JP2016215278A - Joint material and joint structure - Google Patents
Joint material and joint structure Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016215278A JP2016215278A JP2016040580A JP2016040580A JP2016215278A JP 2016215278 A JP2016215278 A JP 2016215278A JP 2016040580 A JP2016040580 A JP 2016040580A JP 2016040580 A JP2016040580 A JP 2016040580A JP 2016215278 A JP2016215278 A JP 2016215278A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal
- metal particles
- bonding
- particles
- intermetallic compound
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
Description
本発明は、対向する電極の間を接合するのに適した接合材及び接合構造に関する。 The present invention relates to a bonding material and a bonding structure suitable for bonding between opposed electrodes.
複数の半導体基板を積層して接合する場合に固有の問題として、カーケンダルボイドによる機械的強度の低下の問題がある。カーケンダルボイドは、相互拡散の不均衡により発生した原子空孔（格子）が、消滅することなく集積したことにより発生する。例えば、SnとCuの界面の場合、金属間化合物とCu界面とに空孔が集積し、カーケンダルボイドを形成する。このカーケンダルボイドが、より大きな空洞又はクラックに発展し、接合部並びに導体の信頼性及び品質を低下させ、更には機械的強度が低下し、剥離、断線等を生じてしまうこともある。 As a problem inherent in stacking and bonding a plurality of semiconductor substrates, there is a problem of a decrease in mechanical strength due to Kirkendall void. Kirkendall voids are generated by accumulation of atomic vacancies (lattices) generated by imbalance in mutual diffusion without disappearing. For example, in the case of the interface between Sn and Cu, vacancies accumulate at the intermetallic compound and the Cu interface to form a Kirkendall void. This Kirkendall void develops into a larger cavity or crack, lowers the reliability and quality of the joint and conductor, further lowers the mechanical strength, and may cause peeling or disconnection.
特許文献１は、半導体装置の電極と実装基板の電極を、Cu6Sn5と、Cuボールを有する接続部とにより接続し、Cuボール同士もまた、Cu6Sn5で連結する技術を開示している。しかしながら、電極間及びCuボール同士を、Cu6Sn5で接続するのであるから、SnとCuの界面にカーケンダルボイドが発生する危険性がある。 Patent Document 1 discloses a technique in which an electrode of a semiconductor device and an electrode of a mounting substrate are connected by Cu 6 Sn 5 and a connection part having a Cu ball, and the Cu balls are also connected by Cu 6 Sn 5. ing. However, since the electrodes and Cu balls are connected by Cu 6 Sn 5 , there is a risk that Kirkendall voids are generated at the interface between Sn and Cu.
特許文献２は、Cu3Snが、機械的強度及び耐熱性の点で、Cu6Sn5よりも優れているという点に着目し、半導体チップ又は基板の接合面に、Cu金属粒子とSn粒子を含む接合剤を塗布し、Snの融点より高い温度で加熱し、接合剤のCuとSnとを遷移的液相焼結させて、接合剤をCu6Sn5とCu3Snを含む組成にした後、更に、加熱し、前記接合剤のCu6Sn5をCu3Snに変化させて、Cu3Snの比率を増やす工法を開示している。 Patent Document 2 pays attention to the fact that Cu 3 Sn is superior to Cu 6 Sn 5 in terms of mechanical strength and heat resistance, and Cu metal particles and Sn particles are formed on the bonding surface of the semiconductor chip or the substrate. A bonding agent containing Cu is applied, heated at a temperature higher than the melting point of Sn, and the bonding agent Cu and Sn are subjected to transitional liquid phase sintering, so that the bonding agent has a composition containing Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn. After that, it is further disclosed that a heating method is used to change the Cu 6 Sn 5 of the bonding agent to Cu 3 Sn to increase the ratio of Cu 3 Sn.
しかし、接合剤のCuとSnを遷移的液相焼結させて、接合剤をCu6Sn5とCu3Snを含む組成にした後、更に、加熱してCu6Sn5をCu3Snに変化させて、Cu3Snの比率を増やすという工程を取るから、少なくとも、２段階の熱処理工程が必要であり、半導体チップに熱的ダメージを与えかねない。 However, after the bonding agent Cu and Sn are subjected to transitional liquid phase sintering so that the bonding agent has a composition containing Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn, further heating is performed to change the Cu 6 Sn 5 to Cu 3 Sn. Since the process of increasing the ratio of Cu 3 Sn is changed, at least a two-step heat treatment process is required, which may cause thermal damage to the semiconductor chip.
本発明の課題は、カーケンダルボイドの生じにくいナノコンポジット構造の接合層を形成するのに適した接合材を提供することである。 An object of the present invention is to provide a bonding material suitable for forming a bonding layer having a nanocomposite structure in which Kirkendall voids are not easily generated.
