JP2016172899A - Method for producing resin layer on tin-based metal film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法に関する。本発明は、特には、錫系金属膜上に、密着性の高い樹脂層を製造するに関する。 The present invention relates to a method for producing a resin layer on a tin-based metal film. The present invention particularly relates to manufacturing a resin layer having high adhesion on a tin-based metal film.
近年、大容量、高電圧環境下でも動作可能なＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などのパワーモジュールが、民生用機器や産業用機器に広範に使用されている。これらの半導体素子を用いる各種のモジュール（以下、「半導体モジュール」という）では、金属と樹脂が密着する部分が多い。ＳｉあるいはＳｉＣ半導体チップや基板、配線表面等には、例えば銅やニッケル、アルミニウム、錫などの金属種が用いられている。これらの金属と樹脂の密着向上は、耐圧特性を満足するために重要となる。 In recent years, power modules such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) that can operate in a large capacity and high voltage environment have been widely used in consumer and industrial equipment. Yes. In various modules using these semiconductor elements (hereinafter referred to as “semiconductor modules”), there are many portions where metal and resin are in close contact. For Si or SiC semiconductor chips, substrates, wiring surfaces, etc., metal species such as copper, nickel, aluminum and tin are used. Improving the adhesion between these metals and the resin is important for satisfying the pressure resistance characteristics.
しかし、金属種によって樹脂との密着性が十分でないものがある。錫や錫を主成分とする金属材料は、通常、母材表面にめっき膜として形成される。以下、本明細書において、錫や錫を主成分とする金属を、錫系金属と指称する。錫系金属材料膜と樹脂の密着性は、銅やニッケルに比べ、１／３〜１／５程度の密着強度しかない。これを改善するために、錫系金属の表面を粗らすことによって、樹脂の密着性を向上させることが可能である。しかし、錫の融点が２３２℃であるため、熱硬化性樹脂を塗布してから、その樹脂の硬化温度（例えば２００℃）に上げると、錫系金属材料の軟化によって、表面粗さが低減し、樹脂とのアンカー効果が低減してしまうという問題がある。 However, some metal species do not have sufficient adhesion to the resin. A metal material mainly composed of tin or tin is usually formed as a plating film on the surface of the base material. Hereinafter, in the present specification, tin or a metal mainly composed of tin is referred to as a tin-based metal. The adhesion between the tin-based metal material film and the resin is only about 1/3 to 1/5 that of copper or nickel. In order to improve this, it is possible to improve the adhesion of the resin by roughening the surface of the tin-based metal. However, since the melting point of tin is 232 ° C., when the thermosetting resin is applied and then the temperature of the resin is increased to 200 ° C., the surface roughness is reduced due to the softening of the tin-based metal material. There is a problem that the anchor effect with the resin is reduced.
金属部材と樹脂との密着性が不十分であると、耐圧の低い半導体モジュールの場合には密着性の低い箇所でも問題にならなかったことが、耐圧を高くしていくと密着性の低い箇所で起こった剥離によって絶縁破壊が生じやすくなり、耐圧の低下を招くことが予測される。そのため、錫系金属材料と樹脂の密着性の向上が課題となる。
Insufficient adhesion between the metal member and the resin, in the case of a semiconductor module with a low withstand voltage, there was no problem even in a location with low adhesion. It is predicted that the dielectric breakdown is likely to occur due to the peeling that occurs in the
本発明は、一実施形態によれば、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法であって、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる工程と、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する工程と、前記表面に樹脂を塗布し、加熱硬化する工程とを含む。 According to one embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a resin layer on a tin-based metal film, wherein a metal different from the tin-based metal is formed on a surface of a tin-based metal film provided on a base material. A step of bringing particles into contact, a step of heating the tin-based metal film in contact with the metal particles to the melting point of the tin-based metal, forming a surface provided with anchors by the metal particles, and a resin on the surface Applying and heat curing.
前記方法において、前記金属粒子の平均粒径が前記錫系金属膜の厚みより小さく、前記金属粒子の比重が前記錫系金属の比重よりも小さいことが好ましい。この場合、前記金属粒子が、アルミニウム、チタン、またはこれらを主成分とする合金から選択される一以上であることが好ましい。 In the method, it is preferable that the average particle diameter of the metal particles is smaller than the thickness of the tin-based metal film, and the specific gravity of the metal particles is smaller than the specific gravity of the tin-based metal. In this case, it is preferable that the metal particles are at least one selected from aluminum, titanium, or an alloy containing these as a main component.
あるいは、用途に応じて、前記金属粒子の平均粒径が前記錫系金属膜の厚みより大きく、前記金属粒子の比重が、前記錫系金属の比重より小さいことが好ましい。この場合、例えば、前記金属粒子が、アルミニウム、チタン、またはこれらを主成分とする合金から選択される一以上であってもよい。 Or according to a use, it is preferable that the average particle diameter of the said metal particle is larger than the thickness of the said tin-type metal film, and the specific gravity of the said metal particle is smaller than the specific gravity of the said tin-type metal. In this case, for example, the metal particles may be one or more selected from aluminum, titanium, or an alloy containing these as a main component.
あるいは、前記方法において、前記金属粒子の平均粒径が前記錫系金属膜の厚みより大きく、前記金属粒子の比重が、前記錫系金属の比重より大きいことが好ましい。この場合、前記金属粒子が、銅、ニッケル、またはこれらを主成分とする合金から選択される一以上であることが好ましい。 Or in the said method, it is preferable that the average particle diameter of the said metal particle is larger than the thickness of the said tin-type metal film, and the specific gravity of the said metal particle is larger than the specific gravity of the said tin-type metal. In this case, it is preferable that the metal particles are one or more selected from copper, nickel, or an alloy containing these as a main component.
前記方法において、前記金属粒子の表面張力が、前記錫系金属の表面張力よりも大きいことが好ましい。あるいは、用途に応じて、前記金属粒子の表面張力が、前記錫系金属の表面張力よりも小さいことが好ましい。 In the said method, it is preferable that the surface tension of the said metal particle is larger than the surface tension of the said tin-type metal. Or it is preferable that the surface tension of the said metal particle is smaller than the surface tension of the said tin-type metal according to a use.
また、前記金属粒子が、前記母材と同じ金属からなることが好ましい。
この場合、前記金属粒子が、銅、もしくはニッケル、またはこれらを主成分とする合金であることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the said metal particle consists of the same metal as the said base material.
In this case, it is preferable that the metal particles are copper, nickel, or an alloy containing these as a main component.
前記方法において、前記熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂であることが好ましい。 In the said method, it is preferable that the said thermosetting resin is an epoxy resin or a polyimide resin.
本発明は、別の実施形態によれば、上述のいずれかに記載の方法により製造された、錫系金属膜上に樹脂層を備える構造体である。 According to another embodiment, the present invention is a structure including a resin layer on a tin-based metal film manufactured by any one of the methods described above.
本発明は、別の局面によれば、錫系金属膜上への樹脂の密着方法であって、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる工程と、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する工程と、前記表面に樹脂を塗布し、加熱硬化する工程とを含む。 According to another aspect of the present invention, there is provided a resin adhesion method on a tin-based metal film, wherein metal particles different from the tin-based metal are formed on the surface of the tin-based metal film provided on a base material. A step of heating the tin-based metal film in contact with the metal particles to a melting point of the tin-based metal to form a surface having an anchor made of the metal particles, and applying a resin to the surface And heat curing.
本発明は、別の実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、樹脂封止材で封止してなり、前記半導体装置を構成するプリント基板及び／または外部接続端子が、母材上に設けられた錫めっき膜表面にアンカーが形成された部材であって、該アンカーが、錫めっき膜の表面に、銅、ニッケル、アルミニウム、チタンから選択される１以上の金属粒子を接触させる工程と、前記錫めっき膜に前記金属粒子を接触させた部材を、錫の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子の少なくとも一部を前記錫で被覆する工程とにより形成され、前記アンカーが、前記樹脂封止材と接触している。
前記半導体装置において、前記金属粒子及び前記母材が銅であることが好ましい。
また、前記半導体素子が、ＳｉＣ半導体素子であることが好ましい。
According to another embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device, a semiconductor element, an insulating substrate bonded to one surface of the semiconductor element, and an external circuit bonded to the other surface of the semiconductor element. A member including a printed circuit board for connection with a resin sealing material, and a surface of a tin plating film on which a printed circuit board and / or external connection terminals constituting the semiconductor device are provided on a base material An anchor is formed on the surface of the tin plating film, the anchor contacting one or more metal particles selected from copper, nickel, aluminum, and titanium with the surface of the tin plating film; The member in contact with the metal particles is heated to a temperature higher than the melting point of tin, and at least a part of the metal particles is coated with the tin, and the anchor is in contact with the resin sealing material. ing.
