KR20220072732A - 접합 재료 및 그것을 이용하는 실장 구조체 - Google Patents

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KR20220072732A
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기요히로 히네
아키오 후루사와
신지 이시타니
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파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
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Abstract

접합 재료는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자와, 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자와, TiO2 나노입자와, 플럭스를 포함하는 접합 재료이다. 제 1 금속 입자는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고, 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다. 제 1 금속 입자와 제 2 금속 입자의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.

Description

접합 재료 및 그것을 이용하는 실장 구조체{JOINING MATERIAL AND MOUNTING STRUCTURE USING THE SAME}
본 발명은, 파워 디바이스 등의 기기에 이용하는, 2개의 부재를 금속 재료로 접합하기 위한 접합 재료 및 해당 접합 재료를 이용하여 접합한 실장 구조체에 관한 것이다.
파워 디바이스 등의 발열을 수반하는 기기에 있어서는, 발생한 열의 방열을 목적으로 하여, 소자를 탑재한 기판으로부터 방열부로의 열 수송을 위해서, 기판과 방열부의 2개의 부재 사이를 접합한 실장 구조체를 갖는 것이 있다.
근년, 파워 디바이스 등의 기기에서는, 에너지 절약화를 목적으로 한 대전류 제어의 요구가 높아지고 있다. 그래서, 고효율로 전력을 제어할 수 있는 이점을 갖는 SiC나 GaN과 같은 차세대 파워 디바이스 소자가, 종래의 Si 소자를 대신하여 증가하고 있다.
그들 차세대 파워 디바이스 소자는, 고온에서도 동작할 수 있는 이점을 갖고 있어, 종래의 Si 소자보다도 큰 발열에 견딜 수 있기 때문에, 대전류의 제어가 행해짐으로써 소자로부터의 발열량의 상승, 고온화가 일어난다.
그 결과, 소자에서 제어한 전류를 흘리는 리드 프레임 등의 전극과, 소자 전극 사이의 접합부 온도 Tj가 상승한다. 예를 들어, 종래의 Si에서는 약 125℃였던 것이, SiC나 GaN에서는 200∼250℃로 상승한다.
그 때문에, 소자 전극과 리드 프레임 전극 사이의 접합부에는, 발생한 열을 리드 프레임으로 효율 좋게 빠져나가게 하기 위한 열전도율과, 높은 접합부의 온도 Tj에도 대응하는 내열성이 요구된다.
또한, 차세대 파워 디바이스 소자에 이용되는 SiC나 GaN은, Si와 비교하여 탄성률이 높고, 강도도 높다. 예를 들어, Si의 탄성률이 160GPa인데 반해, SiC나 GaN은 200GPa 이상이다. 그 때문에, 2개의 부재의 선팽창 계수차에 기인하는 온도 변화 시의 열응력은 커진다. 그래서, 접합부의 접합 강도를 보다 높게 하는 것도 요구된다.
종래, 소자와 리드 프레임 전극 사이를 도전체로 접합하는 실장 구조체의 접합부에 이용되는 접합 재료에는, 저온에서의 접합이 가능하므로, 땜납 재료가 널리 이용되고 있었다. 그렇지만, 일반적으로 이용되는 Sn나 Pb를 주성분으로 한 땜납 재료에 있어, 200℃∼250℃는 융점 부근 또는 그 이상의 온도가 되어 매우 과혹한 온도이기 때문에, 이들 땜납을 이용한 실장 구조체에서는, 내열성의 확보는 곤란하다.
그와 같은 과제에 대한 하나의 해결 수단으로서, 저융점 금속과 그것과 금속간 화합물을 형성하는 제 2 금속을 혼합한 접합 재료로서, 접합 시에 저융점 금속이 용융되고, 제 2 금속과 반응하여 금속간 화합물을 형성함으로써 고융점의 접합부를 형성하는 액상 소결법의 접합 재료가 제안되어 있다.