本発明の更にもう一つの課題は、接合強度、機械的強度が高く、しかも耐熱性に優れた接合層を形成するのに適した接合材を提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a bonding material suitable for forming a bonding layer having high bonding strength and mechanical strength and excellent heat resistance.
上述した課題を解決するため、本発明に係る接合材は、第１金属粒子と、第２金属粒子とを含む。前記第1金属粒子は、Snと、Sn及びCuから成る金属間化合物とを含んでいる。また、前記金属間化合物は、1μｍ以下の膜状物又は粒状物からなるナノコンポジット構造を有している。 In order to solve the above-described problem, the bonding material according to the present invention includes first metal particles and second metal particles. The first metal particles include Sn and an intermetallic compound composed of Sn and Cu. In addition, the intermetallic compound has a nanocomposite structure made of a film or granular material having a size of 1 μm or less.
次に、前記第２金属粒子は、Si被覆層を有するCu金属粒子又はCu合金粒子でなる多結晶体であって、一つの結晶の大きさが200ｎｍ以下のものを含んでいる。 Next, the second metal particles include a polycrystalline body made of Cu metal particles or Cu alloy particles having a Si coating layer, and one crystal has a size of 200 nm or less.
上記組成を充足する当該接合材を、Snの融点より高い温度、例えば、240〜300℃で加熱させて溶融させ、その後に冷却して凝固させた場合、第１金属粒子に含まれているSnと、第２金属粒子に含まれるCu金属またはCu合金との界面に、組成傾斜を持つナノコンポジット構造の（CuxSny）金属間化合物を、生成させることができることが確認された。組成傾斜とは、金属間化合物CuxSnyの組成比（ｘ、ｙ）が距離によって相対変化することをいう。 When the bonding material satisfying the above composition is heated and melted at a temperature higher than the melting point of Sn, for example, 240 to 300 ° C., and then cooled and solidified, Sn contained in the first metal particles In addition, it was confirmed that a (Cu x Sn y ) intermetallic compound having a nanocomposite structure with a composition gradient can be generated at the interface with the Cu metal or Cu alloy contained in the second metal particles. The composition gradient means that the composition ratio (x, y) of the intermetallic compound Cu x Sn y changes relative to the distance.
具体的には、第１金属粒子として、SnとCuとを含む合金を用いた場合、第１金属粒子に含まれていたSnと、第２金属粒子に含まれるCu金属またはCu合金との界面に組成傾斜をもつナノコンポジット構造の金属間化合物（CuxSny）を、一気に生じさせることが確認された。 Specifically, when an alloy containing Sn and Cu is used as the first metal particles, the interface between Sn contained in the first metal particles and Cu metal or Cu alloy contained in the second metal particles. It was confirmed that an intermetallic compound (Cu x Sn y ) having a nanocomposite structure with a composition gradient was generated at once.
しかも、第１金属粒子は、Sn粒子内、Sn結晶内、もしくは、Sn界面に金属拡散によるナノコンポジット構造の金属間化合物を有しているのに加えて、第２金属粒子は、Cu金属粒子又は Cu合金粒子でなる多結晶体であって、一つの結晶の大きさが200ｎｍ以下のものを含んでいる。 Moreover, in addition to the first metal particles having an intermetallic compound having a nanocomposite structure formed by metal diffusion in Sn particles, Sn crystals, or Sn interfaces, the second metal particles are Cu metal particles. Or it is a polycrystalline body made of Cu alloy particles, and one crystal has a size of 200 nm or less.
上述したように、一つの結晶の大きさが200ｎｍ以下というサイズに微細化されたCu金属粒子又はCu合金粒子には、良く知られているように、微細化効果が生じる。この微細化効果により、第１金属粒子に含まれるSnと、第２金属粒子であるCu金属粒子又はCu合金粒子との間の拡散反応が、Cu金属粒子又はCu合金粒子の周りにおいて、均一に進展し、遷移的液相焼結が円滑に進み、カーケンダルボイドの生じにくいナノコンポジット構造の接合層が形成される。 As described above, the Cu metal particles or Cu alloy particles, in which the size of one crystal is refined to a size of 200 nm or less, have a refinement effect as is well known. Due to this refinement effect, the diffusion reaction between the Sn contained in the first metal particles and the Cu metal particles or Cu alloy particles as the second metal particles is uniformly performed around the Cu metal particles or Cu alloy particles. As a result, the transitional liquid phase sintering proceeds smoothly, and a bonding layer having a nanocomposite structure in which Kirkendall voids are hardly generated is formed.
本発明において、ナノコンポジット構造とは、第1金属粒内にｎｍサイズの結晶粒状物または膜状物を分散させるか、又は、第1金属粒の表層にｎｍサイズの結晶粒状物または膜状物を分散させたものをいう。「ナノ」とは、１μｍ未満のサイズをいう。 In the present invention, the nanocomposite structure is a dispersion of nm-sized crystal particles or film in the first metal grains, or nm-size crystal particles or films in the surface layer of the first metal grains. This is a dispersion of “Nano” refers to a size of less than 1 μm.
