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技術 接合方法

出願人 日産自動車株式会社
発明者 宮本健二中川成幸南部俊和新村義喜井上雅之由田真一
出願日 2013年11月29日 (7年5ヶ月経過) 出願番号 2013-247923
公開日 2015年6月8日 (5年11ヶ月経過) 公開番号 2015-104744
状態 特許登録済
技術分野 圧接、拡散接合 ダイボンディング
主要キーワード 錐台状突起 角錐状突起 局所破壊 付加荷重 排出プロセス 傾斜突起 共晶溶融物 錐状突起
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

酸化皮膜が生成した接合面間インサート材を介在させ、インサート材と被接合材共晶反応によって酸化皮膜を除去して接合するに際して、酸化皮膜の除去を容易にすべく接合面に形成する突起の高さなどがばらついたとしても、接合強度電気・熱の伝導性に対する悪影響を軽減することができる接合方法を提供する。

解決手段

接合面の凹凸構造を構成する突起1cを接合面に直立させることなく、傾斜した状態に形成する。例えば、突起1cの形状が角錐状の場合、その頂点Tから底面に下ろした垂線の底面との交点Cが底面の重心Gからずれたものとする。

概要

背景

例えば、アルミニウム系金属から成る材料の表面には、緻密で強固な酸化皮膜が生成されており、このような酸化皮膜の存在が障害となるため、これらアルミニウム系金属材料については、一般に、冶金的な接合が難しい。

このようなアルミニウム系金属材料との接合においては、Alと共晶反応を生ずる金属として、例えばZnを含むインサート材接合面間に介在させた状態で加圧、加熱し、アルミニウム系材料とインサート材との間に共晶反応を生じさせて接合することが知られている。
すなわち、アルミニウム系材料とインサート材との間に共晶反応を生じさせることによって、アルミニウム系材料表面の酸化皮膜を除去し、生じた共晶溶融物と共に接合面から排出することによって、酸化皮膜による接合品質への影響が解消され、健全な接合が可能になる。

このとき、アルミニウム系材料とインサート材との直接的な接触を促進し、共晶反応の起点を早期に形成して、上記接合プロセスをより円滑なものとするために、酸化皮膜を破壊するための応力中手段として、凹凸構造突起)を接合面に形成することが提案されている(引用文献1参照)。

概要

酸化皮膜が生成した接合面間にインサート材を介在させ、インサート材と被接合材の共晶反応によって酸化皮膜を除去して接合するに際して、酸化皮膜の除去を容易にすべく接合面に形成する突起の高さなどがばらついたとしても、接合強度電気・熱の伝導性に対する悪影響を軽減することができる接合方法を提供する。接合面の凹凸構造を構成する突起1cを接合面に直立させることなく、傾斜した状態に形成する。例えば、突起1cの形状が角錐状の場合、その頂点Tから底面に下ろした垂線の底面との交点Cが底面の重心Gからずれたものとする。

目的

そして、その目的とするところは、凹凸加工のばらつきによる接合強度や電気・熱の伝導性への影響を軽減することができる接合方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも一方が表面に酸化皮膜を形成している2つの金属部材の間にインサート材を介在させた状態の被接合材を相対的に加圧しつつ加熱し、酸化皮膜を形成している金属とインサート材の間で共晶反応を発生させ、生じた共晶反応溶融物を酸化皮膜と共に接合面から排出して上記被接合材を接合するに際して、上記金属部材の接合面の少なくとも一方に、上記酸化皮膜を破壊するために複数の突起を設け、該突起の少なくとも60%の中心線を接合面に対して傾けて形成することを特徴とする接合方法

請求項2

上記微細突起の先端部が点状をなし、60%以上を占める微細突起の頂点から当該突起の底面に下ろした垂線と底面との交点が底面の重心からずれていることを特徴とする請求項1に記載の接合方法。

請求項3

上記微細突起の先端部が線状をなし、60%以上を占める微細突起の最頂線の中点から当該突起の底面に下ろした垂線と底面との交点が底面の重心からずれていることを特徴とする請求項1に記載の接合方法。

