KR101887290B1 - 접합 구조 및 전자부재 접합 구조체 - Google Patents
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- H01L2224/05138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05155—Nickel [Ni] as principal constituent
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- H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
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- H01L2224/05599—Material
- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05639—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05644—Gold [Au] as principal constituent
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- H01L2224/05599—Material
- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05647—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/05664—Palladium [Pd] as principal constituent
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- H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
- H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
- H01L2224/0554—External layer
- H01L2224/05599—Material
- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/05669—Platinum [Pt] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/2612—Auxiliary members for layer connectors, e.g. spacers
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29199—Material of the matrix
- H01L2224/29294—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a liquid not provided for in groups H01L2224/292 - H01L2224/29291
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29301—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29311—Tin [Sn] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29317—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/2932—Antimony [Sb] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29317—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/29324—Aluminium [Al] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29339—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29344—Gold [Au] as principal constituent
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- H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29347—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/29355—Nickel [Ni] as principal constituent
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- H01L2224/29363—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/29364—Palladium [Pd] as principal constituent
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- H01L2224/29363—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
- H01L2224/29369—Platinum [Pt] as principal constituent
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- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/32227—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bond pad of the item
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- H01L2224/75252—Means for applying energy, e.g. heating means in the upper part of the bonding apparatus, e.g. in the bonding head
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83385—Shape, e.g. interlocking features
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83399—Material
- H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/83439—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
- H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
- H01L2224/83399—Material
- H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/83447—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2924/151—Die mounting substrate
- H01L2924/156—Material
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- H01L2924/15787—Ceramics, e.g. crystalline carbides, nitrides or oxides
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Abstract
본 발명은 금속부재와 금속 다공질체의 접합부에서의 크랙 발생을 방지하고, 신뢰성이 높은 접합을 실현할 수 있는 접합 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 접합 구조는, 금속부재(1)와, 해당 금속부재(1) 상에 형성된 금속 다공질체(2)를 구비한다. 금속부재(1)는, 한쪽의 주면(1a)을 포함하고 금속 다공질체(2) 측에 형성된 외부층(1b)과, 외부층(1b)보다도 두께 방향에 있어서 금속 다공질체(2)로부터 떨어진 위치에 형성된 내부층(1c)을 구비하고, 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)이 내부층(1c)의 평균 결정 입자 직경(di)보다도 작고, 금속 다공질체(2)의 평균 결정 입자 직경(dp)이 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)보다도 작거나 또는 같다.
Description
본 발명은, 금속부재에 금속 다공질체를 접합시킨 접합 구조 및 전자부재 접합 구조체에 관한 것으로, 특히, 금속부재가 회로 기판, 세라믹스 기판 등의 기판 또는 리드 프레임 등일 경우의 접합 구조에 관한 것이다.
전력의 제어나 공급 등을 행하는 반도체 소자(소위 파워 반도체 소자)와 회로 기판, 세라믹스 기판 등의 기판 또는 리드 프레임 등의 배선체의 접속에서는, 일반적으로 땜납이 사용되고 있다. 이러한 땜납으로서는, 땜납의 분말에 플럭스(flux)를 첨가해서 적당한 점도로 한 크림 땜납이 주로 이용되고 있다. 그러나, 플럭스를 이용하면, 반도체 소자 표면을 오염시킬 가능성이 있어, 세정 공정이 필요하게 된다는 문제가 있었다. 또, 최근, 환경상의 배려로부터, 납을 포함하지 않는 무연 땜납 재료를 이용하는 것이 요구되고 있다. 파워 반도체 소자의 발열에 대응 가능한 무연 땜납 재료로서 Au-Sn계 땜납이 있지만, 고가이기 때문에, 실용적이지 않다. Au-Sn계 땜납보다 저렴한 땜납 재료로서 Sn-Ag-Cu계 땜납이 있지만, 열이력에 의한 금속간 화합물의 성장이 신뢰성의 저하에 연결된다는 문제가 있었다.
한편, 땜납을 이용하지 않는 접합부재로서, 열경화성 수지에 도전성을 지니는 미세한 금속 입자를 혼합한 것을 막 형상으로 형성한 이방성 도전 필름(Anisotropic Conductive Film: ACF)이 있다. 그러나, ACF는, 고열에 의한 열경화성 수지의 열화가 염려되므로, 발열량이 큰 파워 반도체 소자의 접속에는 적합하지 않다.
그래서, 땜납을 이용하지 않는 다른 접합부재로서, Ag의 입자를 수지에 분산시킨 Ag 페이스트를 이용하는 것이 제안되어 있다. 파워 반도체 소자의 접합부재로서 Ag 페이스트를 적용할 경우, 고열전도성과 고도전성이 요구되므로, 페이스트 중의 Ag의 함유량을 높게 할 필요가 있다. 그런데, Ag의 함유량이 높아지면, 탄성 변형되기 쉬운 수지의 비율이 작아지므로, 경화 처리 후의 접합층의 강성이 증가하여 접합층의 왜곡 흡수 능력이 낮아진다. 이 접합층에 왜곡 흡수 능력을 초과하는 왜곡이 가해지면, 반도체 소자의 전극 혹은 다이 패드와 Ag입자의 접촉 계면이나 접속 재료 내에서 결함이 생겨, 박리가 생기는 문제가 있었다.
또, 반도체 소자의 전극이나 기판의 전극이 Ni를 함유할 경우, 접합부재로서 Ag 페이스트를 이용하면, 접합 강도(밀착성)가 낮고, 취급 시의 외력으로 계면이 파단되거나, 필요한 장기 신뢰성이 얻어지지 않는다는 문제가 있으므로, 반도체 소자의 전극이나 기판의 전극에 귀금속 도금을 시행할 필요가 있다. 그런데, 이와 같이 귀금속 도금을 실시해서 접합한 경우, 부재 간의 열팽창차에 의한 반도체칩에의 열응력이 증대하므로, 내구성이 저하된다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 최근, 유기물로 표면이 피복된 평균 입자 직경 100㎚ 이하의 금속 입자를 피접합재 사이에 공급하고, 가열에 의해 유기물을 분해시켜서 금속 입자끼리 소결시킴으로써 접합을 행하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1).
또, 피접합재의 접합 계면에 산소를 포함하는 산화물층을 형성하고, 이 접합 계면에, 평균 입자 직경이 1㎚ 이상 50㎛ 이하인 금속화합물 입자와 유기물로 이루어진 환원제를 포함하는 접합재를 배치하고, 피접합재 간을 가열, 가압시킴으로써 피접합재를 접합하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2). 이 구성에서는, 금속화합물 입자 단체를 가열 분해시키는 것보다도 저온에서 금속화합물 입자가 환원되고, 그때에 평균 입자 직경이 100㎚ 이하인 금속 입자가 제작된다고 되어 있다. 또한, 접합 전에 미리 접합면에 산화물층을 생성시킨 후에, 그 층에 산화 처리를 실시해서 자연 산화막 두께 이상의 두께의 산화층을 생성시켜 둠으로써, 접합 시에 접합재 중의 유기물의 배출을 효율적으로 행할 수 있고, 이것에 의해 접합면의 전단 강도를 높이는 것이 가능해진다고 하고 있다.
