰囲気中での、銅の金属超微粒子３の還元時間は、１０秒以内に還元する。
（５）次に、図７に示すように、還元性ガス４の雰囲気中で、あるいは、大気圧の水素ガス雰囲気中、窒素ガス中、あるいは真空中で、各半導体チップ１２を、その銅の金属超微粒子３の還元後に数十秒以内の時間で重ね合わせ、半導体チップ１２裏面の、銅の金属超微粒子３を形成した金属端子２を、下側の半導体チップ１２の表面の銅の金属端子２に押し当て、約１７０℃に加熱し加圧しつつ１秒以上保持する。これにより、隣り合う半導体チップ１２の銅の金属端子２同士を、その間の銅の金属超微粒子３を焼結させることで金属接合させる。１７０℃、その他の温度における、その他の直径の銅の金属超微粒子３の焼結時間は、第１の実施例と同様に、銅の金属超微粒子３の直径により定まる焼結時間以上の時間をかけることで焼結させることができる。
また、最下層の半導体チップ１２は、有機樹脂基板あるいはセラミックス基板のインタポーザ２０の表面に重ね、その表面の銅の金属端子２に、最下層の半導体チップ１２裏面の銅の金属超微粒子層３ｂを焼結させることで、半導体チップ１２の金属端子２とインタポーザ２０の金属端子２１を金属接合させる。インタポーザ２０の裏面にははんだボール２２を設置する。
このようにして、複数の半導体チップ１２が銅の金属端子２同士を銅の金属超微粒子３の層を介して金属接合することで、複数の半導体チップ１２が多層に重ねられた配線構造を有する半導体装置１３を得る。
なお、本実施例で、銅の金属超微粒子３のかわりに、銅を主体とする、例えば銅原子を５０原子％以上含む銅合金の金属超微粒子３を用いても良い。ここで、銅を５０原子％以上含む銅合金の融点は、ほとんど全て融点が５００℃以上ある。例えば、ＰとＣｕの合金では、Ｐが２５原子％以下の場合に、その沸点より低い温度で溶融する固体になり、そこで、Ｐが約１６原子％のＣｕ−Ｐ共晶合金の融点は約７２０℃ある。Ａｌ−Ｃｕ合金では、Ａｌの原子％が約８３％のＣｕ−Ａｌ共晶合金でも、その融点が５４８℃であり、Ｃｕ−Ｓｂ合金では、Ｓｂの原子％が約６３％のＣｕ−Ｓｂ共晶合金でも、その融点が約５３０℃である。Ｃｕ−Ｓｎ合金では、Ｓｎを５０原子％有するＣｕ−Ｓｎ合金の融点が約６２０℃であり、Ｃｕ−Ｚｎ合金では、Ｚｎを５０原子％有するＣｕ−Ｚｎ合金の融点が約８７０℃である。また、Ｃｕ−Ｂｉ合金では、Ｂｉを５０原子％有するＣｕ−Ｂｉ合金の融点が約８３０℃であり、Ｃｕ−Ｌａ合金では、Ｌａを５０原子％有するＣｕ−Ｌａ合金の融点が約７００℃である。このように、銅を５０原子％以上含む銅合金の融点は、ほとんど全て融点が５００℃以上あるため、従来は、銅あるいはこれらの銅合金の金属層により半導体チップ１２の銅の金属端子２同士を接合しようとすると、これらの金属層を溶融する５００℃以上の温度で半導体チップ１２を処理することが半導体チップ１２の機能素子１５の特性を変えてしまうため、それらの銅合金によっては半導体装置１３を製造できなかった。
本実施例では、銅原子を５０原子％以上含む銅合金の金属超微粒子３を用い、粒子の直径が２ｎｍから７０ｎｍの金属超微粒子３の中から電子部品の加工条件に応じた粒径の金属超微粒子３を選択し、その金属超微粒子３からなる、金属超微粒子層３ｂを半導体チップ１２の銅の金属端子２に配置する。その後、その金属超微粒子３の酸化皮膜を、その金属超微粒子３の粒径に応じて設定される３００℃以下の温度と時間以内で還元させることで、その金属端子２の表面に、その後に焼結する活性を残した金属超微粒子層３ｂを形成する。