종래의 고내열의 액상 소결법의 접합 재료로서, 적어도 Cu를 포함하는 2종 이상의 금속 입자와, 폴리다이메틸실록세인 골격을 갖는 고분자를 포함하는 접합 재료이며, 상기 금속 입자가 금속간 화합물을 형성 가능한 것이 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조.).
WO2016/031551호 공보
본 발명에 따른 접합 재료는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자와, 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자와, TiO2 나노입자와, 플럭스를 포함한다.
제 1 금속 입자는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고 그 금속 원소 단체(單體)의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.
제 1 금속 입자와 제 2 금속 입자의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.
[도 1] 본 실시형태 1에 따른 접합 재료의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 2] 실시예 1-1∼1-8, 비교예 1-1∼1-12에 있어서의 접합 재료에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 나타내는 표 1이다.
[도 3] 실시예 2-1∼2-6, 비교예 2-1∼2-4에 있어서의 접합 재료에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 나타내는 표 2이다.
[도 4] 실시예 3-1∼3-11에 있어서의 접합 재료에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 나타내는 표 3이다.
특허문헌 1에 기재된 접합 재료에서는, 저융점 금속이 용융되고, Cu와 반응하여 고융점의 금속간 화합물을 형성하기 때문에 높은 내열성을 나타내지만, 금속간 화합물의 결정립은 조대해지는 경우가 있어, 접합 강도의 향상이 곤란하다.
본 발명은, 종래의 과제를 해결하는 것으로, 보다 높은 접합 강도를 발현하는 것이 가능한 접합 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제 1 태양에 따른 접합 재료는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자와, 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자와, TiO2 나노입자와, 플럭스를 포함한다.
제 1 금속 입자는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.
제 1 금속 입자와 제 2 금속 입자의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.
제 2 태양에 따른 접합 재료는, 상기 제 1 태양에 있어서, TiO2 나노입자가, 메디안 직경 20∼80nm여도 된다.
제 3 태양에 따른 접합 재료는. 상기 제 1 또는 제 2 태양에 있어서, TiO2 나노입자의 함유율이, 제 1 금속 입자, 제 2 금속 입자, 및 TiO2 나노입자의 총합 중, 0.1wt%∼1wt%여도 된다.
제 4 태양에 따른 접합 재료는. 상기 제 1 내지 제 3 중 어느 하나의 태양에 있어서, 제 1 금속 입자가, Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, 및 In의 군으로부터 선택되는 적어도 하나여도 된다.
제 5 태양에 따른 접합 재료는. 상기 제 1 내지 제 4 중 어느 하나의 태양에 있어서, 제 2 금속 입자가, Cu를 포함하고 있어도 된다.
제 6 태양에 따른 접합 재료는. 상기 제 1 내지 제 5 중 어느 하나의 태양에 있어서, 제 1 금속 입자가, 메디안 직경 3∼30μm의 입자를 적어도 포함해도 된다.
제 7 태양에 따른 접합 재료는, 상기 제 1 내지 제 6 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 제 2 금속 입자가, 메디안 직경 100∼2000nm여도 된다.
제 8 태양에 따른 실장 구조체는, SiC 또는 GaN의 파워 디바이스 소자와, 파워 디바이스 소자의 전극과 외부 전극을 접합하는, 상기 제 1 내지 제 7 중 어느 하나의 태양에 따른 접합 재료를 구비한다.
상기 태양에 따른 접합 재료에 의하면, 액상 소결법에 있어서 금속간 화합물 생성 시의 결정립 조대화를 억제하여, 보다 높은 접합 강도의 접합부를 형성 가능한 접합 재료를 제공하는 것이 가능하다.
이하, 실시형태에 따른 접합 재료 및 실장 구조체에 대해 첨부 도면을 참조하면서 상술한다.
(실시형태 1)
＜접합 재료＞
도 1은, 본 실시형태 1에 따른 접합 재료의 구성을 나타내는 개략도이다.