In the semiconductor device, the metal particles and the base material are preferably copper.
Moreover, it is preferable that the said semiconductor element is a SiC semiconductor element.
本発明の方法によれば、錫系金属膜に対して密着させた樹脂層を製造することができる。本発明の方法では、熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱して、それによって錫が軟化しても、融点の高い金属粒子は特に軟化することなくそのまま残るので、凹凸が維持され、アンカー効果を持続させることが可能となる。硬化温度の高いエポキシ樹脂やポリイミド樹脂に対して特に効果が大きい。この方法では、錫系材料に熱硬化性樹脂を塗布する分野全般に適用することができるが、錫系材料が適用されているパワー半導体モジュールの封止樹脂との密着性向上にも適用することができる。 According to the method of the present invention, a resin layer adhered to a tin-based metal film can be produced. In the method of the present invention, even when the tin is softened by heating to the curing temperature of the thermosetting resin, the metal particles having a high melting point remain as they are without being softened. It can be sustained. This is particularly effective for epoxy resins and polyimide resins having a high curing temperature. This method can be applied to the entire field of applying a thermosetting resin to a tin-based material, but it can also be applied to improve the adhesion with a sealing resin of a power semiconductor module to which a tin-based material is applied. Can do.
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.
［第１実施形態：金属粒子径よりも大きい厚みの錫系金属膜上における樹脂層製造］
本発明は、第１実施形態によれば、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法であって、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる第１工程と、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する第２工程と、前記表面に熱硬化性樹脂を塗布し、加熱硬化する第３工程とを含む。
[First embodiment: Production of resin layer on tin-based metal film having thickness larger than metal particle diameter]
The present invention is a method for producing a resin layer on a tin-based metal film according to the first embodiment, and differs from the tin-based metal on the surface of the tin-based metal film provided on the base material. A first step of contacting metal particles, and a second step of heating the tin-based metal film brought into contact with the metal particles to a temperature higher than the melting point of the tin-based metal to form a surface provided with anchors of the metal particles. And a third step of applying a thermosetting resin to the surface and heat-curing.
錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法とは、少なくとも一部が錫系金属から構成される膜に接して、熱硬化性樹脂からなる層を形成する方法をいうものとする。少なくとも一部が錫系金属から構成される膜とは、主として錫系金属で構成される膜であって、他の金属種が例えばアンカーとして存在してもよい膜をいうものとする。熱硬化性樹脂からなる層は、熱硬化性樹脂が少なくとも連続的に設けられて特定の成形体となっていればよく、その厚みや形状は限定されるものではない。したがって、特定の部材の周辺を覆う封止材のような態様も、樹脂層と指称するものとする。第１実施形態においては、金属粒子の粒径が、錫系金属膜の厚みよりも小さく、かつ、金属粒子の比重が、錫系金属の比重よりも小さいことを特徴とする。 The method for producing a resin layer on a tin-based metal film refers to a method for forming a layer made of a thermosetting resin at least partially in contact with a film made of a tin-based metal. The film at least partially composed of a tin-based metal is a film mainly composed of a tin-based metal, and refers to a film in which other metal species may exist as an anchor, for example. The layer which consists of a thermosetting resin should just be provided with the thermosetting resin at least continuously, and may become a specific molded object, The thickness and shape are not limited. Therefore, an aspect like a sealing material covering the periphery of a specific member is also referred to as a resin layer. In the first embodiment, the particle size of the metal particles is smaller than the thickness of the tin-based metal film, and the specific gravity of the metal particles is smaller than the specific gravity of the tin-based metal.
第１工程においては、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる。 In the first step, metal particles different from the tin-based metal are brought into contact with the surface of the tin-based metal film provided on the base material.
ここで、錫系金属とは、錫、もしくは錫を主成分とする合金であって、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金などが含まれる。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓ合金、およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ合金などが挙げられるが、これらには限定されない。 Here, the tin-based metal is tin or an alloy containing tin as a main component, and includes, for example, Sn, Sn—Ag alloy, Sn—Cu alloy, Sn—Zn alloy, Sn—Sb alloy and the like. . Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi alloy, Sn-Ag-Cu-Bi alloy, Sn-Ag-Cu-In alloy, Sn-Ag-Cu-S alloy, and Sn-Ag-Cu-Ni-Ge Examples include, but are not limited to, alloys.
母材とは、錫系金属膜が付される材料であって、一般的には金属であり、あるいは半導体基板を構成するシリコンなどであってもよい。一例として、銅、ニッケル、アルミニウム、チタン、それらの２以上から構成される合金、あるいは、それらとそのほかの金属から構成される合金が挙げられるが、これらに限定されるものではない。母材の形状は、特定の形状に限定されず、例えば、板状、立方体状、直方体状、棒状、球状が挙げられる。また、その寸法についても特に限定されるものではない。 The base material is a material to which a tin-based metal film is attached, and is generally a metal, or may be silicon or the like constituting a semiconductor substrate. Examples include, but are not limited to, copper, nickel, aluminum, titanium, alloys composed of two or more thereof, or alloys composed of these and other metals. The shape of the base material is not limited to a specific shape, and examples thereof include a plate shape, a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, a rod shape, and a spherical shape. Further, the dimensions are not particularly limited.
母材上に設けられた錫系金属膜の厚みについても、特に限定されない。一般的な錫めっき膜の場合、例えば、１〜５０μｍ、好ましくは、１〜１０μｍの範囲で、適宜選択することができるが、これらの範囲には限定されない。 The thickness of the tin-based metal film provided on the base material is not particularly limited. In the case of a general tin plating film, for example, it can be appropriately selected within the range of 1 to 50 μm, preferably 1 to 10 μm, but is not limited to these ranges.
本発明において、母材上に設けられた錫系金属膜の表面とは、錫系金属膜の少なくとも一部の表面であって、後に詳述する樹脂を付着させる対象面をいうものとする。したがって、母材上の錫系金属膜の表面全体である場合もあり、錫系金属膜の表面の一部の場合もある。また、錫や錫系材料が、複数の面から構成されている場合には、ある一面のみ、あるいは、２以上の所望の面であってもよい。 In the present invention, the surface of the tin-based metal film provided on the base material is at least a part of the surface of the tin-based metal film and refers to a target surface to which a resin described in detail later is attached. Therefore, it may be the entire surface of the tin-based metal film on the base material, or may be a part of the surface of the tin-based metal film. Further, in the case where tin or a tin-based material is composed of a plurality of surfaces, only one surface or two or more desired surfaces may be used.
錫系金属とは異なる金属粒子は、第１実施形態においては、錫系金属よりも融点が高く、錫系金属より比重が小さい金属からなる粒子をいう。図１に示す実施形態においては、金属粒子は、前述の融点、比重の条件を備え、好ましくは、錫系金属よりも表面張力の大きい金属からなる。例えば、アルミニウム粒子、チタン粒子、これらの合金からなる金属粒子、あるいは、アルミニウムまたはチタンを主成分とし、それ以外の金属を含む合金からなる金属粒子であってよい。錫の表面張力５４４ｍＮ／ｍに対して、アルミニウム、チタンの表面張力はそれぞれ９１４ｍＮ／ｍ、１６５０ｍＮ／ｍである。 In the first embodiment, the metal particles different from the tin-based metal are particles made of a metal having a melting point higher than that of the tin-based metal and a specific gravity smaller than that of the tin-based metal. In the embodiment shown in FIG. 1, the metal particles have the above-described melting point and specific gravity conditions, and are preferably made of a metal having a surface tension larger than that of a tin-based metal. For example, it may be metal particles made of aluminum particles, titanium particles, an alloy thereof, or metal particles made of an alloy containing aluminum or titanium as a main component and other metals. Whereas the surface tension of tin is 544 mN / m, the surface tensions of aluminum and titanium are 914 mN / m and 1650 mN / m, respectively.