또한, 같은 금속 이온 및/또는 금속원자 간의 치환 확산에 의해서 형성되는, 도전성을 지니는 접속이 형성 가능하도록, 2개의 금속 표면을 처리한 후에 2개의 금속 표면끼리 접속하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3).
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 구성에서는, 금속 미립자에 의한 접합에 있어서, 금속 미립자의 접합에 비해서, 금속 미립자의 페이스트 접속부와 금속부재의 구리 사이에 결정 입자 직경의 큰 차이가 있고, 그 계면에 왜곡 집중이 일어나(항복 왜곡의 차이), 반복 왜곡 부가 시의 크랙 발생점이 형성되기 쉽다는 문제가 있었다. 또, 특허문헌 3의 구성에서는, 2개의 금속 표면의 계면 근방에 있어서의 결정 입자 직경에 대해서는 하등 개시되어 있지 않다.
본 발명의 목적은, 금속부재와 금속 다공질체의 접합부에서의 크랙 발생을 방지하고, 신뢰성이 높은 접합을 실현할 수 있는 접합 구조 및 전자부재 접합 구조체를 제공하는 것에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 접합 구조는, 금속부재와, 상기 금속부재 상에 형성된 금속 다공질체를 구비하는 접합 구조로서, 상기 금속부재는, 적어도 한쪽의 주면(主面)을 포함하고 상기 금속 다공질체 측에 형성된 제1 외부층과, 상기 제1 외부층보다도 두께 방향에 있어서 상기 금속 다공질체로부터 떨어진 위치에 형성된 제1 내부층을 구비하고, 상기 제1 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds)이 상기 제1 내부층의 평균 결정 입자 직경(di)보다도 작고, 상기 금속 다공질체의 평균 결정 입자 직경(dp)이 상기 제1 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds)보다도 작거나 또는 같은 것을 특징으로 한다.
또, 상기 평균 결정 입자 직경(ds)과 상기 평균 결정 입자 직경(dp)이 1 ≤ ds/dp < 100을 충족시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 평균 결정 입자 직경(ds)이 0.2㎛ 이상 10㎛ 미만인 것이 바람직하다.
또, 상기 평균 결정 입자 직경(di)이 10㎛ 이상 100㎛ 미만인 것이 바람직하다.
또한, 상기 평균 결정 입자 직경(dp)이 0.1㎛ 이상 1㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또, 상기 금속부재 및 상기 금속 다공질체를 구성하는 금속재료가 Cu 혹은 Cu 합금 또는 Ag 혹은 Ag 합금인 것이 바람직하다.
상기 금속 다공질체 상에 금속판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 금속판은, 적어도 한쪽의 주면을 포함하고 상기 금속 다공질체 측에 형성된 제2 외부층과, 상기 제2 외부층보다도 두께 방향에 있어서 상기 금속 다공질체로부터 떨어진 위치에 형성된 제2 내부층을 구비하고, 상기 제2 외부층에 있어서의 평균 결정 입자 직경(ds')이, 상기 제2 내부층에 있어서의 평균 결정 입자 직경(di')보다도 작은 것이 바람직하다.
상기 금속부재가 리드 프레임용 기재인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전자부재 접속 구조체는, 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스 기판 상에 형성된 금속 다공질체와, 상기 금속 다공질체 상에 배치된 전자부재를 구비하는 전자부재 접속 구조체로서, 상기 세라믹스 기판은, 세라믹스체와, 상기 세라믹스체 상에 형성된 금속층을 구비하고, 상기 금속층은, 적어도 한쪽의 주면을 포함하고 상기 금속 다공질체 측에 형성된 외부층과, 상기 외부층보다도 두께 방향에 있어서 상기 금속 다공질체로부터 떨어진 위치에 형성된 내부층을 구비하며, 상기 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds)이 상기 내부층의 평균 결정 입자 직경(di)보다도 작고, 상기 금속 다공질체의 평균 결정 입자 직경(dp)이 상기 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds)보다도 작거나 또는 같은 것을 특징으로 한다.
상기 금속 다공질체와 상기 전자부재 사이에, Au, Ag, Cu, Pd, Pt 중 어느 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 전극층을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 접합 구조에 따르면, 적층체의 두께 방향에 관해서 연속적으로 항복 왜곡이 변화되므로, 왜곡 집중이 억제되어, 반복 왜곡이 부가될 때에 크랙 발생점이 형성되기 어렵다. 또, 금속부재의 내부층의 결정 입자 직경이 크기 때문에, 전체로서의 왜곡 완화 효과가 크다. 따라서, 금속부재와 금속 다공질체의 접합부에서의 크랙 발생을 방지하고, 신뢰성이 높은 접합을 실현하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 접합 구조를 개략적으로 나타낸 단면도;
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 접합 구조를 설명하기 위한 금속 다공질체와 금속부재의 계면부분의 확대 단면모식도;
도 3(a) 내지 도 3(c)는 본 발명의 실시형태에 따른 접합 구조를 형성하기 위한 방법을 나타낸 도면;
도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 접합 구조의 단면도;
도 5는 결정 입자 직경의 산출 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 접합 구조를 설명하기 위한 금속 다공질체와 금속부재의 계면부분의 확대 단면모식도;
도 3(a) 내지 도 3(c)는 본 발명의 실시형태에 따른 접합 구조를 형성하기 위한 방법을 나타낸 도면;
도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 접합 구조의 단면도;
도 5는 결정 입자 직경의 산출 방법을 설명하기 위한 도면.
이하에 본 발명의 실시형태를 도면에 의거해서 상세히 설명한다.
[본 실시형태]
도 1은 본 실시형태에 따른 접합 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 접합 구조는 금속부재(1)와, 금속부재(1)의 한쪽의 주면 상에 형성된 금속 다공질체(2)를 구비한다. 금속 다공질체(2) 상에는 반도체칩(10)이 배치되어 있다.
금속부재(1)는, 금속을 함유하는 부재면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 회로 기판, 리드 프레임 등의 기판이나 커넥터재 등을 들 수 있다. 금속부재를 구성하는 금속재료는, Cu 혹은 Cu 합금 또는 Ag 혹은 Ag 합금인 것이 바람직하다. 또한, 회로 기판으로서는, 동판을 세라믹스 기판과 접합시킨 DBC(Direct Bonding Copper) 기판이나 AMC(Active-metal brazed copper) 기판을 이용할 수 있다. 또, DBC 기판의 세라믹스에는 알루미나(Al2O3)를, AMC 기판의 세라믹스에는 질화규소(Si3N4)나 질화알루미늄(AlN) 등을 이용할 수 있다.
