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技術 金属粒子

出願人 有限会社ナプラ
発明者 関根重信
出願日 2019年5月27日 (1年1ヶ月経過) 出願番号 2019-098258
公開日 2019年9月19日 (9ヶ月経過) 公開番号 2019-155479
状態 未査定
技術分野 はんだ付・ろう付材料 粉末冶金
主要キーワード シート状金属材 クラック現象 混合ガスタンク 微粒子回収装置 圧延ロール機 セル状構造 境目付近 X線回折法
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

SAC合金等の公知のはんだ材については、溶着時または溶着後のウィスカ状結晶成長カーケンダルボイドの発生等による接合不良の発生といった問題があり、また、接合等の対象物と接合部ないし封止部との界面付近に形成される金属間化合物層と、典型的には粗いSn結晶金属間化合物が覆うセル状のSn層との間に溶着時または溶着後にクラックボイド等の不良が発生しやすい。

解決手段

SnとCu6Sn5金属間化合物とCuとを含むはんだ材であって、前記SnとCu6Sn5金属間化合物と前記Cuが分散して存在する構造を有し、溶着時に前記Cuの実質的に全てがSnその他の物質化合物を形成するはんだ材によって、上記課題を解決した。

概要

背景

半導体デバイスに代表される微細電気回路に関わる接合封止(以下、接合および封止を総称して、「接合等」ということがある。)に関しては、接合等の対象物である金属の主要な組成Cu、Al、Niなど様々であり、また、接合等の対象物の表面が酸化防止等の目的でAu、Ag等の他の金属で覆われていることも珍しくない。このような接合等に用いられる材料としては、鉛フリー化社会的要請に対応して、AuSn系材料、AgSn系材料、CuSn系材料等の高融点金属低融点金属を組み合わせた金属材が知られている。

しかしながら、Sn、AgおよびCuからなる合金(以下、「SAC合金」という。)等のこれまでに知られているはんだ材については、溶着時または溶着後(なお、溶着という場合、溶着部外観から判別可能であるか否か、接合等の際に加圧が必要であるか否かを問わず、接合または封止に用いる材料に熱を加えて対象物を接合または封止することを広く意味する。)のウィスカ状結晶成長カーケンダルボイドの発生等による接合不良の発生といった問題があり、また、接合等の対象物と接合部ないし封止部との界面付近に形成される金属間化合物層と、典型的には粗いSn結晶金属間化合物が覆うセル状のSn層との間に溶着時または溶着後にクラックボイド等の不良が発生しやすいことが知られている。
さらに、これまでに知られているSnを含む金属材は、金属材に含まれるSnの結晶が温度の変化に伴って相変態を起こすことによる事後的な接合等の不良発生という問題をはらんでいる。すなわち、Sn結晶の相変態については、Snの結晶構造常温域ではβ-Snであるところ、約161℃以上の温度域ではβ-Snからγ-Snへの相変態が起こり始め、約13℃以下の温度帯になるとβ-Snからα-Snへの変態が始まり、さらに温度が下がればα‐Snへの変態が進むことが知られている。接合等の不良発生という課題の解決に当たっては、β-Snからα-Snへの相変態に伴うSn結晶の体積変化が大きいことや、α‐Snが非常に脆いことから、とりわけ、α‐Snの発現を抑制することが重要である。
なお、Snの結晶構造の違いによる密度結晶格子の違いについて、一般的に知られているデータは図17に示すとおりである。

また、電子デバイスの封止に用いる金属材料については、例えば、CoNi合金とSnを組み合わせた金属材やAuSn系金属材等が知られているが、CoNi合金とSnを組わせた金属材については、Sn層の形成過程が必要であるため、より簡易なプロセスで封止を実現できる材料が求められている。また、AuSn系金属材については、Auが高価であり、より安価な材料からなる金属材が求められている。