これらの結果、接合強度、機械的強度が高く、しかも耐熱性に優れたナノコンポジット構造の金属間化合物（CuxSny）による接合が、一度の加熱処理で形成されることになる。 As a result, a bonding with a nanocomposite intermetallic compound (Cu x Sn y ) having high bonding strength and mechanical strength and excellent heat resistance is formed by a single heat treatment.
前記第１金属粒子は、Snと共に、Ag及びCuを含有していてもよい。このような接合材は、ハンダ接合において一般的なSn-Ag-Cu系ハンダ材料である。 The first metal particles may contain Ag and Cu together with Sn. Such a bonding material is a Sn—Ag—Cu based solder material that is common in solder bonding.
第２金属粒子であるCu金属粒子又はCu合金粒子は、Si被覆層を有することにより、Cuの酸化を防止できる他、CuとSnとの間の相互金属拡散を加速させ、均一化し、Cuの周りに、均質性のある金属間化合物（CuxSny）を、組成傾斜を以って生じさせたナノコンポジット構造を生じさせることができる。 The Cu metal particles or Cu alloy particles that are the second metal particles can prevent the oxidation of Cu by having the Si coating layer, and also accelerate and homogenize the mutual metal diffusion between Cu and Sn. Around it, a nanocomposite structure can be produced in which a homogeneous intermetallic compound (Cu x Sn y ) is produced with a composition gradient.
本発明に係る接合材は、一般には、有機ビヒクルを含み、前記有機ビヒクル中に前記第１金属粒子及び前記第２金属粒子を分散させた接合ペーストとして用いられる。 The bonding material according to the present invention generally includes an organic vehicle, and is used as a bonding paste in which the first metal particles and the second metal particles are dispersed in the organic vehicle.
有機ビヒクルを含まず粉末だけでの混合粉末を圧粉し薄膜片とする接合材としても用いる事ができる。 It can also be used as a bonding material that does not contain an organic vehicle and compacts a mixed powder consisting only of powder into a thin film piece.
本発明において、「金属」、「金属粒子」又は「金属成分」というときは、金属元素単体のみならず、複数の金属元素を含む合金、コンポジット構造、又は、それらの組合せを含む。 In the present invention, the term “metal”, “metal particle” or “metal component” includes not only a single metal element but also an alloy containing a plurality of metal elements, a composite structure, or a combination thereof.
上述したように、本発明によれば次のような効果を得ることができる。
（ａ）カーケンダルボイドの生じにくいナノコンポジット構造の接合層を形成するのに適した接合材を提供することである。
（ｂ）接合強度、機械的強度が高く、しかも耐熱性に優れた接合層を形成するのに適した接合材を提供することができる。
（ｃ）金属間化合物CuxSnyの組成比（ｘ、ｙ）が距離によって相対変化する組成傾斜をもつナノコンポジット構造の接合層を最小熱処理工程で形成し得る接合材及び接合構造を提供することができる。
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
(A) To provide a bonding material suitable for forming a bonding layer having a nanocomposite structure in which Kirkendall void is unlikely to occur.
(B) A bonding material suitable for forming a bonding layer having high bonding strength and mechanical strength and excellent heat resistance can be provided.
(C) Provided is a bonding material and a bonding structure capable of forming a nanocomposite bonding layer having a composition gradient in which the composition ratio (x, y) of the intermetallic compound Cu x Sn y changes relative to the distance by a minimum heat treatment step. be able to.
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。但し、添付図面は、単なる例示に過ぎない。 Other objects, configurations and advantages of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the attached drawings are merely examples.
図１を参照すると、本発明に係る接合材は、第１金属粒子M1と、第２金属粒子M2とを含む。第1金属粒子M1は、Sn及びCuの他、第３成分として、Ag、Bi、Zn、Mn、Cr、Ni、Ti、Si、Sb、Ga、Alから選択された少なくとも一種を微量含有してあってもよい。 Referring to FIG. 1, the bonding material according to the present invention includes first metal particles M1 and second metal particles M2. The first metal particle M1 contains a trace amount of at least one selected from Ag, Bi, Zn, Mn, Cr, Ni, Ti, Si, Sb, Ga and Al as a third component in addition to Sn and Cu. There may be.