금속 다공질체(2)는, 금속 미립자와 유기 분산매를 포함하는 금속 미립자 분산액을 소결시키는 것에 의해 형성된다. 금속 미립자는, Cu, Ag, Au, Al, Ni, Pt, Sn, Sb 및 Pd로 이루어진 금속 원소군으로부터 선택된 1종의 금속으로 이루어진 미립자, 해당 금속 원소군으로부터 선택된 2종 이상의 금속을 혼합한 미립자, 해당 금속 원소군으로부터 선택된 2종 이상의 원소의 합금으로 이루어진 미립자, 해당 금속 원소군으로부터 선택된 1종의 미립자 또는 해당 금속 원소군으로부터 선택된 2종 이상을 혼합한 미립자와 해당 금속 원소군으로부터 선택된 2종 이상의 원소의 합금으로 이루어진 미립자를 혼합한 미립자인 것이 바람직하다. 또한, 금속 미립자는, 상기 금속의 산화물로 이루어진 미립자, 상기 합금의 산화물로 이루어진 미립자이어도 되고, 산화는 미립자의 일부이어도 된다.
금속 미립자의 평균 입자 직경(1차 입자의 평균 입자 직경)은, 5㎚ 이상 200㎚ 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 1차 입자의 평균 입자 직경이란, 2차 입자를 구성하는 각각의 금속 미립자인 1차 입자의 직경의 평균을 의미한다. 1차 입자 직경은 전자현미경을 이용해서 측정할 수 있다. 또한, 평균 입자 직경이란, 1차 입자의 수평균 입자 직경을 의미한다. 금속 미립자의 평균 입자 직경이 5㎚ 이상인 것에 의해, 소성 후에 균질한 입자 직경과 공공(空孔)을 가진 금속 다공질체를 얻을 수 있다.
유기 분산매로서는, 다가 알코올이 바람직하고, 보다 바람직하게는 분자 중에 2 이상의 하이드록실기를 가진 1종 또는 2종 이상의 폴리올이다. 구체적으로는, 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌글리콜, 1,2-프로판다이올, 1,3-프로판다이올, 1,2-부탄다이올, 1,3-부탄다이올, 1,4-부탄다이올, 2-뷰텐-1,4-다이올, 1,2,6-헥산트라이올, 글리세린 및 2-메틸-2,4-펜탄다이올로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 들 수 있다.
금속 미립자 분산액에는, 분산 보조 물질이나 용제를 적당히 함유시킬 수 있다. 분산 보조 물질로서는, 공지의 것을 적절하게 사용할 수 있지만, 금속 미립자의 분산성, 소결성의 향상 등을 고려하면, 아마이드기를 가진 화합물, 아민 화합물 등을 이용하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 실시형태에 따른 접합 구조를 설명하기 위한 확대 단면모식도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속부재(1)는, 한쪽의 주면(1a)을 포함하고, 금속 다공질체(2) 측에 형성된 외부층(1b)과, 외부층(1b)보다도 두께 방향에 있어서 금속 다공질체(2)로부터 벗어난 위치(다른 쪽의 주면을 포함함)에 형성된 내부층(1c)을 구비한다. 도 2에서는, 설명의 편의상, 외부층(1b)과 내부층(1c)의 경계를 파선으로 나타내고 있지만, 실제로는, 경계에는 어느 정도의 돌출이 형성되어 있다. 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)은 내부층(1c)의 평균 결정 입자 직경(di)보다도 작고, 또한, 금속 다공질체(2)의 평균 결정 입자 직경(dp)은 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)보다도 작거나 또는 같다(dp ≤ ds < di). 평균 결정 입자 직경(ds)과 평균 결정 입자 직경(dp)이, 하기 식
1 ≤ ds/dp < 100
을 만족시키는 것이 바람직하다. 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)이 내부층(1c)의 평균 결정 입자 직경(di)보다도 작고, 금속 다공질체(2)의 평균 결정 입자 직경(dp)이 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)보다도 작거나 또는 같은 것에 의해, 연속적으로 항복 왜곡이 변화되므로 왜곡 집중이 억제되어, 반복 왜곡 부가 시의 크랙 발생점이 형성되기 어렵다. 또, 내부층(1c)의 평균 결정 입자 직경(di)이 크기 때문에, 전체로서의 왜곡 완화 효과가 크다. 또한, ds/dp < 100인 것에 의해, 금속 다공질체(2)의 평균 결정 입자 직경(dp)이 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)보다 지나치게 작아지지 않고 연속적으로 항복 왜곡이 변화되기 쉽기 때문에, 왜곡 집중이 억제되어, 반복 왜곡을 부가했을 때 크랙 발생점이 형성되기 어렵다.
외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)은 0.2㎛ 이상 10㎛ 미만인 것이 바람직하다. 평균 결정 입자 직경(ds)이 0.2㎛ 미만이면, 항복 왜곡이 커지므로, 금속 다공질체(2)와 외부층(1b)의 계면(주면(1a))에 응력이 집중되어 크랙이 발생하기 쉬워진다. 한편, 평균 결정 입자 직경(ds)이 10㎛ 이상이면, 금속 다공질체(2)의 평균 결정 입자 직경(dp)에 비해서, 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)이 지나치게 크므로, 금속 다공질체(2)와 외부층(1b)의 계면에 있어서 연속적인 항복 왜곡이 되지 않고, 반복 왜곡이 부가되었을 때의 크랙이 발생하기 쉬워진다. 또, 외부층(1b)의 두께는, 특별히 한정은 되지 않지만, 0.5㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 바람직하다.
내부층(1c)의 평균 결정 입자 직경(di)은 10㎛ 이상 100㎛ 미만인 것이 바람직하다. 평균 결정 입자 직경(di)이 10㎛ 미만이면, 금속 다공질체(2)와 금속부재(1)의 전체에 있어서의 왜곡 완화 효과가 작아진다. 한편, 평균 결정 입자 직경(di)이 100㎛ 이상이면, 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)에 비해서 내부층(1c)의 평균 결정 입자 직경(di)이 지나치게 크게 되고, 금속부재(1)에 있어서 연속적인 항복 왜곡이 되지 않아, 반복 왜곡이 부가되었을 때에 크랙이 발생하기 쉬워진다.