請求項4

上記微細突起の先端部が面状をなし、60%以上を占める微細突起の頂面の重心から当該突起の底面に下ろした垂線と底面との交点が底面の重心からずれていることを特徴とする請求項1に記載の接合方法。

請求項5

請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の方法により接合されていることを特徴とする半導体装置

技術分野

0001

本発明は、表面に酸化皮膜が存在する金属材料接合方法係り、さらに詳しくは、上記金属材料を大気中、低加圧低温度で接合することができ、母材周辺への熱や加圧力の影響を最小限に抑えることができ、しかも安定した接合強度が得られる接合方法と、このような方法により接合された半導体装置に関するものである。

背景技術

0002

例えば、アルミニウム系金属から成る材料の表面には、緻密で強固な酸化皮膜が生成されており、このような酸化皮膜の存在が障害となるため、これらアルミニウム系金属材料については、一般に、冶金的な接合が難しい。

0003

このようなアルミニウム系金属材料との接合においては、Alと共晶反応を生ずる金属として、例えばZnを含むインサート材接合面間に介在させた状態で加圧、加熱し、アルミニウム系材料とインサート材との間に共晶反応を生じさせて接合することが知られている。
すなわち、アルミニウム系材料とインサート材との間に共晶反応を生じさせることによって、アルミニウム系材料表面の酸化皮膜を除去し、生じた共晶溶融物と共に接合面から排出することによって、酸化皮膜による接合品質への影響が解消され、健全な接合が可能になる。

0004

このとき、アルミニウム系材料とインサート材との直接的な接触を促進し、共晶反応の起点を早期に形成して、上記接合プロセスをより円滑なものとするために、酸化皮膜を破壊するための応力中手段として、凹凸構造突起)を接合面に形成することが提案されている(引用文献1参照)。

先行技術

0005

特開2013−78793号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、上記特許文献1に記載の方法においては、凹凸構造が微細であることから、高精度の凹凸構造を加工することが難しく、突起の高さなどがばらついた場合には、十分な接触領域が得られないことがあり、このような場合には接合強度が変動するという問題があった。また、接合面の電気伝導性熱伝導性も損なわれることがあった。

0007

本発明は、接合面に凹凸を設け、接合面間に介在させたインサート材と被接合材の間に生じる共晶反応を利用して接合面の酸化皮膜を除去する接合方法における上記のような課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、凹凸加工のばらつきによる接合強度や電気・熱の伝導性への影響を軽減することができる接合方法を提供することにある。また、このような接合方法を適用した接合部品として、半導体装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、接合面の凹凸構造を構成する突起を接合面に直立させることなく、非対称、すなわち突起の中心軸を接合面に対して傾斜した状態に形成することによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。

0009

すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の接合方法においては、少なくとも一方が表面に酸化皮膜を形成している2つの金属部材の間にインサート材を介在させた状態の被接合材を相対的に加圧しつつ加熱し、酸化皮膜を形成している金属とインサート材の間で共晶反応を発生させ、生じた共晶反応溶融物を酸化皮膜と共に接合面から排出して上記被接合材を接合するに際して、上記金属部材の接合面の少なくとも一方に、上記酸化皮膜を破壊するために複数の突起を設け、該突起の少なくとも60%の中心線を接合面に対して傾けて形成するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の半導体装置は、本発明の上記接合方法によって接合されていることを特徴とする。

発明の効果

0010

本発明によれば、接合面に形成する凹凸構造の突起の60%以上を接合面に対して傾けたものとしたため、接合時の加圧によって、突起が倒れ易く、変形し易くなることから、接合面における接触面積増し、突起の加工精度のばらつきが吸収され、接合品質を安定化することができる。