次に、その金属超微粒子層３ｂを、その下の半導体チップ１２の銅の配線パターン６の金属端子２の接合領域に押し当て加圧し、金属超微粒子３の粒径に応じて焼結を生じる３００℃以下の温度で前記金属超微粒子層３ｂを焼結させ、上方のチップ部品１２の銅の金属端子２とその下のチップ部品の銅の配線パターン６の所定領域の間に、両者を金属接合する厚さが直径の１０分の１以下の金属層、例えば、厚さが１μｍで直径が１０μｍの金属層を形成する。こうして、銅合金の金属超微粒子３によって形成した金属層で金属端子２が接合された半導体装置１３を製造することができる。なお、ここで、金属端子２あるいは配線パターン６としては、銅の表面にニッケルなどの中間層を介して表面に金めっきを形成したものを用い、その表面に銅合金の金属超微粒子３ｂ層を焼結させることで金属端子２と配線パターン６を金属接合させても良い。
［第３の実施例の効果］
第３の実施例では、銅の金属超微粒子３を用いて隣り合う半導体チップ１２の銅の金属端子２同士を金属接合するので、従来の半導体チップを重ね合わせて金属端子同士を接合するために金属端子上に形成していた金のバンプなどが不要になり、半導体装置１３の製造コストを低減できる効果がある。
以上、本発明についていくつかの実施例を説明したが、本発明は電子部品、その集合体のみならず、これらを搭載した電子機器にも適用され得ることは言うまでも無い。
図１は、本発明による製造方法の好ましい実施の形態を説明するための図である。 図２は、図１に続く、本発明による製造方法の好ましい実施の形態を説明するための図である。 図３は、本発明者により、銅の金属超微粒子について焼結時間と焼結温度との関係を複数の粒径別に計算した結果を示す。 図４は、本発明の第１の実施例として、多層の印刷配線板を製造する場合を説明するための図である。 図５は、本発明者により、チタンの金属超微粒子について焼結時間と焼結温度との関係を複数の粒径別に計算した結果を示す。 図６は、銅による第１の金属超微粒子と、これより小さな直径のチタンによる第２の金属超微粒子とを混合した場合の関係を示した図である。 図７は、本発明の第３の実施例として、マルチチップ型に構成した半導体装置の製造方法を説明するための図である。
符号の説明
１ 印刷配線板
２，２１ 金属端子
２ａ 第１の金属端子
２ｂ 第２の金属端子
３，３’ 金属超微粒子
３ａ 分散液
３ｂ 金属超微粒子層
４ 還元性ガス
５ 樹脂シート
５−１ 第１の絶縁基板
５−２ 第２の絶縁基板
６ 配線パターン
７ 金属柱
８ 吐出装置
９ プリプレグ
１２ 半導体チップ
１３ 半導体装置
１４ 半導体基板
１５ 機能素子
１６ 絶縁膜
１７ 開口
１８ ハードマスク
２０ インタポーザ
２１ はんだボール

Claims (9)

  1. 第１の電子部品の第１の金属端子の表面に、粒子の直径が０．５ｎｍから７０ｎｍの金属超微粒子を分散した液体を吐出し、前記液体の媒体を蒸発させることで厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの１０倍以上の金属超微粒子層を形成するとともに、前記金属超微粒子層における前記金属超微粒子の表面の酸化皮膜を、還元性ガスにより、前記金属超微粒子の粒径により定まる焼結時間よりも短い時間で還元する第１の工程と、
    次に、前記金属超微粒子層を形成した前記第１の金属端子に対向させて第２の電子部品の第２の金属端子を接触させ加熱し加圧することで、前記第１の金属端子及び第２の金属端子同士を、その間の前記金属超微粒子を焼結させることで金属接合させる第２の工程と、
    を有することを特徴とする電子部品の集合体の製造方法。
  2. 前記金属超微粒子が、銅あるいは銅の合金から成り、粒子の直径が２ｎｍから７０ｎｍであり、
    前記第１、第２の電子部品がそれぞれ、表面に前記第１、第２の金属端子が形成された樹脂シートを有し、