금속 다공질체(2)의 평균 결정 입자 직경(dp)은 0.1㎛ 이상 1㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 결정 입자 직경(dp)이 0.1㎛ 미만이면, 금속 다공질체(2)의 소결이 불충분하고, 금속 입자 간의 밀착이 약해지기 쉽다. 한편, 평균 결정 입자 직경(dp)이 1㎛를 초과하면, 금속 미립자의 금속확산이 진행되고 있기 때문에 금속 다공질체(2) 중의 미세 공공이 감소하고, 금속 다공질체(2) 전체의 강성이 상승하므로, 피접속체인 전자부재(예를 들면, 반도체칩)에의 응력 부하가 증대되어 버린다. 또, 금속 다공질체(2)를 구성하는 금속재료가 Ag 또는 Ag 합금일 경우에는, 금속 다공질체(2)의 평균 결정 입자 직경(dp)은 1㎛를 초과해도 된다.
다음에, 금속부재(1)와 반도체칩(10)을, 금속 다공질체(2)를 개재해서 접합시키는 방법에 대해서 설명한다.
우선, 금속부재(1)의 주면(1a)에 외부층(1b)을 형성하는 처리를 행한다. 외부층(1b)의 형성은, 금속부재(1)의 표면에, 원자 공공 및/또는 전위를 생기게 하는 것으로, 블라스트나 버프에 의한 연마 등, 기계적 가공에 의한 것이 바람직하다. 블라스트에 의한 연마의 경우, 연마재로서는, 유리 비즈, 알루미나 비즈, 지르코니아 비즈를 들 수 있다. 연마재의 형상은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 구형, 다각형이다.
외부층(1b)의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 0.5㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 외부층(1b)의 표면 조도(Ra)는, 특별히 한정되지 않지만, 0.1㎛ 이상 2.0㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또, 금속부재(1)의 주면(1a)에 외부층(1b)을 형성하는 처리 전에 열처리를 행해도 된다. 열처리를 행함으로써, 금속부재(1)의 재결정화가 촉진되어, 결정 입자 직경을 성장시킬 수 있다. 재결정화의 점에서, 열처리 조건은 300 내지 400℃ 정도, 1시간 이내가 바람직하다.
다음에, 금속부재(1)에 금속 미립자 분산액을 도포하고, 100℃ 내지 150℃에서 5분 내지 20분 가열함으로써 예비건조를 행한다. 금속 미립자가 배치된 금속부재 상에 반도체칩(10)을 배치한다. 그리고, 금속부재(1), 금속 다공질체(2), 반도체칩(10)이 이 순서대로 배치되어서 이루어진 적층체를 도 3에 나타낸 바와 같은 소결 장치에 세트한다.
도 3(a) 내지 도 3(c)는, 본 실시형태에 따른 접합 구조를 형성하기 위한 방법을 나타낸 도면이다. 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 소결 장치(20)의 하부 열반(21)에 레이업용의 프레스판(22)을 배치하고, 그 위에 적층체(23)를 배치한다. 프레스판(22)은, 테프론(Teflon)(등록상표), 폴리이미드, 42 알로이 등으로 이루어진 판이다. 또, 레이업용의 프레스판은 적층체(23)의 상하에 배치되어도 된다.
다음에, 챔버(24)를 닫고, 챔버(24) 내를 불활성 분위기로 한다(도 3(b)). 불활성 분위기란, 질소 등의 불활성 가스를 충전한 분위기 또는 진공분위기이다. 챔버(24) 내를 불활성 분위기로 함으로써, 금속 미립자 표면의 산화층을 제거하고, 금속 미립자의 소결성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
그리고, 도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 가압 실린더(25)에 의해 가압한 상태에서, 적층체(23)를 하부 열반(21)과 상부 열반(26) 사이에 유지해서, 가열·소성 한다. 소결 온도는 150℃ 이상 400℃ 이하인 것이 바람직하다. 또, 소결 시의 압력은 5㎫ 이상 20㎫ 이하인 것이 바람직하고, 소결 시간은 0분 초과 20분 미만인 것이 바람직하다. 소결 시간은, 짧으면 짧을수록, 금속부재(1)에 있어서의 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)을, 내부층(1c)의 평균 결정 입자 직경(di)보다도 작고, 또한, 금속 다공질체의 평균 결정 입자 직경(dp)과 같거나 크게 할 수 있으므로, 15분 이하인 것이 보다 바람직하다. 본 소성에 의해, 적층체(23) 중의 금속 미립자가 소결되어, 금속부재(1)와 반도체칩(10) 사이에 금속 다공질체(2)가 형성된다.
또, 금속 미립자를 소결한 후, 더욱 가열 처리를 행해도 된다. 가열 처리를 행함으로써, 확산 접합이 촉진된다. 충분한 확산 접합이 얻어지는 점에서, 열처리 조건은 300 내지 500℃ 정도, 30분 내지 1시간 정도가 바람직하다. 결정 입자 직경은 재결정화가 촉진되는 것에 의해 성장한다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태의 접합 구조에 따르면, 금속부재(1)에 있어서의 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)은 내부층(1c)의 평균 결정 입자 직경(di)보다도 작고, 금속 다공질체(2)의 평균 결정 입자 직경(dp)은 외부층(1b)의 평균 결정 입자 직경(ds)보다도 작거나 또는 같다. 이것에 의해, 접합의 두께 방향에 관해서 연속적으로 항복 왜곡이 변화되므로, 왜곡 집중이 억제되어, 반복 왜곡이 부가될 때에 크랙 발생점이 형성되기 어려워진다. 또한, 금속부재(1)의 내부층의 결정 입자 직경이 크기 때문에, 전체로서의 왜곡 완화 효과가 크다. 특히, 금속부재(1)와 금속 다공질체(2)의 계면을 따라서 가로방향으로 형성되는 크랙의 진행을 방지하는 것이 가능해진다.
[다른 실시형태]
본 실시형태에서는, 금속부재(1)의 한쪽의 주면(1a) 상에 금속 다공질체(2)가 형성되어 있지만, 금속부재(1)의 양쪽의 주면 상에 금속 다공질체가 형성되어도 된다.