図面の簡単な説明

0011

(a)〜(e)は本発明の接合方法における酸化皮膜の排除過程を概略的に示す工程図である。
は本発明の接合方法における凹凸構造の形成部位の例を示す説明図である。
(a)〜(d)は本発明の接合方法における突起の第1の形状例を示す説明図である。
(a)〜(d)は本発明の接合方法における突起の第2の形状例を示す説明図である。
(a)〜(d)は本発明の接合方法における突起の第3の形状例を示す説明図である。
本発明の接合方法により接合された部品の一例として半導体装置の構造を示す概略図である。
本発明の実施例における丸棒同士の突き合わせ接合の要領を示す斜視図である。
本発明の実施例における半導体装置の接合要領を示す斜視図である。

0012

以下に、本発明の接合方法について、さらに詳細、具体的に説明する。なお、本明細書において「%」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。

0013

本発明の接合方法においては、上記したように、被接合材の間にインサート材を介在させ、接合材のうち、接合面に酸化皮膜を生成している金属とインサート材の間で共晶反応を生じさせ、生成した共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に接合面から排出することによって、比較的低温度(共晶温度)で、新生面による接合が可能になる。
このとき、両接合面の少なくとも一方に、多数の突起を設け、これらの少なくとも60%の突起を接合面に対して傾斜した状態に形成するようにしている。

0014

したがって、上記突起によって接合面の酸化皮膜を低荷重で破壊して、インサート材と直接に接触させることによって、共晶反応の起点とすることができ、低加圧、低温度で接合することができ、被接合材や周辺部材への影響を最小限に抑えることができる。
また、突起を接合面に直立させることなく、接合面に対して予め傾斜させたため、接合時における相手接合面からの押圧によって、突起が変形して倒れ易くなり、接合面同士の接触面積が増す結果、突起の加工精度のばらつきを吸収して、接合品質が安定したものとなり、接合強度や電気伝導性、熱伝導性の向上が可能になる。

0015

本発明の接合方法では、接合面に形成する凹凸構造を構成する複数の突起のすべてを必ずしも傾斜さなくてもよいが、全突起数の少なくとも60%を傾斜構造としなければならない。
すなわち、直立した非傾斜突起がの占める割合が40%を超えると、このような突起から成る凹凸構造全体としての変形能不足し、上記のような効果が得られなくなることによる。

0016

本発明の接合方法においては、まず、被接合材の少なくとも一方の接合面に、多数の突起から成る凹凸を形成しておく。なお、本発明においては、後述するように、この突起を接合面に対して傾けた状態に形成することを要する。
次いで、このような突起から成る凹凸構造を備えた接合面の間に、酸化皮膜を備えた被接合材を構成する金属と共晶反応を生じる元素を含むインサート材を介在させる。

0017

そして、接合に際しては、両被接合材に相対的な荷重を付与し、接合面に形成された突起によって局所的な応力を増加させ、接合面の酸化皮膜を局所的に破壊する。
接合面の酸化皮膜が局部的、機械的に破壊され、新生面が露出し、共晶反応が発生する温度に到達すると、共晶反応が生じ、接合界面に被接合材中の元素とインサート材に含まれる元素との共晶反応による溶融物が生成する。

0018

被接合材へのさらなる加圧によって、生じた共晶反応溶融物と共に接合面の酸化皮膜を接合界面から排出して、被接合材の接合面を直接接合するようにしている。
このとき、接合面には多数の突起から成る凹凸構造が形成されており、突起の先端が選択的に相手面に接触し、局所的に応力を増大させるため、低い荷重で酸化皮膜を局所破壊して、共晶反応を引き起こすことができ、低い荷重のもとに、新生面による強固な接合が可能となる。

0019

図1(a)〜(e)は、本発明の接合方法による酸化皮膜の排出プロセスをアルミニウム系金属材料同士の接合を例として、説明するための概略図である。

0020

まず、図1(a)に示すように、被接合材としてアルミニウム合金材から成る被接合材1、1の間に、Alと共晶反応を生じる材料として、Zn(亜鉛)を含有する材料、例えば亜鉛箔から成るインサート材2を挟んだ状態に重ねる。
このとき、被接合材1、1の表面、ここでは図中上側の被接合材1の接合面には、多数の突起1cから成る凹凸構造が形成されており、これら被接合材1、1の表面には、それぞれAl2O3を主成分とする酸化皮膜1aが生成している。