ほかにも、例えば、深紫外線LEDのレンズ部と基板の接合部ないし封止部等、樹脂接合材では劣化が問題となり、また、SAC合金では良好な接合等を実現できないために、AuSn系金属材が用いられる場合があり、AuSn系金属材に代替できるより安価な金属材が求められている。

以上に述べたような問題を解決するためには、(1)接合等に用いられるはんだ材等の金属材の中で微細な金属結晶が細やかに接した構造を形成することにより、接合等の不良の原因となるウィスカ状結晶の成長をできるだけ防ぎ、また、金属結晶が細やかに接する構造によって、応力を分散し、歪みを緩和すること、(2)溶着により接合等を形成する際に融点の高い金属間化合物を形成し、高温下でも固相を保つ金属間化合物を接合部ないし封止部の保持に利用すること(なお、共晶組成を有する従来のSn−Ag−Cu合金に見られるように、粗いSn結晶を覆うように金属間化合物が形成される典型的なセル状構造を呈する場合、かかる構造を呈する当該金属間化合物には、接合等を保持する効果は期待し難く、典型的なセル状構造の出現をできるだけ抑制するためには、共晶組成としないことが考えられる。)、(3)Snへと拡散しやすい金属(たとえば、接合対象物と同じ組成の金属)とSnとが接合等に用いられるはんだ材等の金属材の中で分散して存在する構造として、溶着の際に当該金属材中のSnへと拡散しやすい金属(たとえば、Cu)を当該金属材中のSnへ拡散させ、その実質的に全てがSnとの金属間化合物を形成することによって、接合等の対象物である金属自体が溶着後に高温にさらされても当該金属材へと拡散したり、新たに金属間化合物を形成することをできるだけ抑制することが考えられる。
そして、かかる接合または封止に用いられる金属材を容易に得るためには、その材料となる金属の組成と結晶構造自体を工夫することが考えられる。

本発明は、以上に述べたような課題を解決するはんだ材、ならびに、かかるはんだ材を比較的容易に得ることができる材料である金属粒子、かかる金属粒子を含む金属材(はんだ材その他接合の用途に用いられるものに限らない。)、および、かかるはんだ材または金属材を用いた半導体装置電子部品電気機器光学機器照明器具に関するものである。

一方、本出願人は特許文献2において、外殻と、コア部とからなり、前記コア部は、金属又は合金を含み、前記外殻は、金属間化合物から成り、前記コア部を覆っており、前記コア部は、Sn又はSn合金を含み、前記外殻は、SnとCuとの金属間化合物を含む、金属粒子(以下、便宜上、「SnCu外殻粒子」という。)を提案している。SnCu外殻粒子により形成された接合部は、長時間にわたって高温動作状態が継続した場合も、また、高温動作状態から低温停止状態へと温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用された場合でも、長期にわたって高い耐熱性、環境下における接合強度及び機械的強度を維持することができた。

しかし、SnCu外殻粒子は外殻とコア部の2層構造を有し、外殻の金属間化合物が接合対象物との間に介在することによって、Cuその他の接合対象物との拡散を制御して、カーケンダルボイドの発生を抑制するものであるが、接合工程の高温下で当該金属粒子のコア部が溶融する状況下において、外殻の金属間化合物が接合対象物上にできるだけ均一に接するように当該金属間化合物を分布させることは、必ずしも容易ではなかった。そのため、SnとSnCuとの接合部が外殻と内殻境目付近以外にはあまりなく、また、外殻の金属間化合物が接合対象物上に不均一に接する状態で接合してしまうため、高温となるデバイスに使用された場合、十分にボイドの発生を抑制できない場合がある等の問題があった。

また、特許文献3には、高温時に接続強度の維持を目的として、半導体装置の電極実装基板の電極とを、Cuボールを有する接続部により接続し、かつCuボール同士を金属間化合物Cu6Sn5によって連結する電子機器が開示されている。
しかし特許文献3に開示された技術では、接続部においてCuが一方向に結晶成長し、長軸結晶を生成し、これがウィスカとなってクラック現象が生じ、電気的特性阻害や、耐久性が悪化する等の問題点があった。