예를 들면, 도 4(a)에 나타낸 접합 구조는, 금속부재(1)와, 금속부재(1)의 한쪽의 주면 상에 형성된 금속 다공질체(2)와, 금속 다공질체(2)상에 형성된 반도체칩(10)과, 금속부재(1)의 다른 쪽 주면 상에 형성된 금속 다공질체(3)를 구비한다. 금속부재(1)는, 금속 다공질체(2) 측의 주면을 포함하는 제1 외부층과, 또한, 금속 다공질체(3) 측의 주면을 포함하는 제2 외부층을 구비한다. 그리고, 이들 제1 외부층과 제2 외부층 사이에 형성된 제1 내부층을 구비한다. 금속부재(1)의 제1 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds12)은 금속부재(1)의 제1 내부층의 평균 결정 입자 직경(di1)보다도 작고, 금속 다공질체(2)의 평균 결정 입자 직경(dp2)은 금속부재(1)의 제1 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds12)보다도 작거나 또는 같다(dp2 ≤ ds12 < di1). 또, 금속부재(1)의 제2 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds13)은 금속부재(1)의 제1 내부층의 평균 결정 입자 직경(di1)보다도 작다(ds13 < di1). 이 경우, 금속부재(1)의 양쪽의 주면에 블라스트 등의 기계적 가공이 시행된다. 도 4(a)의 구성에 따르면, 금속부재(1)의 양면에 형성된 접합부에서의 크랙 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 도 4(b)에 나타낸 접합 구조는, 두꺼운 동판(금속부재)(4)과, 두꺼운 동판(4)의 한쪽의 주면 상에 형성된 금속 다공질체(5)와, 금속 다공질체(5) 상에 형성된 반도체칩(10)을 구비하고, 또한 두꺼운 동판(4)의 다른 쪽 주면에는, 금속 다공질체(6), 동판(7), 세라믹스판(8) 및 동판(9)이 이 순서대로 적층되어 있다. 두꺼운 동판(4)은, 금속 다공질체(5) 측의 주면을 포함하는 제1 외부층과, 또한, 금속 다공질체(6) 측의 주면을 포함하는 제2 외부층을 구비한다. 그리고, 이들 제1 외부층과 제2 외부층 사이에 형성된 제1 내부층을 구비한다. 두꺼운 동판(4)의 제1 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds45)은 두꺼운 동판(4)의 제1 내부층의 평균 결정 입자 직경(di4)보다도 작고, 금속 다공질체(5)의 평균 결정 입자 직경(dp5)은 제1 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds45)보다도 작거나 또는 같다(dp5 ≤ ds45 < di4). 또한, 두꺼운 동판(4)의 제2 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds46)은 두꺼운 동판(4)의 제1 내부층의 평균 결정 입자 직경(di4)보다도 작고, 금속 다공질체(6)의 평균 결정 입자 직경(dp6)은 두꺼운 동판(4)의 제2 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds46)보다도 작거나 또는 같다(dp6 ≤ ds46 < di4).
또한, 동판(7)은, 금속 다공질체(6) 측의 주면을 포함하는 제3 외부층과, 제3 외부층보다도 두께 방향에 있어서 금속 다공질체(6)로부터 떨어진 위치이며, 세라믹스판(8) 측에 형성된 제3 내부층을 구비한다. 동판(7)의 제3 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds76)은 동판(7)의 제3 내부층의 평균 결정 입자 직경(di7)보다도 작고, 또한, 금속 다공질체(6)의 평균 결정 입자 직경(dp6)은 동판(7)의 제3 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds76)보다도 작거나 또는 같다(dp6 ≤ ds76 < di7). 이 경우, 두꺼운 동판(4)의 금속 다공질체(6) 측 및 금속 다공질체(5) 측의 주면(양면)과, 동판(7)의 금속 다공질체(6) 측의 주면에 블라스트 처리 등의 기계적 가공이 실시된다. 도 4(b)의 구성에 따르면, 금속 다공질체(5)의 한쪽 면에 형성된 접합부뿐만 아니라, 금속 다공질체(6)의 양면에 형성된 접합부에서의 크랙 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 금속 다공질체(2, 5)와 반도체칩(10) 사이에, 도시하지 않은 전극층을 형성해도 된다. 전극층은, 예를 들면, Au, Ag, Cu, Pd, Pt 중 어느 1종 또는 2종 이상으로 구성된다.
[
실시예
]
이하, 실시예 및 비교예에 의거해서, 본 발명의 적합한 실시형태를 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
본 실시예, 비교예에서 사용한 (1) 원재료, (2) 장치 및 (3) 평가 방법을 이하에 기재한다.
(1) 원재료
(ㄱ) 반도체칩
반도체칩의 크기는 7㎜×7㎜, 두께는 230㎛이며, 그 접합면은 Ni-Ti-Au 합금으로 금속화되어 있다. 재질은 SiC이다.
(ㄴ) 금속 미립자 분산액
구리 미립자 분산액: 다이에틸렌글리콜 중에, Cu 농도 80질량%로 구리 미립자가 분산되어 있는 구리 미립자 분산액을 이용하였다. 또, 해당 구리 미립자 분산액에는, 고분자 분산제로서 폴리비닐피롤리돈이 0.3질량% 배합되어 있다.
은 미립자 분산액: 옥탄다이올 중에, Ag 농도 89질량%의 농도로 은 미립자가 분산되어 있는 은 미립자 분산액(도와 메탈테크(주)(DOWAメタルテック株) 제품, 은 나노 페이스트)을 이용하였다.
(ㄷ) 금속부재(금속기판)
(i) 세라믹스 기판(DBC)
닛테츠스미킨엘렉트로디바이스사(日鐵住金エレクトロデバイス社) 제품인 DBC 기판(Cu/Al2O3(알루미나)/Cu)을 사용하였다. Cu판의 두께: 0.3㎜/세라믹스판: 두께 0.32㎜/Cu판의 두께: 0.3㎜이다.
(ii) 세라믹스 기판(박막+도금)
두께 0.64㎜의 Al2O3(알루미나)의 백판(白板) 세라믹스 기판에 Ni·Cr/Cu(0.2㎛/6㎛)를 증착하고, 그 후 이하의 도금 조건에서, Cu의 두께가 양면 0.3㎜t가 될 때까지 두께 부여하였다.
도금액: CuSO4·5H2O 250g/ℓ(물), H2SO4 50g/ℓ(물), NaCl 0.1g/ℓ(물)
전류밀도: 5 A/dm2, 온도 40℃
(iii) 리드 프레임 재료
무산소 구리 C1020을 사용하였다. 두께는 1.2㎜이다.
(iv) 적층 DBC 기판(두꺼운 동판)
닛테츠스미킨엘렉트로디바이스사 제품인 DBC 기판(Cu/Al2O3(알루미나)/Cu)을 사용하였다. Cu판의 두께: 0.3㎜/세라믹스판의 두께: 0.32㎜/Cu판의 두께: 0.3㎜이다. DBC 기판의 한쪽의 동판(7) 표면을 세정 후, 입자 직경 40㎛인 알루미나 비즈의 매체를 사용한 웨트 블라스트(WB)법에 의해, 압력 0.20㎫에서 처리 속도 10㎜/sec로 처리하였다. 다음에, 구리 미립자 분산액을 100㎛의 두께가 되도록 WB 처리된 면에 도포하고, 110℃에서 15분간 건조시켰다. 또한, 두께 0.3㎜의 두꺼운 동판(4)을, 건조시킨 구리 미립자 분산액 상에 탑재한 후, 소결 장치에 세트하였다. 소결은, 감압 분위기 하(산소농도 1000ppm 이하), 300℃, 압력 10㎫에서 15분간 행하고, 두꺼운 동판(4)과 DBC 기판의 동판(7) 사이에 금속 다공질체(6)를 형성하였다.