図２は第１金属粒子Ｍ１のTEM像を示し、図３は図２のＡ1部の拡大TEM像を示している。これらの図に示すように、第1金属粒子M1は、Sn結晶界面又は結晶内に、金属拡散による金属間化合物CuxSnyを有する。金属間化合物CuxSnyは、図2及び図3のスケール表示に照らして、ｎｍサイズの膜状物又は粒状物であるから、第１金属粒子Ｍ１はナノコンポジット構造であることは明らかである。 FIG. 2 shows a TEM image of the first metal particle M1, and FIG. 3 shows an enlarged TEM image of the A1 portion of FIG. As shown in these drawings, the first metal particle M1 has an intermetallic compound Cu x Sn y by metal diffusion at the Sn crystal interface or in the crystal. Since the intermetallic compound Cu x Sn y is a film or granular material having a size of nm in light of the scale display in FIGS. 2 and 3, it is clear that the first metal particle M1 has a nanocomposite structure. .
第２金属粒子M2は、Cu金属粒子又はCu合金粒子でなる多結晶体であって、一つの結晶の大きさが200ｎｍ以下のものを含んでいる。その意味は、多結晶の内の少なくとも１つの結晶（単結晶）の大きさが200ｎｍ以下であればよいということである。 The second metal particle M2 is a polycrystalline body made of Cu metal particles or Cu alloy particles, and includes one having a crystal size of 200 nm or less. This means that the size of at least one crystal (single crystal) of the polycrystals should be 200 nm or less.
第２金属粒子Ｍ2は、第１金属粒子Ｍ１をR質量％、第２金属粒子Ｍ2をS質量％、その和（R+S）を100質量％として、1質量％≦S≦80質量％を満たすようにする。第２金属粒子M2の融点以下でナノコンポジット構造を有する組成傾斜接合部を作り出すには、一つの結晶サイズを、好ましくは、100ｎｍ以下、さらに好ましくは、20ｎｍ以下にする。 The second metal particle M2 has 1 mass% ≦ S ≦ 80 mass%, where the first metal particle M1 is R mass%, the second metal particle M2 is S mass%, and the sum (R + S) is 100 mass%. Try to meet. In order to create a composition gradient junction having a nanocomposite structure below the melting point of the second metal particles M2, one crystal size is preferably 100 nm or less, and more preferably 20 nm or less.
図５は、積層される複数の基板１１，１２の電極111，121の間を、本発明に係る接合材による接合層２によって接続した電子デバイス、例えば、半導体装置を示す。 FIG. 5 shows an electronic device such as a semiconductor device in which electrodes 111 and 121 of a plurality of substrates 11 and 12 to be stacked are connected by a bonding layer 2 made of a bonding material according to the present invention.
基板１１，１２の電極111，121の間を、本発明に係る接合材による接合層２によって接続するにあたっては、当該接合材を、基板１１，１２の電極111，121の間に介在させた状態で、Snの融点より高い温度、例えば、240〜300℃で加熱し、溶融し、その後に冷却して凝固させる。本発明に係る接合材は、一般には、有機ビヒクルを含み、有機ビヒクル中に第1金属粒子M1及び第２金属粒子M2を分散させた接合材ペーストとして用いられる。 When the electrodes 111 and 121 of the substrates 11 and 12 are connected by the bonding layer 2 made of the bonding material according to the present invention, the bonding material is interposed between the electrodes 111 and 121 of the substrates 11 and 12. Then, it is heated at a temperature higher than the melting point of Sn, for example, 240 to 300 ° C., melted, and then cooled and solidified. The bonding material according to the present invention generally includes an organic vehicle, and is used as a bonding material paste in which the first metal particles M1 and the second metal particles M2 are dispersed in the organic vehicle.
ここで、本発明に係る接合材では、第１金属粒子M1は、Snと、Sn及びCuから成る金属間化合物とを含んでいる。好ましくは、その組成をP質量％Sn- Q質量％SnとCuから成る金属間化合物として、前記第1金属粒子の質量を100％質量としたとき、1質量％≦Q≦60質量％を満たしている。 Here, in the bonding material according to the present invention, the first metal particles M1 include Sn and an intermetallic compound composed of Sn and Cu. Preferably, the composition is an intermetallic compound composed of P mass% Sn-Q mass% Sn and Cu, and when the mass of the first metal particle is 100% mass, 1 mass% ≦ Q ≦ 60 mass% is satisfied. ing.
一方、第２金属粒子M2は、Si被覆層を有するCu金属粒子又はCu合金粒子でなり、好ましくは、第１金属粒子M1をR質量％、第２金属粒子M2をS質量％、その和（R+S）を100質量％として、1質量％≦S≦80質量％を満たす。 On the other hand, the second metal particles M2 are Cu metal particles or Cu alloy particles having a Si coating layer, and preferably, the first metal particles M1 are R mass%, the second metal particles M2 are S mass%, and the sum ( R + S) is defined as 100% by mass, and 1% by mass ≦ S ≦ 80% by mass is satisfied.