본 실시형태 1에 따른 접합 재료(101)는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자(102)와, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자(103)와, TiO2 나노입자(104)와, 플럭스(105)를 포함한다.
TiO2 나노입자를 포함하는 것에 의해, 제 2 금속 입자의 제 2 금속 원소가 제 1 금속 입자(102)로 확산하여, 금속간 화합물이 생성될 때에, 초정(初晶)의 결정핵의 생성을 촉진한다고 생각된다. 또한, 발생한 결정핵이 성장할 때에, 고체의 TiO2가 성장을 저해한다고 생각된다. 그들에 의해, 금속간 화합물의 결정립을 미세화할 수 있다.
제 1 금속 입자는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.
제 1 금속 입자와 제 2 금속 입자의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.
이것에 의해, 이 접합 재료를 이용한 액상 소결법의 프로세스로 생성된 접합부는, 250℃ 이하에서는 재용융이 생기지 않는다. 그 때문에, 접합 후의 디바이스의 동작 온도가 200℃ 이상이 되어도 용융되지 않는 높은 내열성을 발현할 수 있다.
이하에, 이 접합 재료를 구성하는 각 부재에 대해 설명한다.
＜제 1 금속 입자＞
제 1 금속 입자(102)는, 액상 소결법의 프로세스에 있어서 액상 성분이 되어, 제 2 금속 입자(103)와 반응하여 고융점의 금속간 화합물을 생성하기 위한 제 1 금속 원소를 포함한다.
제 1 금속 입자(102)는, 융점이 200℃ 이하인 합금 또는 단체의 금속으로 구성된다. 이것에 의해, 200℃ 이하의 저온에서의 액상 소결을 가능하게 한다.
제 1 금속 입자(102)를 구성하는 합금 또는 단체의 금속으로서는, 융점이 200℃ 이하인 합금 또는 단체의 금속이면 되지만, 특히 Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, 및 In의 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
제 1 금속 원소로서는, 예를 들어, Sn, In이다. 한편, 제 1 금속 원소는, 1종류에 한정되지 않고, Sn 및 In의 양쪽을 포함해도 된다. 제 1 금속 원소는, 제 2 금속 입자(103)에 포함되는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 형성한다.
＜제 2 금속 입자＞
제 2 금속 입자(103)는, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함한다. 이것에 의해, 용융 상태의 제 1 금속 입자에 용해되어, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와의 고융점의 금속간 화합물을 생성할 수 있다.
제 2 금속 입자(103)는, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 적어도 1종 이상의 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하고 있으면 된다.
제 2 금속 원소로서는, 예를 들어, Cu이다. 한편, 제 2 금속 원소는, Cu에 한정되지 않지만, Cu를 포함하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 금속 입자(102)는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고, 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.
제 3 금속 원소는, 예를 들어, Bi이다. 한편, 제 3 금속 원소는, Bi에 한정되지 않는다.
더욱이, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다. 이것에 의해, 액상 소결법의 프로세스로 생성된 접합부는, 250℃ 이하에서는 재용융이 생기지 않는다. 그 때문에, 접합 후의 디바이스의 동작 온도가 200℃ 이상이 되어도 용융되지 않는 높은 내열성을 발현할 수 있다.
＜TiO2 나노입자＞
TiO2 나노입자(104)는, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103) 사이에 금속간 화합물을 생성할 때에, 그 계면에 고체로서 존재한다. 이것에 의해, 제 2 금속 입자의 제 2 금속 원소가 제 1 금속 입자(102)로 확산하여, 금속간 화합물이 생성될 때에, 초정의 결정핵의 생성을 촉진한다고 생각된다. 또한, 발생한 결정핵이 성장할 때에, 고체의 TiO2가 성장을 저해한다고 생각된다. 그들에 의해, 금속간 화합물의 결정립을 미세화하기 위해서 포함된다.
TiO2 나노입자(104)는, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103), TiO2 나노입자(104)의 총합 중, 0.1wt%∼1wt%인 것이 바람직하다.