金属粒子の形状としては、球状、針状などの他に、不定形のものであっても良い。特に不定形の方が後述するアンカー効果を得やすく、有利になる場合がある。一方、溶融した錫系金属による被覆のしやすさ、回り込みやすさの観点からは、球状が好ましく、性能と用途に合わせて形状を適宜選択すれば良い。 As the shape of the metal particles, in addition to a spherical shape, a needle shape, etc., an irregular shape may be used. In particular, the indefinite shape may be advantageous because it tends to obtain the anchor effect described later. On the other hand, from the viewpoint of ease of coating with molten tin-based metal and ease of wraparound, a spherical shape is preferable, and the shape may be appropriately selected according to performance and application.
金属粒子の平均粒径は、前述の、錫系金属膜の厚みとの関係で決定され、本実施形態においては、金属粒子の平均粒径は、錫系金属膜の厚み以下である。また、金属粒子の平均粒径は、所望の表面粗さの２倍より大きくなるように決定することが好ましい。所望の粗さとは、金属粒子によりアンカーとなる凹凸が形成された表面において、金属粒子が錫系材料膜から突出する高さ、すなわち、錫系材料膜の母材表面に略平行に形成される面と、錫系材料膜で被覆されたもしくは被覆されずに露出している金属粒子の頂部との距離をいう。例えば、図１（ｂ）におけるＲ１で表される長さをいう。所望の粗さは、例えば、５μｍ以下であり、特には、半導体モジュールにおいては、１μｍ以下であることが好ましいが、特定の値には限定されない。 The average particle diameter of the metal particles is determined by the relationship with the thickness of the tin-based metal film, and in the present embodiment, the average particle diameter of the metal particles is equal to or less than the thickness of the tin-based metal film. The average particle diameter of the metal particles is preferably determined so as to be larger than twice the desired surface roughness. The desired roughness refers to the height at which the metal particles protrude from the tin-based material film on the surface where the metal particles are anchored, ie, substantially parallel to the surface of the base material of the tin-based material film. The distance between the surface and the top of the metal particles that are covered with the tin-based material film or exposed without being covered. For example, it refers to the length represented by R 1 in FIG. The desired roughness is, for example, 5 μm or less, and in particular for semiconductor modules, it is preferably 1 μm or less, but is not limited to a specific value.
例えば、一般的な半導体装置部材において、母材上に設けられる錫めっき膜の膜厚１μｍ〜１０μｍとの関係では、金属粒子の平均粒径は、１〜１０μｍ程度の範囲であればよいが、この範囲には限定されず、所望のアンカー機能や用途に合わせて、当業者が適宜選択することができる。ここでいう平均粒径は、ＢＥＴ法により測定したものである。なお、金属粒子の形状が針状あるいは不定形の場合には、平均粒径とは、平均長径をいうものとする。平均長径とは、例えば細長い針状粒子では長手方向の粒子の長さのことであり、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定して得られた値をいうものとする。このような金属粒子は、所定の平均粒径を有する市販品をそのまま使用してもよいし、上記平均粒径よりも大きな粒径を有する粒子をビーズミル等で粉砕して、所望の粒径としてもよい。 For example, in a general semiconductor device member, in relation to the film thickness of 1 μm to 10 μm of the tin plating film provided on the base material, the average particle diameter of the metal particles may be in the range of about 1 to 10 μm. It is not limited to this range, and those skilled in the art can select appropriately according to the desired anchor function and application. The average particle diameter here is measured by the BET method. In addition, when the shape of the metal particles is acicular or irregular, the average particle diameter is the average major axis. The average major axis is, for example, the length of particles in the longitudinal direction in the case of elongated needle-like particles, and refers to a value obtained by measurement with a laser diffraction particle size distribution measuring device. As such metal particles, commercially available products having a predetermined average particle size may be used as they are, or particles having a particle size larger than the above average particle size are pulverized with a bead mill or the like to obtain a desired particle size. Also good.
第１の工程では、錫系金属の表面に金属粒子を接触させる。接触させる方法は任意の方法であってよく、特には限定されない。一例として、溶剤に金属粒子を分散させて、流動性を向上させ、溶剤とともに、金属粒子を錫系金属の表面に付着させる方法が挙げられる。具体的には、例えば、ビーカーに溶剤と金属粒子を入れ、スターラー等で攪拌する。溶剤としては、例えば、エタノール、アセトンなどの、金属と反応性の低い、汎用の有機溶媒が挙げられるが、これらには限定されない。錫系金属の表面の面積が小さい場合には、例えば、スポイト等を用いて、所望の表面に、溶剤に分散させた金属粒子を塗布する方法が挙げられる。半導体モジュールの製造においては、スポイト等を用いる方法が好ましく使用される。錫系金属の表面の面積が比較的大きい場合は、溶剤に分散させた金属粒子を噴霧により、錫系金属の表面に付着させる方法や、錫系金属膜が形成された部材全体を、スターラー等で攪拌している溶液中に、直接浸漬することにより、付着させる方法が挙げられる。 In the first step, metal particles are brought into contact with the surface of the tin-based metal. The method of contacting may be any method and is not particularly limited. As an example, there is a method in which metal particles are dispersed in a solvent to improve fluidity, and the metal particles are adhered to the surface of the tin-based metal together with the solvent. Specifically, for example, a solvent and metal particles are put into a beaker and stirred with a stirrer or the like. Examples of the solvent include, but are not limited to, general-purpose organic solvents having low reactivity with metals such as ethanol and acetone. When the surface area of the tin-based metal is small, for example, a method of applying metal particles dispersed in a solvent to a desired surface using a dropper or the like can be mentioned. In manufacturing a semiconductor module, a method using a dropper or the like is preferably used. If the surface area of the tin-based metal is relatively large, a method of adhering the metal particles dispersed in the solvent to the surface of the tin-based metal by spraying, or the entire member on which the tin-based metal film is formed, such as a stirrer The method of making it adhere | attach by directly immersing in the solution stirred by (3) is mentioned.
このとき、錫系金属の所定の表面に付着させる金属粒子の量は、金属粒子の粒径や種類、所望のアンカー効果にもよるが、例えば、粒径が１μｍの場合では、５×１０３〜５×１０５個／ｍｍ２とすることができ、５×１０４〜３×１０５個／ｍｍ２とすることが好ましい。粒径が１０μｍの場合では５０〜５×１０３個／ｍｍ２とすることができ、５００〜３×１０３個／ｍｍ２とすることが好ましい。しかし、これに限定されるものではない。表面に付着させる金属粒子の量は、分散させる溶媒中の金属粒子濃度によって、適宜、調節することができる。 At this time, the amount of the metal particles attached to the predetermined surface of the tin-based metal depends on the particle size and type of the metal particles and the desired anchor effect. For example, when the particle size is 1 μm, 5 × 10 3 -5 × 10 5 pieces / mm 2, and preferably 5 × 10 4 -3 × 10 5 pieces / mm 2 . If the particle size is 10μm may be a 50 to 5 × 10 3 cells / mm 2, it is preferable that the 500-3 × 10 3 cells / mm 2. However, it is not limited to this. The amount of metal particles attached to the surface can be appropriately adjusted depending on the concentration of metal particles in the solvent to be dispersed.
図１は、第１実施形態による方法を模式的に説明する概念図であり、図１（ａ）は、第１工程により得られる母材２上に設けられた錫系金属膜１の表面に、金属粒子３を接触させ、付着させた状態を示す概念的な断面図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram schematically illustrating the method according to the first embodiment. FIG. 1A is a diagram illustrating a surface of a tin-based
第２工程は、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する工程である。ここで、金属粒子によるアンカーを備える表面とは、金属粒子の存在に起因して生じる、凹凸を備える表面であって、金属粒子の表面の一部あるいは全体が錫系金属で被覆されている場合もあるし、金属粒子が露出して凸部を構成している場合もある。ここで、図１に示す実施形態においては、図１（ｂ）に示されるように、金属粒子によるアンカーを備える表面は、金属粒子が錫系金属膜上に存在して凹凸を与え、かつ金属粒子が前記錫系金属で被覆された表面である。 The second step is a step of heating the tin-based metal film brought into contact with the metal particles to a temperature higher than the melting point of the tin-based metal to form a surface having an anchor made of the metal particles. Here, the surface provided with the anchors by the metal particles is a surface having unevenness caused by the presence of the metal particles, and a part or the whole of the surface of the metal particles is coated with a tin-based metal In some cases, the metal particles are exposed to form convex portions. Here, in the embodiment shown in FIG. 1, as shown in FIG. 1B, the surface provided with the anchors by the metal particles has metal particles on the tin-based metal film to give unevenness, and the metal It is a surface in which particles are coated with the tin-based metal.