(v) 적층 DBC 기판(도금층 부착 구리박)
닛테츠스미킨엘렉트로디바이스사의 DBC 기판(Cu/Al2O3(알루미나)/Cu)을 사용하였다. Cu판의 두께: 0.3㎜/세라믹스판의 두께: 0.32㎜/Cu판의 두께: 0.3㎜이다.
두께 0.1㎜의 구리박을 500℃에서 1시간 가열 처리를 행한 후, 이하의 도금 조건으로 구리박의 양쪽 표면에 도금층을 0.1㎜ 형성한 두꺼운 동판(4)을 형성하였다.
DBC 기판의 한쪽의 동판(7) 표면을 세정 후, 입자 직경 40㎛인 알루미나 비즈의 매체를 사용한 웨트 블라스트(WB)법에 의해, 압력 0.20㎫에서 처리 속도 10㎜/sec으로 처리하였다. 다음에, 구리 미립자 분산액을 100㎛의 두께가 되도록 WB 처리된 면에 도포하고, 110℃에서 15분간 건조시켰다. 또한, 구리박의 양쪽 표면에 도금층을 형성한 도금층 부착 구리박을, 건조시킨 구리 미립자 분산액 상에 탑재한 후, 소결 장치에 세트하였다. 소결은, 감압 분위기 하(산소 농도 1000ppm 이하), 300℃, 압력 10㎫에서 15분간 행하여, 두꺼운 동판(4)과 DBC 기판의 동판(7) 사이에 금속 다공질체(6)를 형성하였다. 도금액: CuSO4·5H2O 250g/ℓ(물), H2SO4 50g/ℓ(물), NaCl 0.1g/ℓ(물)
전류밀도: 5 A/dm2, 온도 40℃
(2) 장치
도 3(a) 내지 도 3(c)에 나타낸 소결 장치를 사용하였다.
(3) 평가 방법
(ㄱ) 금속부재의 표면 조도
레이저 현미경(KEYENCE VK9710)에서 측정을 행하였다.
(ㄴ) 금속 다공질체의 평균 결정 입자 직경(dp)
금속부재 상에 금속 다공질체와 반도체칩을 형성한 샘플을 제작하고, 그 반도체칩 측으로부터 반도체칩을 10㎛ 정도 남길 때까지 연마한다. 그 후, 나노 가공 현미경 시스템(FIB장치; 에스아이아이(SII) 나노테크놀로지사 제품 SMI3050TB)을 이용해서 Ga 빔 에칭에 의해 두께를 50㎚ 정도로 가공하고, 마이크로프로브로 절단해서 샘플을 잘라낸다. TEM(니혼덴시(日本電子) 제품 JEM3010)에 그 샘플을 세트하고, 가속 전압 200KV, 5000배의 조건에서 TEM 화상을 얻고, 금속 다공질체의 결정 입자 직경을 확인하였다. TEM 화상 상에서, TEM(니혼덴시 제품 JEM3010) 부속 소프트웨어를 이용해서 금속 다공질체의 두께 방향의 중심에 직선(a)을 그리고, 그 직선(a) 상에 존재하는 결정 20개에 대해서 (장경+단경)/2의 평균치를 산출하였다. 직선(a)은 다음과 같이 그렸다.
우선, 금속기판과 금속 다공질체의 계면에 있어서, 직선거리가 금속 다공질체의 두께가 되도록 임의의 2점을 선택하고, 이 2점을 잇는 직선(b)을 그렸다. 다음에, 직선(b)으로부터 금속 다공질체의 두께 방향으로, 금속 다공질체의 절반의 두께만큼 떨어진 위치에, 직선(b)과 평행한 직선인 직선(a)을 그렸다(도 5)
(ㄷ) 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds)
(ㄴ)과 같이 해서 얻어진 샘플을, (ㄴ)과 동일 조건에서 TEM을 사용해서, 금속부재의 외부층의 결정 입자 직경을 확인하였다. TEM 화상에 있어서, 금속 다공질체와 금속부재의 계면으로부터 금속부재 측으로 1㎛ 떨어진 위치에, 해당 계면에 따른 선(c)을 그렸다. 선(c) 상에 존재하는 결정 20개에 대해서 (장경+단경)/2의 평균치를 산출하였다(도 5).
(ㄹ) 내부층의 평균 결정 입자 직경(di)
(ㄴ)과 같이 해서 얻어진 샘플을, (ㄴ)과 동일 조건에서 TEM을 사용해서, 금속부재의 내부층의 결정 입자 직경을 확인하였다. TEM 화상에 있어서, 금속부재의 두께 방향의 중심에 직선(d)을 그리고, 그 직선(d) 상에 존재하는 결정 20개에 대해서 (장경+단경)/2의 평균치를 산출하였다. 직선(d)은 다음과 같이 그렸다. 우선, 금속기판과 금속 다공질체의 계면에 있어서, 직선거리가 금속부재의 두께가 되도록 임의의 2점을 선택하고, 이 2점을 잇는 직선(e)을 그렸다. 다음에, 직선(e)으로부터 금속부재의 두께 방향으로, 금속부재의 절반의 두께만큼 떨어진 위치에, 직선(e)과 평행한 직선인 직선(d)을 그렸다(도 5).
(ㅁ) 열충격 시험(TCT)
금속부재 상에 금속 다공질체와 반도체칩을 형성한 샘플을 제작하였다. 온도 사이클 시험(150℃에서 30분간, 그 후 -40℃에서 30분간 보유하는 사이클 시험)에 샘플을 투입하고, 100사이클마다 초음파탐상기(SAT)로 관찰하였다. 초음파탐상기(히타치켄키(日立建機) 주식회사 제품, Mi-Scope)와 프로브(형식 PQ2-13, 50㎒)를 사용해서, 반도체 소자 측에서 초음파를 조사하고, 반사법으로 반도체 소자 이면으로부터 금속부재 표면까지 들어가도록 게이트를 조정하고, 접합면이나 금속 다공질체 내에 박리나 보이드(void) 등의 결함이 없는지 측정을 행하였다. 금속부재와 금속 다공질체와의 접합면의 면적 10% 이상에서 박리가 나타날 때까지 시험을 반복하였다. 박리가 나타날 때까지의 사이클수에 대해서, 샘플 20개의 평균치를 산출하였다.
금속부재가 세라믹스 기판을 구비할 경우에는, 평균 사이클수가 1000 이상을 「○」, 1000 미만을 「×」로 하였다. 금속부재가 리드 프레임 재료일 경우에는, 평균 사이클수가 500 이상을 「○」, 500 미만을 「×」로 하였다.