＜플럭스＞
플럭스(105)는, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103)의 표면에 존재하는 산화막의 제거와, 재산화의 억제를 위해서 포함된다. 플럭스(105)는, 제 1 금속 입자(102)의 용융과, 용융된 제 1 금속 입자(102)로의 제 2 금속 입자(103) 표면의 제 2 금속 원소의 확산을 용이하게 한다. 플럭스(105)는, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103)의 표면에 존재하는 산화막을 제거하는 성분과, 액상 소결법의 프로세스 중에 있어서의 재산화 방지를 위해서 제 1 금속 입자(102)의 융점보다 높은 비점을 갖는 용매를 포함한다.
(실시예)
본 실시형태 1의 효과를 확인하기 위해서, 실시예 1-1∼1-8, 비교예 1-1∼1-12로서, 제 1 금속 입자(102) 및 제 2 금속 입자(103)의 종류를 바꾼 접합 재료(101)를 제작한다. 실시예 1-1∼1-8, 비교예 1-1∼1-12에 있어서의 접합 재료(101)에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 도 2의 표 1에 나타낸다. 도 2의 표 1에 나타내는 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103), TiO2 나노입자(104)의 입경은, 모두 메디안 직경이다.
＜접합 재료(101)＞
본 실시형태 1에 있어서의 제 1 금속 입자(102)로서, Sn-58Bi, Sn-51In, Sn-55Bi-20In, In, Sn, Sn-3.5Ag, Sn-5Sb를 평가한다. 또한, 제 2 금속 입자(103)로서, Cu, Cu-20Sn, Zn을 평가한다. TiO2 나노입자는 30nm의 것을 이용한다.
접합 재료(101)는 다음과 같이 제작한다.
(1) 우선, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103), TiO2 나노입자를 칭량하고, 기계적으로 혼련하여 균일하게 혼합한다.
(2) 그 후, 플럭스를 칭량, 첨가하고, 2축 유성식 혼련기로 혼련함으로써, 접합 재료(101)를 얻는다.
＜접합 프로세스＞
본 실시형태 1의 효과를 확인하기 위해서 실장 구조체를 제작한다. 접합 프로세스는 다음과 같다.
우선, 제작한 접합 재료(101)를 이용하여 접합을 행한다.
(a) Cu판 상에 두께 100μm, 개구 1mm×1mm의 메탈 마스크를 이용하여 접합 재료(101)를 공급한다.
(b) 공급한 접합 재료(101) 상에 SiC 소자를 탑재한다. 접합 재료(101)로 접합하는 SiC 소자의 전극은, SiC측으로부터 Ti/Ni/An의 도금으로 구성된다.
(c) 탑재한 SiC 소자 위로부터 1MPa의 하중을 걸고, N2 분위기에서 200℃에서 10min의 가열을 행하여, SiC 소자의 전극과 Cu판을 접합 재료(101)로 접합한 실장 구조체를 제작한다.
＜접합 평가＞
본 실시형태 1의 효과를 확인하기 위한 평가의 결과에 대해서도, 도 2의 표 1에 아울러 나타내고 있다.
이 일련의 접합 프로세스를 행한 후에, Cu판과 SiC 소자의 전극이 접합되어 있는지를 확인한다. 도 2의 표 1에 있어서, 접합되어 있는 경우는 Yes, 접합되어 있지 않은 경우는 No로 표기되어 있다.
다음에, 접합되어 있는 실장 구조체에 대해, 내열성을 평가한다. 제작한 실장 구조체를 재차 200℃로 가열하여, 접합 재료(101)가 재용융되는지 여부를 평가한다. 도 2의 표 1에 있어서, 재용융이 발생하지 않고 접합이 확보되는 경우(즉 접합 재료(101)가 내열성을 갖는 경우)는 Yes, 재용융이 발생하는 경우(즉 접합 재료(101)가 내열성을 갖지 않는 경우)는 No로 표기되어 있다.