概要

SAC合金等の公知のはんだ材については、溶着時または溶着後のウィスカ状結晶の成長、カーケンダルボイドの発生等による接合不良の発生といった問題があり、また、接合等の対象物と接合部ないし封止部との界面付近に形成される金属間化合物層と、典型的には粗いSn結晶を金属間化合物が覆うセル状のSn層との間に溶着時または溶着後にクラック、ボイド等の不良が発生しやすい。SnとCu6Sn5金属間化合物とCuとを含むはんだ材であって、前記SnとCu6Sn5金属間化合物と前記Cuが分散して存在する構造を有し、溶着時に前記Cuの実質的に全てがSnその他の物質化合物を形成するはんだ材によって、上記課題を解決した。A

目的

本発明の目的は、従来技術よりも幅広い温度帯で良好な接合または封止を維持することができるはんだ材、ならびに、かかるはんだ材を比較的容易に得ることができる材料である金属粒子、かかる金属粒子を材料に含む金属材および複合材、並びに、かかるはんだ材または金属材または複合材を用いた半導体装置、電子部品、電気機器、光学機器、照明器具を提供する

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

SnとCu6Sn5金属間化合物とCuとを含むはんだ材であって、前記SnとCu6Sn5金属間化合物と前記Cuが分散して存在する構造を有し、溶着時に前記Cuの実質的に全てがSnその他の物質化合物を形成するはんだ材。

請求項2

請求項1のはんだ材であって、Niを含むはんだ材。

請求項3

β-Snの結晶と、SnとCuとの間の金属間化合物の結晶とが、エンドタキシャルまたはエピタキシャル接合しているものを含む金属粒子であって、融点がSnの融点を下回る温度となる共晶組成ではない金属粒子。

請求項4

請求項3の金属粒子であって、Niを含む、金属粒子。

請求項5

請求項3または請求項4の金属粒子を含むペースト

請求項6

請求項3または請求項4の金属粒子を、圧粉および圧延、または圧延して得られる金属材

請求項7

請求項6の金属材と他の金属との複合材

請求項8

請求項1のはんだ材、請求項2のはんだ材、請求項5のペースト、請求項6の金属材、請求項7の複合材の少なくとも一つを用いて形成された電極、接合部または封止部を有する半導体装置

請求項9

請求項1のはんだ材、請求項2のはんだ材、請求項5のペースト、請求項6の金属材、請求項7の複合材の少なくとも一つを用いて形成された電極、接合部または封止部を有する電子部品

請求項10

請求項1のはんだ材、請求項2のはんだ材、請求項5のペースト、請求項6の金属材、請求項7の複合材の少なくとも一つを用いて形成された電極、接合部または封止部を有する電気機器

請求項11

請求項1のはんだ材、請求項2のはんだ材、請求項5のペースト、請求項6の金属材、請求項7の複合材の少なくとも一つを用いて形成された電極、接合部または封止部を有する光学機器

請求項12

請求項1のはんだ材、請求項2のはんだ材、請求項5のペースト、請求項6の金属材、請求項7の複合材の少なくとも一つを用いて形成された電極、接合部または封止部を有する照明器具

技術分野

背景技術

0002

半導体デバイスに代表される微細電気回路に関わる接合封止(以下、接合および封止を総称して、「接合等」ということがある。)に関しては、接合等の対象物である金属の主要な組成Cu、Al、Niなど様々であり、また、接合等の対象物の表面が酸化防止等の目的でAu、Ag等の他の金属で覆われていることも珍しくない。このような接合等に用いられる材料としては、鉛フリー化社会的要請に対応して、AuSn系材料、AgSn系材料、CuSn系材料等の高融点金属低融点金属を組み合わせた金属材が知られている。