上記組成、即ち、１質量％≦Q≦60質量％、及び、1質量％≦S≦80質量％を充足する当該接合材を、Snの融点より高い温度、例えば、240〜300℃で加熱させて溶融させ、その後に冷却して凝固させた場合、第1金属粒子M1に含まれているSnと、第２金属粒子M2に含まれるCu金属またはCu合金との界面に、極端な異金属間化合物を生じることなく、組成傾斜を持つナノコンポジット構造の金属間化合物（CuxSny）が、一気に生成されることが確認された。 The bonding material satisfying the above composition, that is, 1 mass% ≦ Q ≦ 60 mass% and 1 mass% ≦ S ≦ 80 mass% is heated at a temperature higher than the melting point of Sn, for example, 240 to 300 ° C. When it is melted and then cooled and solidified, there is an extreme difference between different metals at the interface between Sn contained in the first metal particle M1 and Cu metal or Cu alloy contained in the second metal particle M2. It was confirmed that an intermetallic compound (Cu x Sn y ) having a nanocomposite structure having a composition gradient was generated at a stretch without generating a compound.
具体的には、第1金属粒子M1として、SnとCuとを含む合金を用いた場合、第１金属粒子M1に含まれていたSnと、第２金属粒子M2に含まれるCu金属またはCu合金との界面に、極端な異金属間化合物を生じることなく、組成傾斜をもつナノコンポジット構造の金属間化合物（CuxSny）が、一気に形成されることが確認された。 Specifically, when an alloy containing Sn and Cu is used as the first metal particle M1, Sn contained in the first metal particle M1 and Cu metal or Cu alloy contained in the second metal particle M2 are used. It was confirmed that a nanocomposite structure intermetallic compound (Cu x Sn y ) having a composition gradient was formed at a stretch without generating an extreme intermetallic compound at the interface.
しかも、第１金属粒子M1は、Sn粒子内、Sn結晶内、もしくは、Sn界面に金属拡散によるナノコンポジット構造の金属間化合物（CuxSny）を有しているのに加えて、第２金属粒子M2は、Cu金属粒子又はCu合金粒子でなる多結晶体であって、一つの結晶の大きさが200ｎｍ以下のものを含んでいる。 In addition, the first metal particle M1 has an intermetallic compound (Cu x Sn y ) having a nanocomposite structure formed by metal diffusion in the Sn particle, the Sn crystal, or the Sn interface. The metal particle M2 is a polycrystalline body made of Cu metal particles or Cu alloy particles, and includes one having a crystal size of 200 nm or less.
上述したように、少なくとも一つの結晶の大きさが200ｎｍ以下というサイズに微細化されたCu金属粒子又はCu合金粒子には、良く知られているように、微細化効果が生じる。この微細化効果により、第1金属粒子M1に含まれるSnと、第２金属粒子M2であるCu金属粒子又はCu合金粒子との間の拡散反応が、Cu金属粒子又はCu合金粒子の周りにおいて、均一に進展し、遷移的液相焼結が円滑に進み、カーケンダルボイドの生じにくいナノコンポジット構造の接合層が形成される。第2金属粒子M2の微細化効果は、第2金属粒子M2に含まれる結晶の少なくとも一部を、100ｎｍ以下、特に、20ｎｍ以下にしたときに一層顕著に現れる。 As described above, the Cu metal particles or Cu alloy particles that are refined to a size of at least one crystal of 200 nm or less have a refinement effect, as is well known. Due to this refinement effect, the diffusion reaction between the Sn contained in the first metal particles M1 and the Cu metal particles or Cu alloy particles as the second metal particles M2 is caused around the Cu metal particles or Cu alloy particles. Uniform progress, smooth transitional liquid phase sintering progresses, and a nanocomposite bonding layer is formed in which Kirkendall voids are less likely to occur. The refinement effect of the second metal particles M2 appears more prominently when at least part of the crystals contained in the second metal particles M2 is 100 nm or less, particularly 20 nm or less.
これらの結果、接合強度、機械的強度が高く、しかも耐熱性に優れたナノコンポジット構造の金属間化合物（CuxSny）による接合が、一度の加熱処理で形成されることになる。 As a result, a bonding with a nanocomposite intermetallic compound (Cu x Sn y ) having high bonding strength and mechanical strength and excellent heat resistance is formed by a single heat treatment.
第２金属粒子M2であるＣｕ金属粒子又はCu合金粒子は、Si被覆層を有する。このようなSi被覆層を有することにより、Cuの酸化を防止できる他、CuとSnとの間の相互金属拡散を加速させ、均一化し、Cuの周りに、均質性のある金属間化合物（CuｘSny）を、組成傾斜を以って生じさせたナノコンポジット構造を生じさせることができる。 The Cu metal particles or Cu alloy particles that are the second metal particles M2 have a Si coating layer. By having such a Si coating layer, it is possible to prevent Cu oxidation, accelerate and homogenize mutual metal diffusion between Cu and Sn, and have a homogeneous intermetallic compound (Cu) around Cu. the x Sn y), can produce a nanocomposite structure that caused drives out composition gradient.