더욱이, 재용융이 발생하지 않는 접합 구조체에 대해, 접합 강도를 평가한다. 제작한 접합 구조체의 SiC 소자에 전단 방향의 힘을 인가하여, 파괴 강도를 측정한다. 종래 땜납 평균인 20MPa보다도 큰 경우를 B(호적), 30MPa보다도 큰 경우를 A(보다 호적), 20MPa 이하인 경우를 C(부적)로 판정한다.
도 2의 표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1-1∼1-8 중, 실시예 1-1∼1-6에서는 접합, 내열성이 Yes, 강도가 A, 실시예 1-7, 1-8에서는 접합, 내열성이 Yes, 강도가 B로, 모두 평가 기준을 상회하고 있다. 이들 실시예에서는, 제 2 금속 입자(103)가, Cu 또는 Cu-20Sn으로 Cu를 포함하고 있고, 제 1 금속 입자(102)가 Sn-58Bi, Sn-51In, Sn-55Bi-20In, In의 어느 것에 있어서도 1종 이상의 금속 원소와 반응하여 금속간 화합물을 형성한다. 금속간 화합물을 형성하지 않는 제 3 금속 원소(여기에서는 Bi)는, 융점 271℃이다.
더욱이, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 비율은 40:60이며, 어느 실시예에 있어서도, 제 1 금속 입자(102) 중의 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소인 Cu가, 평형 상태도에 있어서 모두 금속간 화합물이 되는 함유율이 되는 비율이다.
한편, 비교예 1-10, 1-11, 1-12에서는, 일련의 접합 프로세스를 실시해도, 접합이 형성되어 있지 않다. 이것은, 비교예 1-10, 1-11, 1-12에서 이용한 제 1 금속 입자(102)의 조성이, 각각 Sn, Sn-3.5Ag, Sn-5Sb이며, 그 융점은 각각 232℃, 221℃, 235℃로 가열 온도 200℃보다도 높기 때문이라고 생각된다. 즉, 일련의 접합 프로세스에 있어서, 제 1 금속 입자(102)가 용융되지 않아, 액상 소결이 되지 않기 때문에, 충분한 접합이 확보되지 않는다고 생각된다.
또한, 비교예 1-9에서는, 내열 평가에 있어서 재용융이 발생한다. 이것은, 비교예 1-9에서 이용한 제 1 금속 입자(102)의 In과, 제 2 금속 입자(103)의 Zn은 금속간 화합물을 형성하지 않기 때문이라고 생각된다. 접합 프로세스에 있어서 액상 소결이 진행되지 않고, In 및 Zn이 잔존하여, 재가열에 의해 In이 재용융하기 때문이라고 생각된다.
비교예 1-2, 1-4, 1-6, 1-8도, 비교예 1-9와 마찬가지로, 내열 평가에 있어서 재용융이 발생한다.
이것은, 제 1 금속 입자(102)에 있어서의 제 1 금속 원소(비교예 1-2에서는 Sn, 비교예 1-4 및 비교예 1-6에서는 Sn 및 In, 비교예 1-8에서는 In)와, 제 2 금속 원소인 Cu의 혼합 비율에 주목한다고 이해할 수 있다. 즉, 비교예 1-2, 1-4, 1-6, 1-8에서는, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 혼합 비율은 모두 70:30이다. 이 경우에는, 제 1 금속 입자(102)에 있어서의 제 1 금속 원소가, 평형 상태도에 있어서 모두 제 2 금속 원소와의 금속간 화합물이 되는 비율보다도 과잉으로 존재하기 때문이라고 생각된다.
그 때문에, 접합 프로세스를 거친 후의 접합 재료(101)에 있어서, 비교예 1-2에서는 Sn, 비교예 1-4 및 비교예 1-6에서는 Sn 및 In, 비교예 1-8에서는 In이 잔존하고, 이들의 융점이 200℃보다 낮기 때문에, 200℃ 이하에서 재용융이 발생한다고 생각된다.