0021

次に、図1(b)に示すように両被接合材1、1を加圧して、これらをインサート材2を介して密着させ、さらに荷重を付加しながら加熱を開始する。すると、低荷重にもかかわらず、凹凸構造の突起1cの先端が接触した部位の応力が局所的に急激に上昇し、被接合材1の酸化被膜1aが機械的に破壊され、図1(c)に示すように、亀裂Cが入る。
亀裂Cを介して、被接合材1の新生面とインサート材2が直接的に接触した状態で、接合面の温度が共晶反応が発生する温度に到達すると、被接合材1中のAlとインサート材2のZnとの間に共晶反応を起こし、共晶溶融相が発生する。そして、図1(d)に示すように、共晶溶融範囲が拡がり、破壊された酸化皮膜1aの欠片が共晶溶融相中に分散する。

0022

続く加圧によって、図1(e)に示すように、共晶反応溶融物が接合界面から排出され、この液相中に分散されていた酸化皮膜1aの欠片も共晶溶融物と共に排出物Dとなって、同時に接合界面から押し出され、両被接合材1、1の新生面が互いに接合される。

0023

上記突起1cの形成位置については、接合面の1箇所以上に形成すればよく、上記のように被接合材1、1の接合面の一方に形成するほか、図2に示すように、接合面の両方に設けることができる。両面に形成することによって、酸化皮膜の破壊起点をより多くすることができる。

0024

また、凹凸構造を構成する突起1cは、接合面に対して傾斜させた状態に形成することが必要である。その形状としては、接合面に直立していることなく、傾いている限り、特に限定されるものではないが、例えば、図3図5に示すようなものを採用することができる。

0025

すなわち、図3に示すように、先端部を点状とすること、つまり錐状突起とすることができる。ここでは、錐状突起の代表例として、四角錐状の例を示す。
この実施形態による凹凸構造は、図3(a)に示すように、接合面上に、ピッチpで隙間なく縦横方向に並べられた無数の四角錐状の突起1cから構成されている。

0026

それぞれの突起1cは、図3(b)に拡大して示すように、正確な四角錐のように、対称形状ではなく、傾いた形状をなしており、頂点Tから、当該突起1cの底面に下ろした垂線は、底面の重心GからずれたCの位置において、底面と交わる。

0027

この頂点Tからの垂線と底面との交点Cと底面の重心Gとの位置関係については、図3(c)及び(d)に示すように、重心Gと交点Cとを結ぶ線分が底面と交差する点をそれぞれE1、E2とし、E1−E2間距離をL、重心Gと交点Cとの距離をdとするとき、d/Lの値が0.1以上であることが望ましい。
すなわち、d/Lの値が0.1に満たない突起1cは、その形状を傾けたことにはならず、傾斜させたことによる本発明の効果が十分に得られないことがあることによる。

0028

図4は、突起形状の他の形態例として、先端部が線状となるもの、つまり三角柱を横にして並列させた屋根型突起(鋸歯状断面)の例を示すものである。
この実施形態による凹凸構造は、図4(a)に示すように、接合面上に、ピッチpで横方向に隙間なく平行に並べられた無数の三角柱状の突起1cから構成されている。

0029

それぞれの突起1cは、図4(b)に示すように、その断面は、2等辺三角形ではなく、非対称に傾いた形状をなしており、先端部である最頂線(稜線)の中点Mから、当該突起1cの底面に下ろした垂線は、上記した四角錐の場合と同様に、底面の重心GからずれたCの位置において、底面と交わる。
この頂点Tからの垂線と底面との交点Cと底面の重心Gとの位置関係については、図4(c)及び(d)に示すように、上記四角錐の場合と同様に、重心Gと交点Cとを結ぶ線分が底面と交差する点をそれぞれE1、E2とし、E1−E2間距離をL、重心Gと交点Cとの距離をdとするとき、d/Lの値が0.1以上であることが望ましい。