錫の融点は２３２℃であるので、第２工程では、それ以上の温度で加熱する。例えば、融点より３℃〜７０℃程度高い温度、具体的には、２３５℃〜３００℃で、３０秒から５分程度加熱する。錫を含む合金の場合にはその融点に基づいて、融点より、例えば、３℃〜７０℃程度高い加熱温度を決定することができ、また、加熱時間を適宜決定することができる。ただし、これらの加熱温度や加熱時間に限定されるものではなく、用途等に応じて適宜決めることができる。図１（ｂ）は、第２工程により得られる、金属粒子によるアンカーを備える表面を示す概念的な断面図である。このとき、錫系金属よりも表面張力が大きい金属粒子３を選択することにより、金属粒子３の周囲に錫系金属１が回り込む。金属粒子３は、錫系金属１より比重が小さいので、錫系金属膜１内に完全に沈み込むことはない。なお、粒子の形状や凝集態様によっては、金属粒子３が錫系金属１で被覆されていない箇所がある場合もあり、そのような場合であっても、第２工程において所定の加熱操作を行っていれば、本発明に包含されるものとする。
Since the melting point of tin is 232 ° C., it is heated at a temperature higher than that in the second step. For example, it is heated at a temperature about 3 ° C. to 70 ° C. higher than the melting point, specifically, 235 ° C. to 300 ° C. for about 30 seconds to 5 minutes. In the case of an alloy containing tin, based on the melting point, a heating temperature higher than the melting point, for example, about 3 ° C. to 70 ° C. can be determined, and the heating time can be appropriately determined. However, it is not limited to these heating temperatures and heating times, and can be determined as appropriate according to the application. FIG.1 (b) is a conceptual sectional drawing which shows the surface provided with the anchor by a metal particle obtained by a 2nd process. At this time, by selecting the
第３工程は、前記表面に熱硬化性樹脂を塗布し、加熱硬化する工程である。第２工程の後、加熱炉内で室温まで冷却し、その後速やかに樹脂を塗布する。なお、第２工程後、すぐに樹脂を塗布しない場合には除湿した不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気のデシケータ内や、減圧した容器内に保管することが好ましい。錫系金属の過度の表面酸化を防止するためである。 A 3rd process is a process of apply | coating a thermosetting resin to the said surface, and heat-hardening. After the second step, it is cooled to room temperature in a heating furnace, and then the resin is applied quickly. If the resin is not applied immediately after the second step, it is preferably stored in a dehumidified inert atmosphere, for example, a desiccator in a nitrogen atmosphere or in a decompressed container. This is to prevent excessive surface oxidation of the tin-based metal.
熱硬化性樹脂としては、硬化温度が高い樹脂を用いることが好ましい。例えば、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂を挙げることができるが、これらには限定されるものではない。熱硬化性樹脂には、熱硬化性樹脂主剤と、硬化剤と、必要に応じて硬化促進剤とを含む。硬化促進剤は、硬化反応を制御するために有効に用いることができる。 As the thermosetting resin, it is preferable to use a resin having a high curing temperature. For example, although an epoxy resin and a polyimide resin can be mentioned, it is not limited to these. The thermosetting resin contains a thermosetting resin main component, a curing agent, and a curing accelerator as necessary. A curing accelerator can be effectively used to control the curing reaction.
好ましい熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂の主剤としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等の２官能エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂等の多官能型エポキシ樹脂を単独で又は複数組み合わせて使用することができる。 Examples of the main component of the epoxy resin which is a preferable thermosetting resin include bifunctional epoxy resins such as bisphenol A type epoxy resin and bisphenol F type epoxy resin, phenol novolac type epoxy resin, cresol novolak type epoxy resin, and bisphenol A novolak type. Polyfunctional epoxy resins such as epoxy resin, bisphenol F novolac type epoxy resin, naphthalene type epoxy resin, biphenyl type epoxy resin, dicyclopentadiene type epoxy resin can be used alone or in combination.
熱硬化性樹脂の硬化剤は、熱硬化性樹脂主剤との関係で選択することができる。例えば、熱硬化性樹脂主剤として、エポキシ樹脂主剤を用いる場合には、エポキシ樹脂の硬化剤として一般に使用されているものを用いることができる。特には、硬化剤としては酸無水物系が良い。具体的には、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸等の酸無水物系硬化剤およびそれらの異性体、変成体を用いることができる。また、硬化剤は、これらのうち１種のものを単独で用いることができ、あるいは、２種以上のものを混合して用いることができる。
The curing agent for the thermosetting resin can be selected in relation to the main component of the thermosetting resin. For example, when an epoxy resin main agent is used as the thermosetting resin main agent, those generally used as an epoxy resin curing agent can be used. In particular, an acid anhydride type is preferable as the curing agent. Specifically, acid anhydride curing agents such as methyltetrahydrophthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, methylnadic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, and isomers and modified products thereof are used. be able to. Moreover, a hardening | curing agent can use one type of these individually, or can mix and
硬化促進剤としては、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、ベンジルジメチルアミン等の３級アミン類、トリフェニルフォスフィン等の芳香族フォスフィン類、三フッ化ホウ素モノエチルアミン等のルイス酸、ホウ酸エステル等を用いることができるが、これらには限定されない。 Curing accelerators include imidazoles such as 2-ethyl-4-methylimidazole, tertiary amines such as benzyldimethylamine, aromatic phosphines such as triphenylphosphine, and Lewis acids such as boron trifluoride monoethylamine. Boric acid esters and the like can be used, but are not limited thereto.
硬化剤の配合割合は、エポキシ樹脂主剤のエポキシ当量及び硬化剤のアミン当量もしくは酸無水物当量から決定することができる。エポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂主剤を用いる場合にも、同様に、各樹脂主剤の反応当量、硬化剤の反応当量に基づき、配合割合を決定することができる。また、硬化促進剤を用いる場合には、硬化促進剤の配合割合は、エポキシ樹脂主剤の質量を１００％としたときに、０．１〜５質量％とすることが好ましい。 The blending ratio of the curing agent can be determined from the epoxy equivalent of the epoxy resin main component and the amine equivalent or acid anhydride equivalent of the curing agent. Similarly, when using a thermosetting resin main component other than the epoxy resin, the blending ratio can be determined based on the reaction equivalent of each resin main component and the reaction equivalent of the curing agent. Moreover, when using a hardening accelerator, it is preferable that the mixture ratio of a hardening accelerator shall be 0.1-5 mass% when the mass of an epoxy resin main ingredient is 100%.
熱硬化性樹脂には、任意選択的に他の成分を含むものであってもよい。例えば、ＳｉＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等からなる、１〜１００μｍ程度の平均粒径を有する無機フィラー、ガラス繊維、炭素繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維等の強化繊維を含んでいてもよい。このような、無機フィラーや強化繊維の添加量は、熱硬化性樹脂全体の質量を１００％とした場合に、例えば、６０〜９０質量％であってよい。あるいは、熱硬化性樹脂を半導体封止用途に用いる場合には、難燃剤、樹脂を着色するための顔料、耐クラック性を向上するための可塑剤やシリコンエラストマーを含んでいても良い。これらの任意成分の添加量は、用途に応じて、当業者が適宜決定することができるが、熱硬化性樹脂全体の質量を１００％とした場合に、通常１０質量％以下である。その他、本発明の目的の範囲内で樹脂と金属材料の密着性を損なわない限り、その他の添加物を含んでいても良い。 The thermosetting resin may optionally contain other components. For example, reinforcing fibers such as inorganic filler having a mean particle diameter of about 1 to 100 μm, glass fiber, carbon fiber, graphite fiber, aramid fiber, etc., made of SiO, Al 2 O 3 , AlN, or the like may be included. The addition amount of such inorganic fillers and reinforcing fibers may be, for example, 60 to 90% by mass when the mass of the entire thermosetting resin is 100%. Or when using a thermosetting resin for a semiconductor sealing use, a flame retardant, the pigment for coloring a resin, the plasticizer for improving crack resistance, and a silicone elastomer may be included. The amount of these optional components added can be appropriately determined by those skilled in the art depending on the application, but is usually 10% by mass or less when the total mass of the thermosetting resin is 100%. In addition, other additives may be included as long as the adhesion between the resin and the metal material is not impaired within the scope of the object of the present invention.