더욱이, 비교예 1-1, 1-3, 1-5, 1-7에 주목하면, 초기 접합과 내열성은 기준치를 넘고 있지만, 접합 강도가 각각 16.8, 13.4, 14.7, 12.2MPa로 그만큼 크지 않아, 판정은 C이다.
비교예 1-1, 1-3, 1-5, 1-7과, 실시예 1-1, 1-3, 1-5, 1-7을 각각 비교하면, 30nm의 TiO2 나노입자(104)를 첨가함으로써 접합 강도가 2배 이상으로 커짐을 알 수 있다.
본 실시형태 1의 결과로부터, 다음의 것이 확인된다.
본 개시의 효과를 발현하기 위해서는, 우선, 융점 200℃ 이하의 제 1 금속 입자와, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자(103)와, TiO2 나노입자(104)와, 플럭스(105)를 포함하는 접합 재료인 것이 필요하다.
더욱이, 제 1 금속 입자(102)가, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고, 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나인 것이 필요하다.
그리고, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 비율이, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율인 것이 필요하다.
이들을 만족시키는 접합 재료(101)에 있어서, 높은 접합 강도의 접합부를 형성 가능한 접합 재료를 제공하는 것이 가능하다.
(실시형태 2)
본 실시형태 2로서, TiO2 나노입자(104)의 입경 및 함유율의 영향을 평가한다. 본 실시형태 2의 실시예 2-1∼2-6, 비교예 2-1∼2-4에 있어서의 접합 재료(101)에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 도 3의 표 2에 나타낸다. 접합 재료(101)의 제작 방법, 접합 프로세스, 및 평가 방법은 실시형태 1과 마찬가지이다.
도 3의 표 2로부터, TiO2 나노입자(104)의 입경에 주목하면, 입경이 각각 20, 50, 80nm인 실시예 2-1, 2-2, 2-3에서는, 접합, 내열성이 Yes, 강도가 A이며, 모두 평가 기준을 상회하고 있다.
한편, TiO2 나노입자(104)의 입경이 100nm, 300nm로 큰 비교예 2-1, 2-2에서는, 접합 강도가 각각 17.1MPa, 10MPa 미만으로 높지 않기 때문에 판정은 C이다.
이것은, TiO2 나노입자(104)의 입경이 크기 때문에, 액상 소결 시의 핵생성의 기점이 되는 개소가 적어지고, 또한, 접합 후에는 금속간 화합물 사이에 큰 이물이 혼입되는 형태가 된다.
그 때문에, TiO2 나노입자(104)를 함유하는 효과가 작아짐과 함께, 계면 부근이 구조적으로 약해져, 접합 강도가 작아진다고 생각된다.
다음에, TiO2 나노입자(104)의 함유율에 주목하면, TiO2 나노입자의 함유율이 각각 0.1, 0.2, 1.0wt%인 실시예 2-4∼2-6에서는, 접합, 내열성이 Yes, 강도가 A로, 모두 평가 기준을 상회하고 있다.
한편, TiO2 나노입자(104)의 함유율이 0.05wt%로 작은 비교예 2-3에서는, 접합 강도가 18.1MPa로 높지 않다.
이것은 TiO2 나노입자(104)의 함유율이 작기 때문에, 첨가의 효과가 작기 때문이라고 생각된다.
또한, TiO2 나노입자(104)의 함유율이 2.0wt.%로 큰 비교예 2-4에서는, 접합 강도가 14.3MPa로 작아, 판정은 ×이다. 이것은, TiO2 나노입자(104)의 함유율이 높기 때문에, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103) 사이에 형성되는 금속간 화합물 사이의 강도를 저하시켜 버리기 때문이라고 생각된다.
본 실시형태 2의 결과로부터, 다음의 것이 확인된다.
TiO2 나노입자(104)의 입경은, 메디안 직경 20∼80nm인 것이 바람직하다.
또한, TiO2 나노입자(104)의 함유율은, 0.1∼1 wt.%인 것이 바람직하다.