0030

さらに、図5に示すように、他の形態例として、先端部を面状をなすもの、つまり錐台状突起とすることも可能である。
この実施形態による凹凸構造は、図5(a)に示すように、接合面上に、ピッチpで隙間なく縦横方向に並べられた無数の四角錐台状の突起1cから構成されている。

0031

それぞれの突起1cは、図5(b)に拡大して示すように、正確な四角錐台のような対称形状ではなく、傾いた形状を有しており、頂面の重心Gtから、当該突起1cの底面に下ろした垂線は、四角錐の場合(第1形態)と同様に、底面の重心GからずれたCの位置において、底面と交わる。

0032

この突起頂面の重心Gtから下ろした垂線と底面との交点Cと底面の重心Gとの位置関係については、上記第1及び第2の形態例と変わるところはない。
すなわち、図5(c)及び(d)に示すように、重心Gと交点Cとを結ぶ線分が底面と交差する点をそれぞれE1、E2とし、E1−E2間距離をL、重心G−交点C間距離をdとするとき、d/Lの値が0.1以上であることが望ましい。

0033

上記突起1cの形状としては、応力を集中させて、酸化皮膜の破壊を促進させる機能さえあれば、数や形状的な制限はなく、上記の他には、波形やかまぼこ形、半球状など凸部先端曲面とすることも可能である。なお、当該曲面の曲率半径は小さいほど、応力集中が顕著なものとなって、酸化皮膜が破壊し易くなることは言うまでもない。

0034

突起1cの形状については、アスペクト比が0.001以上、ピッチが1μm以上であることが好ましく、さらにはアスペクト比0.1以上、ピッチ10μm以上であることが望ましい。すなわち、アスペクト比が0.001未満、ピッチが1μm未満の場合には、十分に応力を集中させることができず、酸化皮膜の破壊が困難となることがあることによる。

0035

上記突起1cは、切削加工研削加工塑性加工ローラ加工)、レーザ加工放電加工エッチング加工リソグラフィーなどによって形成することができ、その形成方法としては、特に限定されるものではない。しかし、塑性加工によれば、非常に低コストで形成が可能である。

0036

上記したように、アルミニウム系金属材料を亜鉛箔から成るインサート材を用いて接合する例について説明した。このように、本発明の接合方法における被接合材としては、強固な酸化皮膜を形成するアルミニウム系やマグネシウム系の金属材料が対象となるが、少なくとも一方の被接合材が表面に酸化皮膜を形成している限り、本発明方法接合対象となり得る。
すなわち、酸化皮膜が形成されない金(Au)同士の接合を除き、すべての実用金属、例えば、銅及び銅合金ニッケル及びニッケル合金鉄鋼材料などに適用することが可能である。また、同種材料のみならず、異種材料間の接合にも適用することができる。

0037

ここで、インサート材としては、上記したようなアルミニウム系金属材料の接合の場合には、Alとの間に共晶反応を生じる金属材料であればよく、亜鉛箔の他には、マグネシウム(Mg)箔、錫(Sn)箔や、Zn、Mg、Sn、あるいはこれらを主成分とする合金、さらにはこれら金属とAlとの合金を用いることも可能である。
なお、「主成分」とは上記金属の含有量が80%以上のものを言うものとする。具体的には、Zn,Mg,Sn,Zn+Mg,Zn+Sn,Mg+Sn,Zn+Mg+Sn,Zn+Al,Mg+Al,Sn+Al,Zn+Mg+Al,Zn+Sn+Al,Mg+Sn+Al,Zn+Mg+Sn+Alを80%以上含有する金属(純金属又は合金)を意味する。

0038

また、Alとの間に共晶反応を生じる金属として、Cu(銅)を用いることもできるが、Cuの融点はAlの融点よりも高いことから、インサート材としては、予めAlを合金化することによって、その融点をアルミニウム合金母材の融点より低くなるように成分調整したCu−Al合金を用いる必要がある。