    前記第２の工程が、前記第１の金属端子に前記金属超微粒子層を形成した前記樹脂シートとプリプレグを交互に重ね、積層し加熱加圧してプリプレグを硬化させることにより前記樹脂シート同士を接着すると同時に、対向する前記樹脂シートの前記第１、第２の金属端子同士を、その間の前記金属超微粒子を焼結させることで金属接合させる工程であり、
    前記電子部品の集合体が印刷配線板である、
    ことを特徴とする請求項１記載の電子部品の集合体の製造方法。
  3. 前記金属超微粒子層が、前記金属超微粒子と、該金属超微粒子と大きさが４倍以上異なる金属微粒子とを混合して形成される、
    ことを特徴とする請求項１記載の電子部品の集合体の製造方法。
  4. 第１の電子部品の第１の金属端子と第２の電子部品の第２の金属端子を接合させた接合部分を有する電子部品の集合体であって、該接合部分が、対向する前記第１、第２の金属端子の間に粒子の直径が０．５ｎｍから７０ｎｍの金属超微粒子を焼結させて成る、厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの１０倍以上の金属層を有することを特徴とする電子部品の集合体。
  5. 前記金属超微粒子が、粒子の直径が２ｎｍから７０ｎｍの銅あるいは銅の合金であり、
    前記第１の電子部品と第２の電子部品がそれぞれ、表面に前記第１、第２の金属端子が形成された樹脂シートを有し、
    前記第１の電子部品と第２の電子部品の接合部分が、前記樹脂シートがプリプレグにより接着されるとともに、対向する前記樹脂シートの前記第１、第２の金属端子同士が、その間の前記金属超微粒子を焼結させることで金属接合され、
    前記電子部品の集合体が印刷配線板である、
    ことを特徴とする請求項４記載の電子部品の集合体。
  6. 前記金属層が、大きさが４倍以上異なる２種類の金属微粒子から形成された、
    ことを特徴とする請求項４記載の電子部品の集合体。
  7. 請求項４〜６のいずれかに記載の電子部品の集合体を搭載した電子機器。
  8. 粒子の直径が２ｎｍから７０ｎｍの銅あるいは銅成分が５０原子％以上の銅合金による金属超微粒子の中から電子部品の加工条件に応じた粒径の金属超微粒子を選択する工程と、
    次に、選択した粒径の金属超微粒子からなる、厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの１０倍以上の金属超微粒子層を第１の電子部品の第１の金属端子に配置した後、当該金属超微粒子の酸化皮膜を、前記選択した粒径に応じて設定される温度と時間以内で還元させることで、前記第１の金属端子の表面に、その後に焼結する活性を残した金属超微粒子層を形成する工程と、
    次に、前記金属超微粒子層の表面に第２の電子部品の第２の金属端子を重ね合わせ、前記選択した粒径に応じて設定され焼結を生じる温度で前記金属超微粒子を焼結させることで、前記第１、第２の金属端子を前記金属超微粒子によって金属接合させる工程と、
    を有することを特徴とする電子部品の集合体の製造方法。
  9. 第１の電子部品の第１の金属端子と第２の電子部品の第２の金属端子を接合させた接合部分を有する電子部品の集合体であって、該接合部分が、対向する前記第１、第２の金属端子の間に、銅あるいは銅成分が５０原子％以上の銅合金からなる、粒子の直径が０．５ｎｍから７０ｎｍの金属超微粒子を焼結させて成る、厚さ方向に直角な方向の直径が厚さの１０倍以上の金属層を有することを特徴とする電子部品の集合体。
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