本発明に係る接合材は、一般には、有機ビヒクルを含み、前記有機ビヒクル中に前記第１金属粒子M1及び前記第２金属粒子M2を分散させた接合ペーストとして用いられる。 The bonding material according to the present invention generally includes an organic vehicle, and is used as a bonding paste in which the first metal particles M1 and the second metal particles M2 are dispersed in the organic vehicle.
有機ビヒクルを含まず粉末だけでの混合粉末を圧粉し薄膜片とする接合材としても用いる事ができる。 It can also be used as a bonding material that does not contain an organic vehicle and compacts a mixed powder consisting only of powder into a thin film piece.
しかも、第２金属粒子M2は、少なくとも結晶の一つが200ｎｍ以下であるので、Cu金属粒子を構成する結晶の微細化による拡散反応の均一化及び均質化が促進されると共に、Snを含有する第１金属粒子M1との間の遷移的液相焼結により、カーケンダルボイドの生じにくいナノコンポジット構造の接合が形成される。 In addition, since at least one of the crystals of the second metal particle M2 is 200 nm or less, the homogenization and homogenization of the diffusion reaction by the refinement of the crystal constituting the Cu metal particle is promoted and the second metal particle M2 containing Sn A transitional liquid phase sintering with one metal particle M1 forms a nanocomposite structure bond that is unlikely to cause Kirkendall voids.
これらの結果、接合強度、機械的強度が高く、しかも耐熱性に優れたナノコンポジット構造を有する組成傾斜の金属間化合物CuxSnyによる接合が、一度の加熱処理で形成されることになる。 As a result, a bonding with a composition-graded intermetallic compound Cu x Sn y having a nanocomposite structure with high bonding strength and mechanical strength and excellent heat resistance is formed by a single heat treatment.
図６は、図５に示した電子デバイスの接合層２のTEM像、図７は、図５に示した電子デバイスの接合層２の拡大されたTEM像、図８は図７に設定された分析位置EDS-07〜EDS-13におけるEDS元素分析結果を示す表である。 6 is a TEM image of the bonding layer 2 of the electronic device shown in FIG. 5, FIG. 7 is an enlarged TEM image of the bonding layer 2 of the electronic device shown in FIG. 5, and FIG. 8 is set in FIG. It is a table | surface which shows the EDS elemental-analysis result in analysis position EDS-07-EDS-13.
図６及び図７を参照すると、第２金属粒子M2に由来するCu金属粒子の周りに、第１金属粒子M1に含まれているSnとの間の金属拡散及び遷移的液相焼結により、金属間化合物CuxSnyが形成されている。Cu金属粒子は、第２金属粒子M2に由来するので、多結晶であり、望ましくは、一つの結晶の大きさが200ｎｍ以下のものを含んでいる。 Referring to FIG. 6 and FIG. 7, the metal diffusion and the transitional liquid phase sintering with the Sn contained in the first metal particle M 1 around the Cu metal particle derived from the second metal particle M 2. An intermetallic compound Cu x Sn y is formed. Since the Cu metal particles are derived from the second metal particles M2, they are polycrystalline, and preferably contain one crystal having a size of 200 nm or less.
接合層２は、金属間化合物CuxSnyの組成比（ｘ、ｙ）が距離によって相対変化する組成傾斜をもつナノコンポジット構造をもつ。 The bonding layer 2 has a nanocomposite structure having a composition gradient in which the composition ratio (x, y) of the intermetallic compound Cu x Sn y changes relative to the distance.
この点について、図８のEDS分析結果を参照して説明する。図８の分析結果をみると、Cu粒子の位置である分析位置EDSから分析位置EDS-12に向かって、Cu組成分が減少し、Sn組成分が上昇する組成傾斜の特性が現れている。そして、この組成傾斜性において、Cu粒子に近い分析位置EDS-09に、Cu3Sn相が生成されている。また、分析位置EDS-11及びEDS-12にCu6Sn5相が生成されている。 This point will be described with reference to the EDS analysis result of FIG. When the analysis result of FIG. 8 is seen, the characteristic of the composition gradient which Cu component content decreases and Sn composition content rises from the analysis position EDS which is a position of Cu particle toward the analysis position EDS-12 appears. Then, in the composition gradient resistance, the analysis position EDS-09 close to the Cu particles, Cu 3 Sn phase is generated. In addition, a Cu 6 Sn 5 phase is generated at the analysis positions EDS-11 and EDS-12.