0039

さらに、被接合材としてもアルミニウム系金属材料に限定されることはなく、上記したように、例えば銅及び銅合金、マグネシウム及びマグネシウム合金、ニッケル及びニッケル基合金鉄系材料の接合に適用することができる。

0040

銅や銅系合金の接合におけるインサート材としては、例えばAl、Ag(銀)、Snや、これらの合金を上記した要領で用いることができる。
なお、Cuとの間に共晶反応を生じる金属としては、上記の他に、Ti(チタン)を挙げることができるが、Tiの融点はCuの融点よりも高いことから、上記同様に、Tiに予めCuを合金化したCuよりも低融点の合金をインサート材として使用することが必要となる。

0041

また、マグネシウムやマグネシウム系合金の接合に用いるインサート材としては、例えばAl、Znや、これらの合金を上記同様の要領で使用することができる。
なお、Si(ケイ素)もMgとの間に共晶反応を生じる元素であるが、Siの融点はMgの融点よりも高いため、上記同様に、予めMgを合金化したMgよりも低融点の合金をインサート材として使用することが必要となる。また、上記Alについても、Mgの融点に近いことから、同様にMgを合金化したインサート材を用いることが望ましい。

0042

さらに、ニッケルやニッケル基合金の接合に使用するインサート材としては、例えばCuや、これらの合金を同様の要領で用いることができる。
また、Cuの他に、Niとの間に共晶反応を生じる金属として、Ti,Nb(ニオブ),Cr(クロム)を挙げることができるが、これら金属の融点は何れもNiの融点よりも高いため、予めNiを合金化することによって、上記同様にNiよりも低融点化した合金をインサート材として使用する必要がある。

0043

そして、鉄系材料の接合には、FeにC、NあるいはCrを合金化することによって、母材よりも低融点化した材料をインサート材として用いることができる。

0044

このようなインサート材の形状や両被接合材の間に介在させる方法としては、組成や形状(厚さ)などに関する選択の自由度が高いことから、箔の形態で両材料の間に挟み込むことが望ましい。
また、めっきやパウダーデポジション法によって、両材料の一方あるいは両方の接合面にインサート材を予め被覆しておくことも可能である。

0045

本発明の接合方法は、不活性ガス雰囲気で行うこともできるが、大気中でも何ら支障はなく行うことができる。
もちろん、真空中で行うことも可能であるが、真空設備が必要となるばかりでなく、インサート材の溶融により真空計ゲートバルブを損傷する可能性があるので、大気中で行うことがコスト的にも有利である。

0046

本発明の接合方法において、接合部を上記温度範囲に加熱し、維持するための手段としては、特に限定されることはなく、例えば、抵抗加熱高周波加熱赤外線加熱、あるいはこれらを組み合わせた方法を採用することができる。
また、接合温度については、高過ぎると、母材が溶け込むために液相が過剰に発生し、液相が過多になると接合界面に残存し、強度が得られなくなる傾向がある。具体的には、共晶点以上、共晶点+100℃までの温度範囲が好ましい。

0047

上記接合温度への昇温速度については、遅い場合には、界面が酸化されて溶融物の排出性が低下して、強度が低下する原因となることがあるため、速い方が望ましい。特に大気中の接合の場合には、この傾向がある。具体的には、3℃/秒以上、10℃/秒以上がより望ましく、25℃/秒以上であることがさらに望ましい。

0048

また、本発明の接合方法における接合時の加圧力としては、30MPa以下の低い加圧力で接合することができ、付加荷重を低減して、被接合材の損傷を防止できると共に、加圧システムが簡素化でき、エネルギー消費を抑えることができ、コストの低減が可能になる。

0049

本発明の接合方法は、上記したように、酸化皮膜を備えた種々の金属の接合に適用することができるが、その代表例として半導体装置を挙げることができる。
図6は、半導体チップを上記接合方法により絶縁基板上に接合して成る半導体装置の構造を示す概略断面図である。