이들을 만족시키는 접합 재료(101)에 있어서, 높은 접합 강도의 접합부를 형성 가능한 접합 재료를 제공하는 것이 가능하다.
(실시형태 3)
본 실시형태 3으로서, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103), TiO2 나노입자(104)의 입경의 영향을 평가한다.
본 실시형태 3의 실시예 3-1∼3-11에 있어서의 접합 재료(101)에 포함되는 성분과 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 도 4의 표 3에 나타낸다. 접합 재료(101)의 제작 방법, 접합 프로세스, 및 평가 방법은 실시형태 1 및 실시형태 2와 마찬가지이다.
도 4의 표 3의 결과로부터, 제 1 금속 입자(102)의 입경에 주목하면, 제 1 금속 입자(102)의 입경이 각각 3, 20, 30μm인 실시예 3-2∼3-4의 경우는, 접합, 내열성의 판정은 Yes, 강도의 판정은 A이며, 입경이 0.5, 45μm인 실시예 3-1, 3-5는 접합, 내열성의 판정은 Yes, 강도의 판정은 B이다.
제 1 금속 입자(102)의 입자경이 작은 실시예 3-1의 경우, 제 2 금속 입자(103)의 입경과 가깝기 때문에, 제 2 금속 입자(103)와 접하는 개소가 많아진다. 그 때문에, 접합 프로세스에 있어서의 가열 시에 액상 소결의 속도가 매우 커서, 접합하는 2개의 부재의 전극에 충분히 젖어 퍼지기 전에 금속간 화합물의 형성이 완료되기 때문에, 그 외의 실시예와 비교하여 강도가 작아진다고 생각된다.
반대로, 제 1 금속 입자(102)의 입경이 큰 실시예 3-5의 경우, 제 2 금속 입자(103)와 비교하여 제 1 금속 입자(102)의 입경이 매우 크기 때문에, 접합 재료(101)를 제작할 때의 균일성이 저하되었기 때문에, 그 외의 실시예와 비교하여 접합 강도도 비교적 작아진다고 생각된다.
제 2 금속 입자(103)의 입경에 주목하면, 제 2 금속 입자(103)의 입경이 각각 100, 400, 1200, 2000nm인 실시예 3-7∼3-10의 경우는, 접합, 내열성의 판정이 Yes, 강도의 판정이 A이며, 50, 6000nm인 실시예 3-6, 3-11은 접합, 내열성의 판정이 Yes, 강도의 판정이 B이다.
제 2 금속 입자(103)의 입경이 작은 실시예 3-6에서는, 제 2 금속 입자(103)의 입경이 매우 작은 것에 의해, 접합 재료(101)의 제작 중이나 접합 프로세스의 가열에 있어서 제 2 금속 입자(103)의 응집이 생겨 균일성이 저하되기 때문에, 그 외의 실시예와 비교하여 접합 강도도 비교적 작아지기 때문이라고 생각된다.
제 2 금속 입자(103)의 입자경이 큰 실시예 3-11에서는, 제 2 금속 입자(103)의 입경이 큼으로써, 접합 프로세스 중에서 용융하고 있는 제 1 금속 입자(102)로의 확산이 느려, 금속간 화합물의 입경이 커지기 때문이라고 생각된다.
본 실시형태 3의 결과로부터, 다음의 것이 확인된다.
제 1 금속 입자(102)는, 메디안 직경 3∼30μm의 입자를 적어도 포함하고 있는 것이 바람직하다.
제 2 금속 입자(103)는, 메디안 직경 100∼2000nm인 것이 바람직하다. 이들을 만족시키는 접합 재료(101)에 있어서, 높은 접합 강도의 접합부를 형성 가능한 접합 재료를 제공하는 것이 가능하다.
＜본 발명의 호적한 조건＞
이상, 본 실시형태 1∼3의 결과로부터, 본 개시의 접합 재료의 효과를 발현하기 위한 호적한 조건으로서, 접합 재료는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자(102)와, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자(103)와, TiO2 나노입자(104)와, 플럭스(105)를 포함하는 접합 재료(101)이다.