次いで、前記熱硬化性樹脂を硬化させる、加熱硬化工程を実施する。ここでは、通常の方法にしたがって、塗布した樹脂を、熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度で加熱し、硬化させる。加熱は、例えばエポキシ樹脂の場合には、１００〜２５０℃において、１〜３０時間程度行うことが好ましい。一次硬化と、二次硬化の二段階にわけて実施することもできる。図１（ｃ）は、第３工程により得られる、硬化後の状態を示す概念的な断面図である。錫系金属膜１の表面は、被覆された金属粒子３に起因して、アンカーが形成されているため、そのアンカー効果で、熱硬化性樹脂４との密着性が向上している。この方法によって、例えば、半導体モジュールなどの半導体装置において、錫系金属材料と封止樹脂の密着性を向上させ、それによって耐圧を高めることが可能となる。
Next, a heat curing step for curing the thermosetting resin is performed. Here, according to a normal method, the applied resin is heated and cured at a temperature equal to or higher than the curing temperature of the thermosetting resin. In the case of an epoxy resin, for example, the heating is preferably performed at 100 to 250 ° C. for about 1 to 30 hours. It can also be carried out in two stages of primary curing and secondary curing. FIG.1 (c) is a conceptual sectional drawing which shows the state after hardening obtained by a 3rd process. Since the anchor is formed on the surface of the tin-based
第１実施形態の変形形態として、金属粒子として、性能や用途に応じて、錫系金属よりも表面張力の小さい金属種を選択することも可能である。錫系金属よりも比重が小さく、表面張力も小さい金属種としては、例えば、アンチモンが挙げられる。この場合も、上記第１実施形態と同様にして、第１工程〜第３工程を実施することができる。図２は、錫系金属よりも表面張力の小さい金属種を金属粒子として使用した場合の、第２工程終了後の状態を示す概念的な断面図である。金属粒子３の表面張力が小さい場合、錫系金属の融点より高い温度にまで加熱しても、錫系金属膜１が金属粒子３に回り込むことはないが、錫系金属と金属粒子が接している箇所で結合しているので、金属粒子の存在により、表面積が増大して、アンカー効果を得ることが可能となり、樹脂の密着性を向上させることができる。
As a modified form of the first embodiment, a metal species having a surface tension smaller than that of a tin-based metal can be selected as the metal particles according to performance and use. An example of the metal species having a specific gravity smaller than that of the tin-based metal and having a smaller surface tension is antimony. Also in this case, the first to third steps can be performed in the same manner as in the first embodiment. FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view showing a state after completion of the second step when a metal species having a surface tension smaller than that of a tin-based metal is used as the metal particles. When the surface tension of the
なお、本実施形態は、上記第１工程〜第３工程を含む、錫系金属膜に熱硬化性樹脂を密着させる方法ということもできる。この場合も、錫系金属膜、金属粒子、母材、並びに熱硬化性樹脂については、上記において説明したとおりであり、各工程についても上記において説明したとおりである。また、本実施形態は、上記方法により製造された、錫系金属膜上に樹脂層を備える構造体ともいうことができる。このような構造体は、後述する電子部材を含め、各種部材において有用である。 In addition, this embodiment can also be called the method of sticking a thermosetting resin to a tin-type metal film including the said 1st process-3rd process. Also in this case, the tin-based metal film, the metal particles, the base material, and the thermosetting resin are as described above, and each process is also as described above. Moreover, this embodiment can also be called the structure provided with the resin layer on the tin-type metal film manufactured by the said method. Such a structure is useful in various members including an electronic member described later.
［第２実施形態：金属粒子径よりも小さい厚みの錫系金属膜上における樹脂層製造］
本発明は、第２実施形態によれば、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法であって、母材上に設けられた錫系金属膜の表面に、前記錫系金属とは異なる金属粒子を接触させる第１工程と、前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する第２工程と、前記表面に熱硬化性樹脂を塗布し、加熱硬化する第３工程とを含む。
[Second Embodiment: Production of resin layer on tin-based metal film having thickness smaller than metal particle diameter]
The present invention is a method for producing a resin layer on a tin-based metal film according to the second embodiment, and is different from the tin-based metal on the surface of the tin-based metal film provided on the base material. A first step of contacting metal particles, and a second step of heating the tin-based metal film brought into contact with the metal particles to a temperature higher than the melting point of the tin-based metal to form a surface provided with anchors of the metal particles. And a third step of applying a thermosetting resin to the surface and heat-curing.
第２実施形態においても、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法の定義、少なくとも一部が錫系金属から構成される膜の定義、並びに、熱硬化性樹脂からなる層の定義は、第１実施形態において説明したのと同様とする。第２実施形態においては、錫系金属の膜厚より金属粒子の粒径が大きいことを特長とする。 Also in the second embodiment, the definition of a method for producing a resin layer on a tin-based metal film, the definition of a film at least partially composed of a tin-based metal, and the definition of a layer composed of a thermosetting resin are as follows: The same as described in the first embodiment. The second embodiment is characterized in that the particle size of the metal particles is larger than the film thickness of the tin-based metal.
錫系金属とは異なる金属粒子は、第２実施形態においては、錫系金属よりも融点が高い金属種であればよい。図３に示す実施形態においては、金属粒子は、錫系金属より比重が大きく、錫系金属よりも表面張力の大きい金属からなる。例えば、銅粒子、ニッケル粒子、これらの合金からなる金属粒子、あるいは、銅またはニッケルを主成分とし、それ以外の金属を含む合金からなる金属粒子であってよい。錫の表面張力５４４ｍＮ／ｍに対して、銅、ニッケルの表面張力はそれぞれ１２８５ｍＮ／ｍ、１７７８ｍＮ／ｍである。 The metal particles different from the tin-based metal may be any metal species having a higher melting point than that of the tin-based metal in the second embodiment. In the embodiment shown in FIG. 3, the metal particles are made of a metal having a specific gravity larger than that of the tin-based metal and a surface tension larger than that of the tin-based metal. For example, it may be copper particles, nickel particles, metal particles made of an alloy thereof, or metal particles made of an alloy containing copper or nickel as a main component and other metals. Whereas the surface tension of tin is 544 mN / m, the surface tensions of copper and nickel are 1285 mN / m and 1778 mN / m, respectively.
第２実施形態においては金属粒子の平均粒径が、錫系金属膜の厚みよりも大きいことを特徴とする。したがって、金属粒子の平均粒径φは、錫系金属膜の厚みとの関係で選択することができる。錫系金属膜の厚みは、第１実施形態において説明した一般的な厚みであってよい。金属粒子の平均粒径の最大値は、このような錫系金属膜の厚みに所望の表面粗さを加えた値とすることが好ましく、最小値は錫系金属膜の厚みとすることが好ましい。したがって、例えば、錫系金属膜の厚みが５μｍで、所望の粗さの最大値が５μｍであれば、前記金属粒子の平均粒径を、５〜１０μｍの範囲とすることが好ましい。所望の粗さは、金属粒子により凹凸が形成された表面において、金属粒子が錫系材料膜から突出する高さ、すなわち、錫系材料膜の母材表面に略平行に形成される面と、錫系材料膜で被覆されたもしくは被覆されずに露出している金属粒子の頂部との距離をいう。例えば、図３（ｂ）においては、Ｒ２で表される長さをいう。 The second embodiment is characterized in that the average particle diameter of the metal particles is larger than the thickness of the tin-based metal film. Therefore, the average particle diameter φ of the metal particles can be selected in relation to the thickness of the tin-based metal film. The thickness of the tin-based metal film may be the general thickness described in the first embodiment. The maximum value of the average particle diameter of the metal particles is preferably a value obtained by adding a desired surface roughness to the thickness of such a tin-based metal film, and the minimum value is preferably the thickness of the tin-based metal film. . Therefore, for example, when the thickness of the tin-based metal film is 5 μm and the maximum value of the desired roughness is 5 μm, the average particle diameter of the metal particles is preferably in the range of 5 to 10 μm. The desired roughness is the height at which the metal particles protrude from the tin-based material film on the surface where the irregularities are formed by the metal particles, that is, the surface formed substantially parallel to the base material surface of the tin-based material film, This is the distance from the top of the metal particles that are covered with the tin-based material film or exposed without being covered. For example, in FIG. 3 (b), refers to the length represented by R 2.