0050

すなわち、図に示す半導体装置は、ヒートシンク11上に固定された絶縁基板12を備え、当該基板12の表面上に配置された配線金属13にシリコンチップ14が接合された構造を備えている。
上記配線金属13はアルミニウム合金から成るものであり、シリコンチップ14の接合面には、予めアルミニウムによるコーティングが施してあり、これらアルミニウム系金属同士が本発明方法によって接合されている。

0051

これら配線金属13とシリコンチップ14の接合に際しては、予め、アルミニウム合金製の配線金属13の接合面に、無数の突起から成る凹凸構造を塑性加工あるいは切削加工によって形成しておく。
そして、これら配線金属13とシリコンチップ14間に、厚さ25μmのAl−Sn−Zn合金急冷箔帯をインサート材として配置し、治具を用いて、常時15MPa以下の加圧力が掛かるように固定される。

0052

そして、例えばろう付け炉内にこの状態で収納し、400℃に1分間保持することによって、配線金属13とシリコンチップ14を接合することができる。
この方法によれば、Pb(鉛)フリーであることに加えて、低温度、短時間で接合が完了することから、半導体チップへの熱影響を最小限のものとすることができ、部品の歪みや性能劣化を防止することができる。また、複数のチップを同時に接合することができる。なお、半導体チップとしては、上記したシリコンチップ以外にも、種々のもの、例えばSiCやGaNなどを用いることができる。

0053

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明はこのような実施例によって何ら限定されない。

0054

〔1〕実施例1
(発明例1)
図7に示すように、JIS H 4000に、A1070として規定される工業用純アルミニウム(99.99%Al)から成る長さ15mm、径5mmの丸棒3と、長さ25mm、径10mmの丸棒4を用意した。
このとき、径10mmの丸棒4の接合面には、図3に示したような角錐状の突起1c(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0.35)から成る凹凸構造をダイヤモンド工具を用いた切削加工によって形成した。

0055

そして、上記丸棒3と丸棒4の接合面間に、急冷単ロール方によって作製したZn−3.5%Al−2.5%Mg合金から成る厚さ0.1mmの箔帯をインサート材2として挟んだ。
そして、大気中において接合部の周囲に配置した高周波加熱コイルSによって400℃に加熱し、5MPaで加圧した状態に1分間保持することによって、上記丸棒3、4を接合した。

0056

(発明例2)
丸棒4の接合面に、図4に示したような三角柱を並列させた鋸歯状断面を有する突起1c(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0.35)から成る凹凸構造を形成したこと以外は、上記発明例1と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、発明例2とした。

0057

(発明例3)
丸棒4の接合面に、図5に示したような角錐台状の突起1c(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、w=0.02mm、d/L=0.35)から成る凹凸構造を形成したこと以外は、上記発明例1と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、発明例3とした。

0058

(発明例4)
丸棒3及び丸棒4をASTM(アメリカ材料試験協会)にAZ91として規定されるマグネシウム合金(9%Al)から成るものとしたことの他は、上記発明例1と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、発明例4とした。

0059

(発明例5)
丸棒3及び丸棒4を無酸素銅から成るものとしたことの他は、上記発明例1と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、発明例5とした。

0060

(比較例1)
インサート材を用いることなく、上記発明例1と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例1とした。

0061

(比較例2)
インサート材を用いることなく、上記発明例2と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例2とした。

0062

(比較例3)
インサート材を用いることなく、上記発明例3と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例3とした。

0063

(比較例4)
丸棒4の接合面に、対称形状をなす角錐状突起(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0)を直立させてなる凹凸構造を形成したこと以外は、上記比較例1(インサート材なし)と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例4とした。

0064

(比較例5)
丸棒4の接合面に、二等辺三角形断面を有する屋根型の突起1c(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0)を直立させてなる凹凸構造を形成したこと以外は、上記比較例2(インサート材なし)と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例5とした。