또한, 제 1 금속 입자(102)는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고, 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.
더욱이, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자(103)에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.
보다 호적한 조건으로서, TiO2 나노입자(104)가, 메디안 직경 20∼80nm여도 된다.
보다 더 호적한 조건으로서, TiO2 나노입자(104)의 함유율이, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103), 및 TiO2 나노입자(104)의 총합 중, 0.1wt%∼1wt%여도 된다.
보다 더 호적한 조건으로서, 제 1 금속 입자(102)가, Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, 및 In의 군으로부터 선택되는 적어도 하나여도 된다.
보다 더 호적한 조건으로서, 제 2 금속 입자(103)가, Cu를 포함하고 있어도 된다.
보다 더 호적한 조건으로서, 제 1 금속 입자(102)가, 메디안 직경 3∼30μm의 입자를 적어도 포함하고 있어도 된다.
보다 더 호적한 조건으로서, 제 2 금속 입자(103)가, 메디안 직경 100∼2000nm여도 된다.
또한, 실장 구조체는, SiC 또는 GaN의 파워 디바이스 소자와, 파워 디바이스 소자의 전극과 외부 전극을 접합하는 상기 접합 재료(101)를 구비한다.
한편, 본 실시형태에 있어서, 평가에 이용한 SiC 소자의 전극은 Ti/Ni/Au를 이용하고 있지만, 본 개시는 이것으로 한정되는 것은 아니고, 제 1 금속 입자(102)로 접합 가능한 전극이면 본 개시의 효과를 발현할 수 있다.
한편, 본 개시에 있어서는, 전술한 다양한 실시형태 및/또는 실시예 중의 임의의 실시형태 및/또는 실시예를 적절히 조합하는 것을 포함하는 것이고, 각각의 실시형태 및/또는 실시예가 갖는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명에 따른 접합 재료에 의하면, SiC나 GaN과 같은 고탄성률의 소자를 이용하여, 또한 고온 동작을 행하는 디바이스에 있어서 요구되는, 내열성과 높은 강도를 가진 실장 구조체를 실현할 수 있다.
101 접합 재료
102 제 1 금속 입자
103 제 2 금속 입자
104 TiO2 나노입자
105 플럭스

Claims (8)

  1. 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자와,
    상기 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자와,
    TiO2 나노입자와,
    플럭스
    를 포함하는 접합 재료로서,
    상기 제 1 금속 입자는,
    상기 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 상기 제 1 금속 원소만, 또는
    상기 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 상기 제 1 금속 원소와, 상기 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고 그 금속 원소 단체(單體)의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체
    중 어느 하나이고,
    상기 제 1 금속 입자와 상기 제 2 금속 입자의 비율은, 상기 제 1 금속 원소와 상기 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 상기 제 1 금속 입자에 포함되는 상기 제 1 금속 원소와, 상기 제 2 금속 입자에 포함되는 상기 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율인,
    접합 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 TiO2 나노입자가, 메디안 직경 20∼80nm인, 접합 재료.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 TiO2 나노입자의 함유율이, 상기 제 1 금속 입자, 상기 제 2 금속 입자, 및 상기 TiO2 나노입자의 총합 중, 0.1wt%∼1wt%인, 접합 재료.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 입자가, Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, 및 In의 군으로부터 선택되는 적어도 하나인, 접합 재료.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 입자가, Cu를 포함하고 있는, 접합 재료.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 입자가, 메디안 직경 3∼30μm의 입자를 적어도 포함하는, 접합 재료.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 입자가, 메디안 직경 100∼2000nm인, 접합 재료.
  8. SiC 또는 GaN의 파워 디바이스 소자와,
    상기 파워 디바이스 소자의 전극과 외부 전극을 접합하는, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 상기 접합 재료
    를 구비한, 실장 구조체.
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