本発明に係る接合材は、一般には、有機ビヒクルを含み、前記有機ビヒクル中に前記第１金属粒子M1及び前記第２金属粒子M2を分散させた接合ペーストとして用いられる。 The bonding material according to the present invention generally includes an organic vehicle, and is used as a bonding paste in which the first metal particles M1 and the second metal particles M2 are dispersed in the organic vehicle.
有機ビヒクルを含まず粉末だけでの混合粉末を圧粉し薄膜片とする接合材としても用いる事ができる。 It can also be used as a bonding material that does not contain an organic vehicle and compacts a mixed powder consisting only of powder into a thin film piece.
しかも、第２金属粒子M2は、粒子内単結晶サイズが200ｎｍ以下のCu金属粒子であるので、Cu金属粒子を構成する結晶の微細化による拡散反応の均一化及び均質化が促進されると共に、Snを含有する第1金属粒子M1との間の遷移的液相焼結により、カーケンダルボイドの生じにくいナノコンポジット構造の接合が形成される。 Moreover, since the second metal particle M2 is a Cu metal particle having an intra-particle single crystal size of 200 nm or less, the homogenization and homogenization of the diffusion reaction due to the refinement of the crystals constituting the Cu metal particle are promoted, The transitional liquid phase sintering with the first metal particles M1 containing Sn forms a nanocomposite joint that is less likely to cause Kirkendall voids.
これらの結果、接合強度、機械的強度が高く、しかも耐熱性に優れたナノコンポジット構造を有する組成傾斜の金属間化合物CuxSnyによる接合が、一度の加熱処理で形成されることになる。 As a result, a bonding with a composition-graded intermetallic compound Cu x Sn y having a nanocomposite structure with high bonding strength and mechanical strength and excellent heat resistance is formed by a single heat treatment.
次に、図１乃至図４に示した本発明に係る接合材を用いて、図５に示した電子デバイスを製造する方法について、図９を参照して説明する。まず、第１金属粒子M1と第２金属粒子M2からなる粉状接合材を準備する。第１金属粒子M1及び第２金属粒子M2は、既に説明したとおりである。 Next, a method of manufacturing the electronic device shown in FIG. 5 using the bonding material according to the present invention shown in FIGS. 1 to 4 will be described with reference to FIG. First, a powdery bonding material composed of first metal particles M1 and second metal particles M2 is prepared. The first metal particles M1 and the second metal particles M2 are as described above.
この後、上述した接合材を、有機ビヒクル中分散させることにより、接合材ペーストを作成する。有機ビヒクルは、周知のものを用いることができる。 Thereafter, the above-described bonding material is dispersed in an organic vehicle to prepare a bonding material paste. A well-known organic vehicle can be used.
次に、上述した接合材ペーストを、図５において、基板１１，１２の電極111，121の何れかに塗布し、次に、基板１１，１２を積層させる。そして、積層状態で、Ｓｎの融点より高い温度、例えば、240〜300℃で加熱して、接合材ペーストに含まれる有機成分をバーンアウトするとともに、Sn主成分とする第１金属粒子M1を溶解させ、その後に冷却して凝固させる。 Next, the bonding material paste described above is applied to any of the electrodes 111 and 121 of the substrates 11 and 12 in FIG. 5, and then the substrates 11 and 12 are laminated. Then, in a laminated state, it is heated at a temperature higher than the melting point of Sn, for example, 240 to 300 ° C. to burn out the organic component contained in the bonding material paste and dissolve the first metal particles M1 containing Sn as a main component. And then cooled and solidified.
これにより、図５に例示したように、電極111及び電極121を接合する接合層２を形成することができる。この接合層２には、第１金属粒子M1に含まれていたSnと、第２金属粒子M2を構成するCuとの界面に、組成傾斜をもつナノコンポジット構造の金属間化合物（CuxSny）が形成される。 Thereby, as illustrated in FIG. 5, the bonding layer 2 for bonding the electrode 111 and the electrode 121 can be formed. The bonding layer 2 has a nanocomposite structure intermetallic compound (Cu x Sn y) having a composition gradient at the interface between Sn contained in the first metal particle M1 and Cu constituting the second metal particle M2. ) Is formed.
接合構造の別の製造方法として、本発明に係る接合材の粉末を用い、これに、従来より知られている圧粉成形技術を適用して、薄膜成形体としてもよい。 As another manufacturing method of the bonding structure, the powder of the bonding material according to the present invention may be used, and a conventionally known compacting technique may be applied to form a thin film molded body.