樹脂の組成については、第１実施形態において説明したすべての形態を第２実施形態においても適用することができるため、ここでは説明を省略する。 About the composition of resin, since all the forms demonstrated in 1st Embodiment are applicable also in 2nd Embodiment, description is abbreviate | omitted here.
第２実施形態の第１工程は、錫系金属膜の膜厚と、金属粒子の種類を、上記のようにして選択すること以外は、第１実施形態の第１工程と同様にして実施することができる。図３は、第２実施形態による方法を模式的に説明する図であり、図３（ａ）は、第１工程により得られる母材２上に設けられた錫系金属膜１の表面に、金属粒子３を接触させ、付着させた状態を示す概念的な断面図である。
The first step of the second embodiment is performed in the same manner as the first step of the first embodiment, except that the thickness of the tin-based metal film and the type of metal particles are selected as described above. be able to. FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the method according to the second embodiment, and FIG. 3A is a diagram illustrating the surface of the tin-based
第２実施形態の第２工程は、第１実施形態の第２工程と同様にして実施することができる。図３（ｂ）は、第２工程により得られる、金属粒子を錫系金属で被覆し、金属粒子によるアンカーを形成した表面を示す概念的な断面図である。第２工程では、加熱により、錫系金属膜１が溶解し、金属粒子３が錫系金属膜１に沈み込んで、母材と概ね接触する。そして、錫系金属よりも表面張力が大きい金属粒子３を選択することにより、金属粒子３の周囲に錫系金属１が回り込んで被覆している。
The second step of the second embodiment can be performed in the same manner as the second step of the first embodiment. FIG. 3B is a conceptual cross-sectional view showing the surface obtained by coating the metal particles with a tin-based metal and forming anchors with the metal particles, which is obtained in the second step. In the second step, the tin-based
第２実施形態の第３工程は、第１実施形態の第３工程と同様にして実施することができる。図３（ｃ）は、第３工程により得られる、硬化後の樹脂を示す概念的な断面図である。錫系金属膜１の表面は、被覆された金属粒子３の存在に起因して、凹凸が形成されているため、表面積が増大しており、そのアンカー効果で、熱硬化性樹脂４との密着性が向上している。
The third step of the second embodiment can be performed in the same manner as the third step of the first embodiment. FIG. 3C is a conceptual cross-sectional view showing the cured resin obtained by the third step. Since the surface of the tin-based
第２実施形態の変形形態として、金属粒子として、性能や用途に応じて、錫系金属よりも表面張力の小さい金属種を選択することも可能である。錫系金属よりも比重が大きく、表面張力が小さい金属種としては、例えば、ビスマスや鉛が挙げられる。この場合も、上記第２実施形態と同様にして、第１工程〜第３工程を実施することができる。図４は、錫系金属よりも表面張力の小さい金属種を金属粒子として使用した場合の、第２工程終了後の状態を示す概念的な断面図である。金属粒子３の表面張力が小さい場合、錫系金属の融点より高い温度にまで加熱しても、錫系金属膜１が金属粒子３に回り込むことは無いが、錫系金属膜１と金属粒子３とが接している箇所で結合しているので、露出した金属粒子３によるアンカー効果を得ることが可能となり、樹脂４の密着性を向上させることができる。
As a modified form of the second embodiment, a metal species having a surface tension smaller than that of a tin-based metal can be selected as the metal particle depending on performance and application. Examples of the metal species having a specific gravity larger than that of the tin-based metal and having a smaller surface tension include bismuth and lead. Also in this case, the first to third steps can be performed in the same manner as in the second embodiment. FIG. 4 is a conceptual cross-sectional view showing a state after completion of the second step when a metal species having a surface tension smaller than that of a tin-based metal is used as the metal particles. When the surface tension of the
第２実施形態のさらに別の変形形態として、金属粒子として、錫系金属より比重が小さい金属粒子、例えばアルミニウムやチタンを用いることもできる。図５は、錫系金属よりも比重の小さい金属種を金属粒子として使用した場合の、第２工程終了後の状態を示す概念的な断面図である。その場合、金属粒子３は完全に沈み込むことは無いが、粒径の大きな金属粒子３が凹凸を形成するので、金属粒子３によるアンカー効果を得ることが可能となり、樹脂４の密着性を向上させることができる。
As yet another modification of the second embodiment, metal particles having a specific gravity smaller than that of tin-based metals, such as aluminum and titanium, can be used as the metal particles. FIG. 5 is a conceptual cross-sectional view showing a state after completion of the second step when a metal species having a specific gravity smaller than that of a tin-based metal is used as the metal particles. In this case, the
第２実施形態においては、金属粒子と母材の種類を同じにすることが好ましい。第２実施形態においては、錫系金属の膜厚が、金属粒子の平均粒系よりも小さいため、母材の表面張力が金属粒子の表面張力より小さい場合、錫や錫系材料のほとんどが金属粒子に移ってしまう場合があるためである。金属粒子の表面張力が、母材の表面張力より非常に大きい場合の模式図を図６に示す。図６（ａ）は、第１工程により得られる、母材２上に設けられた錫系金属膜１の表面に、金属粒子３を接触させ、付着させた状態を示す概念的な断面図である。図６（ｂ）は、次いで、第２工程を実施した後の状態を示す概念的な断面図である。図６（ｂ）においては、金属粒子３の表面に溶解した錫系金属１のほとんどが付着し、母材２の表面が露出している。このような場合、錫系金属１と母材２の接触面積が非常に小さくなることから、錫系金属１と母材２との密着性が低下し、錫系金属膜がはがれやすくなることや、はんだの濡れ性が低下するなど、信頼性が低下するという問題が発生する場合がある。錫系金属膜の厚みが薄い場合には、この問題が顕著になる場合がある。金属粒子と母材の種類を同じにすることによって、金属粒子と母材両方に対する濡れ性を確保することができ、そのような問題を解決することができる。例えば、パワー半導体モジュールでは錫や錫系材料膜の母材としては銅が良く用いられているので、その場合には金属粒子として銅を用いるのがより好ましい。
In the second embodiment, it is preferable that the metal particles and the base material have the same type. In the second embodiment, since the thickness of the tin-based metal is smaller than the average particle size of the metal particles, when the surface tension of the base material is smaller than the surface tension of the metal particles, most of the tin and tin-based materials are metal. This is because the particles may move to the particles. FIG. 6 shows a schematic diagram when the surface tension of the metal particles is much larger than the surface tension of the base material. FIG. 6A is a conceptual cross-sectional view showing a state in which the
なお、本実施形態も、上記第１工程〜第３工程を含む、錫系金属膜に熱硬化性樹脂を密着させる方法ということもできる。この場合も、錫系金属膜、金属粒子、母材、並びに熱硬化性樹脂については、上記において説明したとおりであり、各工程についても上記において説明したとおりである。また、本実施形態は、上記方法により製造された、錫系金属膜上に樹脂層を備える構造体ともいうことができる。このような構造体は、後述する電子部材を含め、各種部材において有用である。 In addition, this embodiment can also be called the method of sticking a thermosetting resin to a tin-type metal film including the said 1st process-3rd process. Also in this case, the tin-based metal film, the metal particles, the base material, and the thermosetting resin are as described above, and each process is also as described above. Moreover, this embodiment can also be called the structure provided with the resin layer on the tin-type metal film manufactured by the said method. Such a structure is useful in various members including an electronic member described later.