[실시예 1-1]
DBC 기판의 동판 표면을 세정 후, 입자 직경 14㎛인 알루미나 비즈의 매체를 사용한 웨트 블라스트(WB)법에 의해, 압력 0.20㎫에서 처리 속도 20㎜/sec로 처리하였다. 다음에, 구리 미립자 분산액을 100㎛의 두께가 되도록 도포하고, 110℃에서 15분간 건조시켰다. 반도체칩을 탑재한 후, 소결 장치에 세트하였다. 소결은, 감압 분위기 하(산소 농도 1000ppm 이하), 300℃, 압력 10㎫에서 15분간 행하였다.
[실시예 1-2]
실시예 1-1에 있어서, 소결 후에 또한 가열 처리를 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 가열 처리는 500℃에서 30분간 행하였다.
[실시예 1-3]
실시예 1-1에 있어서, 표면 처리 조건을 변경한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 표면 처리는, 구체적으로는, 입자 직경 40㎛인 알루미나 비즈의 매체를 사용한 웨트 블라스트(WB)법에 의해, 압력 0.20㎫에서 처리 속도 10㎜/sec로 행하였다.
[실시예 1-4]
실시예 1-2에 있어서, DBC 기판 대신에, 세라믹스판에 스퍼터링에 의해 Ni/Cr/Cu의 박막층과 도금층을 형성한 기판을 사용하고, 표면 처리 전에 가열 처리를 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 가열 처리는, 400℃에서 30분간 행하였다.
[실시예 1-5]
실시예 1-3에 있어서, 소결 후에 또한 가열 처리를 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 가열 처리는, 500℃에서 30분간 행하였다.
[실시예 1-6]
실시예 1-4에 있어서, 표면 처리 조건을 변경하고, 소결 후에 또한 가열 처리를 행하지 않은 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 표면 처리는, 구체적으로는, 입자 직경 7㎛인 알루미나 비즈의 매체를 사용한 웨트 블라스트(WB)법에 의해, 압력 0.2㎫에서 처리 속도 20㎜/sec로 행하였다.
[실시예 1-7]
실시예 1-1에 있어서, 표면 처리 조건을 변경한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 표면 처리는, 구체적으로는, 입자 직경 7㎛인 알루미나 비즈의 매체를 사용한 웨트 블라스트(WB)법에 의해, 압력 0.2㎫에서 처리 속도 20㎜/sec로 행하였다.
[실시예 1-8]
실시예 1-4에 있어서, 표면 처리 전에 있어서의 가열 처리를 400℃에서 15분간 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[실시예 1-9]
실시예 1-1에 있어서, DBC 기판 대신에, 세라믹스판에 스퍼터링에 의해 Ni/Cr/Cu의 박막층과 도금층을 형성한 기판을 사용한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[실시예 1-10]
실시예 1-1에 있어서, 소결을 250℃에서 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[실시예 1-11]
실시예 1-2에 있어서, 표면 처리 전에 가열 처리를 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 가열 처리는, 400℃에서 1시간 행하였다.
[실시예 1-12]
실시예 1-3에 있어서, 소결 후에 또한 가열 처리를 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 가열 처리는, 500℃에서 30분간 행하였다.
[실시예 1-13]
실시예 1-6에 있어서, 소결을 200℃에서 행하고, 소결 후에 또한 가열 처리를 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 가열 처리는, 500℃에서 30분간 행하였다.
[실시예 1-14]
실시예 1-12에 있어서, 소결을 200℃에서 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[실시예 1-15]
실시예 1-13에 있어서, 표면 처리 전에 가열 처리를 행하지 않고, 소결을 250℃에서 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[실시예 1-16]
실시예 1-11에 있어서, 표면 처리 조건을 변경하고, 소결을 200℃에서 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 표면 처리는, 구체적으로는, 입자 직경 40㎛인 알루미나 비즈의 매체를 사용한 웨트 블라스트(WB)법에 의해, 압력 0.2㎫에서 처리 속도 20㎜/sec로 행하였다.
[비교예 1-1]
실시예 1-1에 있어서, 표면 처리를 행하지 않은 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[비교예 1-2]
실시예 1-1에 있어서, 표면 처리를 WB 처리로부터 플라즈마 처리로 변경한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 구체적으로, 우선, DBC 기판을 스퍼터링 장치의 챔버 내에 세트하고, 진공 배기를 행하였다. 그리고, Ar 가스를 챔버 내에 도입하고, 챔버 내 압력을 1Pa로 하였다. RF 전원에 의해서 전력을 공급함으로써, DBC 기판의 동판 표면 부근에 Ar 플라즈마를 발생시켜, 동판 표면에 조사하였다. 이 RF전원의 입력 파워의 조건은 0.25W/㎠로 하고, 조사 시간은 5분으로 하였다.
[비교예 1-3]
실시예 1-10에 있어서, 소결 후에 또한 가열 처리를 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 가열 처리는 500℃에서 30분간 행하였다.
[실시예 2-1 내지 실시예 2-16]
실시예 1-1 내지 실시예 1-16에 있어서, 금속부재를 세라믹스 기판으로부터 리드 프레임 재료로 변경한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[비교예 2-1]
실시예 2-2에 있어서, 표면 처리를 행하지 않은 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[비교예 2-2]
실시예 2-1에 있어서, 표면 처리를 WB 처리로부터 플라즈마 처리로 변경한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다. 또, 플라즈마 처리는 비교예 1-2와 마찬가지 방법으로 행하였다.
[실시예 3-1 내지 실시예 3-16]
세라믹스 기판에 소결체를 개재해서 두꺼운 동판(금속부재)을 접속한 두꺼운 동판 적층 DBC 기판을 이용하였다.
두꺼운 동판 적층 DBC 기판의 두꺼운 동판의 상하 양쪽 표면에 대해서, 실시예 1-1 내지 실시예 1-16과 마찬가지로 표면 처리 및 가열 처리를 행하고, 반도체칩을, 금속 다공질체를 개재해서 두꺼운 동판 상에 탑재하였다.
[실시예 3-17]
실시예 3-1에 있어서, 두꺼운 동판 적층 DBC 기판의 금속 다공질체 측의 두꺼운 동판의 세라믹스 기판 측의 표면에 대하여 표면 처리를 행하지 않고, 두꺼운 동판의 반도체칩 측의 표면에만 표면 처리를 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[실시예 4-1 내지 실시예 4-16]
실시예 1-1 내지 실시예 1-16에 있어서, 구리 미립자 분산액을 은 미립자 분산액으로 변경하고, 소결을 대기 분위기 하에서 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
[비교예 4-1 내지 비교예 4-3]
비교예 1-1 내지 비교예 1-3에 있어서, 구리 미립자 분산액을 은 미립자 분산액으로 변경하고, 소결을 대기 분위기 하에서 행한 이외에는 마찬가지 방법으로 실시하였다.