0065

(比較例6)
丸棒4の接合面に、対称形状をなす角錐台状突起(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、w=0.02mm、d/L=0)を直立させてなる凹凸構造を形成したこと以外は、上記比較例3(インサート材なし)と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例4とした。

0066

(比較例7)
丸棒4の接合面に、対称形状をなす角錐状突起(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0)を直立させてなる凹凸構造を形成したこと以外は、上記発明例1(インサート材あり)と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例7とした。

0067

(比較例8)
丸棒4の接合面に、二等辺三角形断面を有する屋根型の突起1c(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0)を直立させてなる凹凸構造を形成したこと以外は、上記発明例2と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例8とした。

0068

(比較例9)
丸棒4の接合面に、対称形状をなす角錐台状突起(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、w=0.02mm、d/L=0)を直立させてなる凹凸構造を形成したこと以外は、上記発明例3と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例9とした。

0069

(比較例10)
丸棒4の接合面に、対称形状をなす角錐状突起(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0)を直立させてなる凹凸構造を形成したこと以外は、上記発明例4(マグネシウム合金から成る被接合材)と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例10とした。

0070

(比較例11)
丸棒4の接合面に、対称形状をなす角錐状突起(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0)を直立させてなる凹凸構造を形成したこと以外は、上記発明例5(無酸素銅から成る被接合材)と同様の操作を繰り返すことによって、丸棒3、4を接合し、比較例11とした。

0071

評価方法
上記によって得られた丸棒3と丸棒4との各接合体の接合強度を万能試験器による引張試験(引張速度:1mm/分)によって評価した。なお、試験繰り返し数は5回とし、その平均値をもって接合強度とすると共に、標準偏差をばらつきの指標として求めた。
また、丸棒3、4の端部にワイヤ溶接して、四点端子法により接合界面の電気抵抗を求めると共に、レーザフラッシュ法により接合界面の熱伝導度を求めた。これらの結果を表1に纏めて示す。

0072

0073

〔2〕実施例2
(発明例6)
図8に示すように、15mm×15mm×0.635mmのAlNから成るセラミックス板5の両面に、12mm×12mm×0.5mmの純アルミニウムから成る板材6、6を貼り付けたセラミックス基板の上に、Siから成る半導体チップ7を接合した。
接合に際して、半導体チップ7の接合面には純アルミニウムをスパッタリングする一方、図中上側のアルミニウム板材6の表面には、図4に示したような鋸歯状断面を有する突起1c(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0.35)から成る凹凸構造をダイヤモンド工具を用いた切削加工によって形成した。

0074

次に、上記アルミニウム板材6と半導体チップ7の接合面間に、急冷単ロール方によって作製したZn−3.5%Al−2.5%Mg合金から成る厚さ0.1mmの箔帯をインサート材2として挟んだ。そして、この状態で、赤外線加熱方式の拡散接合装置により、5MPaの加圧力の下で、400℃に1分間保持することによって、半導体チップ7をセラミックス基板上のアルミニウム板材6に接合した。

0075

(比較例12)
アルミニウム板材6の接合面に、二等辺三角形断面を有する屋根型の突起1c(a=0.1mm、h=0.1mm、p=0.1mm、d/L=0)を直立させてなる凹凸構造を形成したこと以外は、上記発明例6と同様の操作を繰り返すことによって、半導体チップ7をセラミックス基板上のアルミニウム板材6に接合した。

0076

(評価方法)
上記によって得られた半導体装置の接合強度をダイシェア試験(シェア速度:100μm/秒)によって評価した。このとき、試験の繰り返し数を5回とし、その平均値をもって接合強度とすると共に、標準偏差をばらつきの指標として求めた。
また、得られた半導体装置を簡易回路に組み込んで、接合界面の電気抵抗を求めると共に、レーザフラッシュ法によって接合界面の熱伝導度を求めた。
これらの結果を表2に示す。

実施例

0077

0078

1被接合材
1a酸化皮膜
1c突起
2 インサート材

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