［第３実施形態：半導体装置］
本発明は、第３実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板と、外部接続端子とを含む部材を、樹脂封止材で封止してなり、前記半導体装置を構成する前記プリント基板及び／または前記外部接続端子が、母材上に設けられた錫めっき膜表面にアンカーが形成された部材であって、該アンカーが、錫めっき膜の表面に、銅、ニッケル、アルミニウム、チタンから選択される１以上の金属粒子を接触させる工程と、前記錫めっき膜に前記金属粒子を接触させた部材を、錫の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子の少なくとも一部を前記錫で被覆する工程とにより形成され、前記アンカーが、前記樹脂封止材と接触している。
[Third Embodiment: Semiconductor Device]
According to a third embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device including a semiconductor element, an insulating substrate bonded to one surface of the semiconductor element, and an external circuit bonded to the other surface of the semiconductor element. A member including a printed circuit board for connection to and an external connection terminal is sealed with a resin sealing material, and the printed circuit board and / or the external connection terminal constituting the semiconductor device are formed on a base material. A member in which an anchor is formed on the surface of the provided tin plating film, and the anchor contacts one or more metal particles selected from copper, nickel, aluminum, and titanium with the surface of the tin plating film; A member in which the metal particles are brought into contact with the tin plating film is heated to a temperature higher than a melting point of tin, and at least a part of the metal particles is coated with the tin, and the anchor is Tree It is in contact with the sealing material.
図７は、第３実施形態に係る半導体装置の一例である、半導体モジュール１００の断面構造を示す図である。半導体モジュール１００においては、絶縁層１１の一方の面である下面に略直方体状の第１銅ブロック１２、他方の面である上面に略直方体状の第２銅ブロック１３が配置されて絶縁基板１４を構成する。絶縁基板１４の第２銅ブロック１３側の面である上面には、導電接合層ａ１５を介して、ＳｉＣパワー半導体素子１６が複数個搭載され取り付けられている。さらにＳｉＣパワー半導体素子６の上面には、導電接合層ｂ１７によりインプラントピン１８を備えたインプラント方式プリント基板１９が取り付けられている。インプラント方式プリント基板１９の上面と、第２銅ブロック３の上面には、それぞれ、外部接続端子２０が取り付けられ、半導体モジュール１００の外部との電気的接続が可能に構成されている。そして、ＳｉＣパワー半導体素子１６を含む積層された部材の周囲は、樹脂封止材１０で封止されている。また、封止層１０には、半導体装置１００を図示しない冷却器に取り付けるためのボルトの挿入孔である取り付け金具２１が埋め込まれている。なお、本明細書において、上面、下面とは、説明の目的で、図中の上下を指す相対的な用語であって、半導体装置の使用態様等との関係で上下を限定するものではない。
FIG. 7 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a
ここで、第１実施形態もしくは第２実施形態で説明した錫系金属膜１は、図示する半導体モジュール１００において、インプラント方式プリント基板１９、または外部接続端子２０、あるいはそれらの両方に、錫めっき膜として、設けられている。典型的には、銅からなる母材金属上に、錫めっき膜として存在している。このとき、上記部材を製造する工程において、第１実施形態もしくは第２実施形態で説明した第１工程及び第２工程を実施して、錫めっき膜表面にアンカーが形成されたインプラント方式プリント基板１９、または外部接続端子２０、あるいはそれらの両方を製造する。アンカーは、第１実施形態及び第２実施形態において、図１〜５に示したいずれの形態であってもよい。すなわち、金属粒子の少なくとも一部が錫で被覆されていればよく、アンカー部が錫で被覆されていてもよいし、アンカー部は金属粒子が露出していてもよい。母材金属が銅である場合、金属粒子も好ましくは、銅である。そして、第１実施形態もしくは第２実施形態で説明した第３工程として、半導体モジュール１００の製造方法における封止工程を実施することで、半導体モジュール１００を構成するインプラント方式プリント基板１９、または外部接続端子２０、あるいはそれらの両方を、封止樹脂に密着させることができる。
Here, the tin-based
半導体モジュール１００を構成する部材として、錫めっき膜表面にアンカーが形成されたインプラント方式プリント基板１９、または外部接続端子２０、あるいはそれらの両方を用い、硬化温度の高いエポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂を用いて樹脂封止した場合でも、融点の高い金属粒子は特に軟化することなくそのまま残るので、凹凸が維持され、アンカー効果を持続させることができる。これにより、錫めっき膜と熱硬化性樹脂との密着性を高め、高耐圧性に優れて、絶縁破壊を起こしにくい半導体モジュールを提供することができる。具体的には、耐圧性や絶縁破壊特性を向上させることができる。
As a member constituting the
以下、本発明を実施例と比較例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、以下の実施例は本発明を限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail using examples and comparative examples. However, the following examples do not limit the present invention.
［実施例１］
実施例１では、金属材料として銅板表面に錫めっき（めっき厚１０μｍ）したものを用いた。板材の形状は１００ｍｍ×１５ｍｍの長方形で、板厚は３ｍｍのものを用いた。錫めっきは片側の全面に施した。次に、錫めっき表面にアルミニウムの粒子を付着させた。適用したアルミニウム粒子の大きさは平均的に７μｍ程度である。１００ｍｌのビーカーに、エタノール溶液１００ｍｌとアルミニウム粒子を、５ｇ投入し、スターラーで撹拌した。その攪拌している液体をスポイトで取り出し、錫めっき表面に塗布した。塗布した範囲は、ここでは、１５ｍｍ×１０ｍｍとした。次いで、銅粒子を塗布した板材を３００℃、２時間加熱処理した。加熱処理後、室温に戻した板材にエポキシ樹脂を塗布し、引っ張り試験を行うために、同じ板でエポキシ樹脂を挟んだ。
[Example 1]
In Example 1, as the metal material, a copper plate surface tin-plated (plating thickness 10 μm) was used. The shape of the plate was a rectangle of 100 mm × 15 mm, and the plate thickness was 3 mm. Tin plating was applied to the entire surface on one side. Next, aluminum particles were adhered to the tin plating surface. The size of the applied aluminum particles is about 7 μm on average. A 100 ml beaker was charged with 5 ml of 100 ml of an ethanol solution and aluminum particles and stirred with a stirrer. The stirred liquid was taken out with a dropper and applied to the tin plating surface. Here, the coated area is 15 mm × 10 mm. Subsequently, the board | plate material which apply | coated the copper particle was heat-processed at 300 degreeC for 2 hours. After the heat treatment, an epoxy resin was applied to the plate material returned to room temperature, and the epoxy resin was sandwiched between the same plates in order to perform a tensile test.
エポキシ樹脂主剤には、二官能脂環式エポキシ（ダイセル社製、品番：ＣＥＬ２０２１Ｐ）を用いた。硬化剤には変性脂環式酸無水物（ハンツマン社製、品番：ＬＳＴ８７３４Ｈ−２Ｌ）を用いた。樹脂の組成は、エポキシ樹脂主剤１００質量部に対し、硬化剤１３５質量部とした。エポキシ樹脂主剤と硬化剤との混合物を攪拌したものを塗布した。エポキシ樹脂を塗布した範囲は１０ｍｍ×１５ｍｍとした。板で挟んだ状態のものをクリップで留めて、１２０℃で２時間保持した後（予備加熱）、２００℃で２４時間保持した。 A bifunctional alicyclic epoxy (manufactured by Daicel, product number: CEL2021P) was used as the epoxy resin main component. A modified alicyclic acid anhydride (manufactured by Huntsman, product number: LST8734H-2L) was used as the curing agent. The resin composition was 135 parts by mass of the curing agent with respect to 100 parts by mass of the epoxy resin main component. What stirred the mixture of the epoxy resin main ingredient and the hardening | curing agent was apply | coated. The range where the epoxy resin was applied was 10 mm × 15 mm. The material sandwiched between the plates was clipped, held at 120 ° C. for 2 hours (preheating), and then held at 200 ° C. for 24 hours.