以上、好ましい実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。 The present invention has been described in detail with reference to the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art based on the basic technical idea and teachings. It is self-evident that
M1 第１金属粒子
M2 第２金属粒子
M1 1st metal particle
M2 Second metal particle
Claims (4)
前記第１金属粒子は、Snと、Sn及びCuから成る金属間化合物とを含み、
前記金属間化合物は、1μｍ以下の膜状物又は粒状物からなるナノコンポジット構造を有しており、
前記第２金属粒子は、Si被覆層を有するCu金属粒子又はCu合金粒子でなる多結晶体であって、一つの結晶の大きさが200ｎｍ以下のものを含んでいる、
接合材。 A bonding material including first metal particles and second metal particles,
The first metal particles include Sn and an intermetallic compound composed of Sn and Cu,
The intermetallic compound has a nanocomposite structure composed of a film or granular material of 1 μm or less,
The second metal particle is a polycrystalline body made of Cu metal particles or Cu alloy particles having a Si coating layer, and includes one crystal having a size of 200 nm or less.
Bonding material.
A joining structure in which conductors are connected using a joining material, wherein the joining material is the one described in any one of claims 1 to 3.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015105121 | 2015-05-25 | ||
| JP2015105121 | 2015-05-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016215278A true JP2016215278A (en) | 2016-12-22 |
Family
ID=57579872
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016040580A Pending JP2016215278A (en) | 2015-05-25 | 2016-03-03 | Joint material and joint structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2016215278A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019141908A (en) * | 2018-02-19 | 2019-08-29 | 有限会社 ナプラ | Solder material, metal particle, paste, metal material, composite material, semiconductor device, electronic component, electrical equipment, optical equipment and lighting equipment |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002280369A (en) * | 2001-03-19 | 2002-09-27 | Canon Sales Co Inc | Apparatus and method of forming oxide film on silicon substrate |
| JP2011062736A (en) * | 2009-09-18 | 2011-03-31 | Sanyo Special Steel Co Ltd | Lead-free high-temperature solder material |
-
2016
- 2016-03-03 JP JP2016040580A patent/JP2016215278A/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002280369A (en) * | 2001-03-19 | 2002-09-27 | Canon Sales Co Inc | Apparatus and method of forming oxide film on silicon substrate |
| JP2011062736A (en) * | 2009-09-18 | 2011-03-31 | Sanyo Special Steel Co Ltd | Lead-free high-temperature solder material |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019141908A (en) * | 2018-02-19 | 2019-08-29 | 有限会社 ナプラ | Solder material, metal particle, paste, metal material, composite material, semiconductor device, electronic component, electrical equipment, optical equipment and lighting equipment |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5757359B2 (en) | Cu / ceramic bonded body, Cu / ceramic bonded body manufacturing method, and power module substrate | |
| Bashir et al. | Reduction of electromigration damage in SAC305 solder joints by adding Ni nanoparticles through flux doping | |
| WO2015029813A1 (en) | Method for manufacturing assembly and method for manufacturing power-module substrate | |
| WO2013115359A1 (en) | Substrate for power modules, substrate with heat sink for power modules, power module, method for producing substrate for power modules, and paste for bonding copper member | |
| KR101771382B1 (en) | Multi-layer preform sheet | |
| WO2015141295A1 (en) | Bonded body, substrate for power modules, power module and method for producing bonded body | |
| WO2014181883A1 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device | |
| TW201642281A (en) | Sintering pastes with high metal loading for semiconductor die attach applications | |
| WO2013132954A1 (en) | Bonding method, bond structure, and manufacturing method for same | |
| US10507551B2 (en) | Metal particle and articles formed therefrom | |
| WO2015060173A1 (en) | Silver paste and semiconductor device using same | |
| US10625377B2 (en) | Bonding member and method for manufacturing bonding member | |
| JP2015065423A (en) | Joined body and substrate for power module | |
| JP6443568B2 (en) | Bonding material, bonding method and bonding structure using the same | |
| JP6380852B2 (en) | Heat resistant, acid resistant, conductive metal material | |
| JP2017537792A (en) | Transient liquid phase composition with multilayer particles | |
| JP2018079480A (en) | Bi-In-Sn TYPE SOLDER ALLOY FOR LOW TEMPERATURE, ELECTRONIC PART IMPLEMENTATION SUBSTRATE USING THE ALLOY, AND APPARATUS MOUNTING THE IMPLEMENTATION SUBSTRATE | |
| Satoh et al. | Nanoparticle/solder hybrid joints for next-generation power semiconductor modules | |
| KR102040278B1 (en) | Lead-free solder composition and manufacturing method of the same, bonding method using lead-free solder composition | |
| JP4959539B2 (en) | Laminated solder material, soldering method and solder joint using the same | |
| JP2015174097A (en) | Composite material provided with active metal solder layer | |
| JP2016215278A (en) | Joint material and joint structure | |
| KR102061203B1 (en) | Solder paste and foil with low melting point and heat resistance | |
| WO2017038418A1 (en) | Bonding member, method for producing bonding member and bonding method | |
| JP2012024834A (en) | Solder material and method for preparing the same, and method for manufacturing semiconductor device using the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20170221 |