표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1-1 내지 1-16에서는, TCT에 있어서의 평균 사이클수가 모두 1000 이상이고, 크랙의 발생 방지성이 양호한 것을 알 수 있었다. 특히, 실시예 1-1 내지 1-9에서는, TCT에 있어서의 평균 사이클수가 모두 1500 이상이고, 크랙의 발생 방지성이 특히 우수한 것을 알 수 있었다. 한편, 외부층의 결정 입자 직경과 내부층의 결정 입자 직경이 같은 비교예 1-1 및 비교예 1-2에서는, 각각 TCT에 있어서의 평균 사이클수가 600 및 580으로 적었다. 또한, 외부층의 결정 입자 직경이 내부층의 결정 입자 직경보다 큰 비교예 1-3에서는, TCT에 있어서의 평균 사이클수가 510으로 매우 적었다.
표 3 및 표 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 2-1 내지 2-16에서는, TCT에 있어서의 평균 사이클수가 모두 600 이상이고, 크랙의 발생 방지성이 양호한 것을 알 수 있었다. 특히, 실시예 2-1 내지 2-9에서는, TCT에 있어서의 평균 사이클수가 모두 650 이상이고, 크랙의 발생 방지성이 특히 우수한 것을 알 수 있었다. 한편, 외부층의 결정 입자 직경과 내부층의 결정 입자 직경이 같은 비교예 2-1 및 비교예 2-2에서는, 각각 TCT에 있어서의 평균 사이클수가 330 및 410으로 적었다.
표 5 및 표 6에 나타낸 바와 같이, 실시예 3-1 내지 3-17에서는, TCT에 있어서의 평균 사이클수가 모두 1000 이상이고, 크랙의 발생 방지성이 양호한 것을 알 수 있었다. 특히, 실시예 3-1 내지 3-16에서는, TCT에 있어서의 평균 사이클수가 모두 2000 이상이고, 크랙의 발생 방지성이 매우 우수한 것을 알 수 있었다.
표 7 및 표 8에 나타낸 바와 같이, 실시예 4-1 내지 4-16에서는, TCT에 있어서의 평균 사이클수가 모두 1000 이상이고, 크랙의 발생 방지성이 우수한 것을 알 수 있었다. 한편, 외부층의 결정 입자 직경과 내부층의 결정 입자 직경이 같은 비교예 4-1 및 비교예 4-2에서는, 각각 TCT에 있어서의 평균 사이클수가 590 및 530로 적었다. 또한, 외부층의 결정 입자 직경이 내부층의 결정 입자 직경보다 큰 비교예 4-3에서는, TCT에 있어서의 평균 사이클수가 500으로 매우 적었다.
1: 금속부재 1a: 주면
1b: 외부층 1c: 내부층
2, 3, 5, 6: 금속 다공질체 4: 두꺼운 동판
7, 9: 동판 8: 세라믹스판
21: 하부 열반 22: 프레스판
23: 적층체 24: 챔버
25: 가압 실린더 26: 상부 열반
1b: 외부층 1c: 내부층
2, 3, 5, 6: 금속 다공질체 4: 두꺼운 동판
7, 9: 동판 8: 세라믹스판
21: 하부 열반 22: 프레스판
23: 적층체 24: 챔버
25: 가압 실린더 26: 상부 열반
Claims (11)
- 금속부재와, 상기 금속부재 상에 접합부재로서 형성된 금속 다공질체를 포함하는 접합 구조로서,
상기 금속 다공질체는 상기 금속부재와는 일체화되어 있지 않은 별개의 체(body)를 구성하고,
상기 금속 다공질체는 금속 미립자와 유기 분산매를 포함하는 금속 미립자 분산액의 소결물이고,
상기 금속부재는, 적어도 한쪽의 주면(主面)을 포함하고 상기 금속 다공질체 측에 형성된 제1 외부층과, 상기 제1 외부층보다도 두께 방향에 있어서 상기 금속 다공질체로부터 떨어진 위치에 형성된 제1 내부층을 구비하고,
상기 제1 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds)이 상기 제1 내부층의 평균 결정 입자 직경(di)보다도 작으며,
상기 금속 다공질체의 평균 결정 입자 직경(dp)이 상기 제1 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds)보다도 작거나 또는 같은 것을 특징으로 하는 접합 구조. - 제1항에 있어서, 상기 평균 결정 입자 직경(ds)과 상기 평균 결정 입자 직경(dp)이
1 ≤ ds/dp < 100
을 만족시키는 것을 특징으로 하는 접합 구조. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평균 결정 입자 직경(ds)이 0.2㎛ 이상 10㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 접합 구조.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평균 결정 입자 직경(di)이 10㎛ 이상 100㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 접합 구조.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평균 결정 입자 직경(dp)이 0.1㎛ 이상 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 접합 구조.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속부재 및 상기 금속 다공질체를 구성하는 금속재료가 Cu 혹은 Cu 합금 또는 Ag 혹은 Ag 합금인 것을 특징 으로 하는, 접합 구조.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 다공질체 상에 금속판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 구조.
- 제7항에 있어서, 상기 금속판은, 적어도 한쪽의 주면을 포함하고 상기 금속 다공질체 측에 형성된 제2 외부층과, 상기 제2 외부층보다도 두께 방향에 있어서 상기 금속 다공질체로부터 떨어진 위치에 형성된 제2 내부층을 구비하고,
상기 제2 외부층에 있어서의 평균 결정 입자 직경(ds')이, 상기 제2 내부층에 있어서의 평균 결정 입자 직경(di')보다도 작은 것을 특징으로 하는 접합 구조. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속부재가 리드 프레임용 기재인 것을 특징으로 하는 접합 구조.
- 세라믹스 기판과, 상기 세라믹스 기판 상에 접합부재로서 형성된 금속 다공질체와, 상기 금속 다공질체 상에 배치된 전자부재를 포함하는 전자부재 접합 구조체로서,
상기 금속 다공질체는 금속부재와는 일체화되어 있지 않은 별개의 체(body)를 구성하고,
상기 금속 다공질체는 금속 미립자와 유기 분산매를 포함하는 금속 미립자 분산액의 소결물이고,
상기 세라믹스 기판은 세라믹스체와, 상기 세라믹스체 상에 형성된 금속층을 구비하고,
상기 금속층은, 적어도 한쪽의 주면을 포함하고 상기 금속 다공질체 측에 형성된 외부층과, 상기 외부층보다도 두께 방향에 있어서 상기 금속 다공질체로부터 떨어진 위치에 형성된 내부층을 구비하며,
상기 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds)이 상기 내부층의 평균 결정 입자 직경(di)보다도 작고,
상기 금속 다공질체의 평균 결정 입자 직경(dp)이 상기 외부층의 평균 결정 입자 직경(ds)보다도 작거나 또는 같은 것을 특징으로 하는 전자부재 접합 구조체. - 제10항에 있어서, 상기 금속 다공질체와 상기 전자부재 사이에, Au, Ag, Cu, Pd, Pt 중 어느 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 전극층을 구비하는, 전자부재 접합 구조체.
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