［実施例２］
実施例２では、金属材料として銅板表面に錫めっき（めっき厚１μｍ）したものを用いた。板材の形状は１００ｍｍ×１５ｍｍの長方形で、板厚は３ｍｍのものを用いた。錫めっきは片側の全面に施した。次に、錫めっき表面に銅の粒子を付着させた。適用した銅粒子の大きさは平均的に３μｍ程度である。１００ｍｌのビーカーに、エタノール溶液１００ｍｌと銅粒子を、１０ｇ投入し、スターラーで撹拌した。錫めっき表面への塗布方法や塗布面積、加熱処理条件、使用したエポキシ樹脂、引っ張り試験用サンプルの作製は実施例１と同様にして実施した。
[Example 2]
In Example 2, a metal material obtained by tin plating (
［実施例３］
実施例３では、金属材料として銅板表面に錫めっき（めっき厚１μｍ）したものを用いた。板材の形状は１００ｍｍ×１５ｍｍの長方形で、板厚は３ｍｍのものを用いた。錫めっきは片側の全面に施した。次に、錫めっき表面にアルミニウムの粒子を付着させた。適用したアルミニウム粒子は実施例１と同じで、粒子の平均的な大きさは３μｍ程度である。錫めっき厚以外は実施例１と同様にして実施した。
[Example 3]
In Example 3, the metal material used was a tin plate (
［実施例４］
実施例４では、実施例２と同様の錫めっき（めっき厚１０μｍ）した銅板を用いた。錫めっき表面には錫より比重と表面張力の小さいアンチモンの粒子を付着させた。適用したアンチモン粒子の平均的な大きさは７μｍ程度であった。他の工程等については実施例１と同様にして実施した。
[Example 4]
In Example 4, the same tin plate (plating thickness 10 μm) copper plate as in Example 2 was used. Antimony particles having a specific gravity and surface tension smaller than that of tin were adhered to the tin plating surface. The average size of the applied antimony particles was about 7 μm. Other steps were carried out in the same manner as in Example 1.
［実施例５］
実施例５では、実施例２と同様の錫めっき（めっき厚１μｍ）した銅板を用いた。錫めっき表面には実施例３と同じアンチモンの粒子を付着させた。適用したアンチモン粒子の平均的な大きさは３μｍ程度である。他の工程等については実施例１と同様にして実施した。
[Example 5]
In Example 5, a copper plate plated with tin (plating thickness: 1 μm) as in Example 2 was used. The same antimony particles as in Example 3 were adhered to the tin plating surface. The average size of the applied antimony particles is about 3 μm. Other steps were carried out in the same manner as in Example 1.
［比較例１］
比較例１として、銅粒子を付着させない錫めっき板に、実施例１、２と同様にして、エポキシ樹脂を塗布し、同じ錫めっき板で挟んだ。すなわち、本発明の第１、第２工程を実施しなかった。
[Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, an epoxy resin was applied to a tin-plated plate to which copper particles were not attached in the same manner as in Examples 1 and 2, and sandwiched between the same tin-plated plates. That is, the first and second steps of the present invention were not performed.
［比較例２］
比較例２として、錫めっきをしていない銅板に、実施例１、２と同様にして、エポキシ樹脂を塗布し、同じ銅板で挟んだ。比較例１と同様、本発明の第１、第２工程を実施しなかった。
[Comparative Example 2]
As Comparative Example 2, an epoxy resin was applied to a copper plate not subjected to tin plating in the same manner as in Examples 1 and 2, and sandwiched between the same copper plates. As in Comparative Example 1, the first and second steps of the present invention were not performed.
［試験例］
［引張り試験］
実施例及び比較例で引張り試験を実施した。引張り試験では、張り合わせた２枚の板を逆方向に引っ張る試験方法である。強度は、万能試験機 AUTOGRAPH AG-X（島津製作所製）を用いて測定した。引っ張り試験においては、実施例、比較例とも、試験サンプルを各５個用いた。
[Test example]
[Tensile test]
Tensile tests were carried out in examples and comparative examples. The tensile test is a test method in which two bonded plates are pulled in opposite directions. The strength was measured using a universal testing machine AUTOGRAPH AG-X (manufactured by Shimadzu Corporation). In the tensile test, five test samples were used for each of the examples and comparative examples.
比較例１での密着強度は３ＭＰａであった。それに対し、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５での密着強度は、それぞれ９ＭＰａ、１１ＭＰａ、９ＭＰａ、７ＭＰａ、７ＭＰａとなり、もともとエポキシ樹脂との密着性の良い銅板(比較例２)の密着強度１３ＭＰａに近い密着強度を得ることができた。 The adhesion strength in Comparative Example 1 was 3 MPa. On the other hand, the adhesion strengths in Examples 1, 2, 3, 4, and 5 were 9 MPa, 11 MPa, 9 MPa, 7 MPa, and 7 MPa, respectively, and originally a copper plate having good adhesion to an epoxy resin. An adhesion strength close to 13 MPa in (Comparative Example 2) could be obtained.
本発明は、錫や錫を主成分とする錫系材料に熱硬化性樹脂を密着させる分野全般に適用することができる。さらに、錫系材料が適用されているパワー半導体モジュールの封止樹脂との密着性向上にも適用することができ、パワー半導体モジュールの耐圧特性を向上させることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to all fields in which a thermosetting resin is adhered to a tin-based material containing tin or tin as a main component. Furthermore, it can also be applied to improve the adhesion of the power semiconductor module to which the tin-based material is applied, and the pressure resistance characteristics of the power semiconductor module can be improved.
１ 錫系金属膜
２ 母材
３ 金属粒子
４ 熱硬化性樹脂（封止材）
１１ 絶縁層
１２ 第１銅ブロック
１３ 第２銅ブロック
１４ 絶縁基板
１５ 導電接合層ａ
１６ ＳｉＣ半導体素子
１７ 導電接合層ｂ
１８ インプラントピン
１９ インプラント方式プリント基板
２０ 外部接続端子
２１ 取り付け金具
１００ 半導体モジュール
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
16
18
Claims (15)
前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する工程と、
前記表面に樹脂を塗布し、加熱硬化する工程と
を含む、錫系金属膜上に樹脂層を製造する方法。 A step of bringing metal particles different from the tin metal into contact with the surface of the tin metal film provided on the base material;
Heating the tin-based metal film in contact with the metal particles to the melting point of the tin-based metal to form a surface provided with anchors by the metal particles;
A method for producing a resin layer on a tin-based metal film, comprising a step of applying a resin to the surface and heating and curing.
前記金属粒子を接触させた前記錫系金属膜を、前記錫系金属の融点まで加熱し、前記金属粒子によるアンカーを備える表面を形成する工程と、
前記表面に樹脂を塗布し、加熱硬化する工程と
を含む、錫系金属膜上への樹脂の密着方法。 A step of bringing metal particles different from the tin metal into contact with the surface of the tin metal film provided on the base material;
Heating the tin-based metal film in contact with the metal particles to the melting point of the tin-based metal to form a surface provided with anchors by the metal particles;
Applying the resin to the surface and heat-curing the resin.
前記プリント基板及び／または前記外部接続端子が、母材上に設けられた錫めっき膜表面にアンカーが形成された部材であって、該アンカーが、錫めっき膜の表面に、銅、ニッケル、アルミニウム、チタンから選択される１以上の金属粒子を接触させる工程と、前記錫めっき膜に前記金属粒子を接触させた部材を、錫の融点より高い温度まで加熱し、前記金属粒子の少なくとも一部を前記錫で被覆する工程とにより形成され、
前記アンカーが、前記樹脂封止材と接触している、半導体装置。 A member including a semiconductor element, an insulating substrate bonded to one surface of the semiconductor element, a printed circuit board for connection to an external circuit bonded to the other surface of the semiconductor element, and an external connection terminal; A semiconductor device formed by sealing with a sealing material,
The printed circuit board and / or the external connection terminal is a member in which an anchor is formed on the surface of a tin plating film provided on a base material, and the anchor is formed on the surface of the tin plating film with copper, nickel, aluminum A step of bringing one or more metal particles selected from titanium into contact with each other, and heating a member having the metal particles in contact with the tin plating film to a temperature higher than the melting point of tin, and at least a part of the metal particles The step of coating with tin,
A semiconductor device, wherein the anchor is in contact with the resin sealing material.
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