0003

しかしながら、Sn、AgおよびCuからなる合金(以下、「SAC合金」という。)等のこれまでに知られているはんだ材については、溶着時または溶着後(なお、溶着という場合、溶着部外観から判別可能であるか否か、接合等の際に加圧が必要であるか否かを問わず、接合または封止に用いる材料に熱を加えて対象物を接合または封止することを広く意味する。)のウィスカ状結晶成長カーケンダルボイドの発生等による接合不良の発生といった問題があり、また、接合等の対象物と接合部ないし封止部との界面付近に形成される金属間化合物層と、典型的には粗いSn結晶金属間化合物が覆うセル状のSn層との間に溶着時または溶着後にクラックボイド等の不良が発生しやすいことが知られている。
さらに、これまでに知られているSnを含む金属材は、金属材に含まれるSnの結晶が温度の変化に伴って相変態を起こすことによる事後的な接合等の不良発生という問題をはらんでいる。すなわち、Sn結晶の相変態については、Snの結晶構造常温域ではβ-Snであるところ、約161℃以上の温度域ではβ-Snからγ-Snへの相変態が起こり始め、約13℃以下の温度帯になるとβ-Snからα-Snへの変態が始まり、さらに温度が下がればα‐Snへの変態が進むことが知られている。接合等の不良発生という課題の解決に当たっては、β-Snからα-Snへの相変態に伴うSn結晶の体積変化が大きいことや、α‐Snが非常に脆いことから、とりわけ、α‐Snの発現を抑制することが重要である。
なお、Snの結晶構造の違いによる密度結晶格子の違いについて、一般的に知られているデータは図17に示すとおりである。

0004

また、電子デバイスの封止に用いる金属材料については、例えば、CoNi合金とSnを組み合わせた金属材やAuSn系金属材等が知られているが、CoNi合金とSnを組わせた金属材については、Sn層の形成過程が必要であるため、より簡易なプロセスで封止を実現できる材料が求められている。また、AuSn系金属材については、Auが高価であり、より安価な材料からなる金属材が求められている。

0005

ほかにも、例えば、深紫外線LEDのレンズ部と基板の接合部ないし封止部等、樹脂接合材では劣化が問題となり、また、SAC合金では良好な接合等を実現できないために、AuSn系金属材が用いられる場合があり、AuSn系金属材に代替できるより安価な金属材が求められている。

0006

以上に述べたような問題を解決するためには、(1)接合等に用いられるはんだ材等の金属材の中で微細な金属結晶が細やかに接した構造を形成することにより、接合等の不良の原因となるウィスカ状結晶の成長をできるだけ防ぎ、また、金属結晶が細やかに接する構造によって、応力を分散し、歪みを緩和すること、(2)溶着により接合等を形成する際に融点の高い金属間化合物を形成し、高温下でも固相を保つ金属間化合物を接合部ないし封止部の保持に利用すること(なお、共晶組成を有する従来のSn−Ag−Cu合金に見られるように、粗いSn結晶を覆うように金属間化合物が形成される典型的なセル状構造を呈する場合、かかる構造を呈する当該金属間化合物には、接合等を保持する効果は期待し難く、典型的なセル状構造の出現をできるだけ抑制するためには、共晶組成としないことが考えられる。)、(3)Snへと拡散しやすい金属(たとえば、接合対象物と同じ組成の金属)とSnとが接合等に用いられるはんだ材等の金属材の中で分散して存在する構造として、溶着の際に当該金属材中のSnへと拡散しやすい金属(たとえば、Cu)を当該金属材中のSnへ拡散させ、その実質的に全てがSnとの金属間化合物を形成することによって、接合等の対象物である金属自体が溶着後に高温にさらされても当該金属材へと拡散したり、新たに金属間化合物を形成することをできるだけ抑制することが考えられる。
そして、かかる接合または封止に用いられる金属材を容易に得るためには、その材料となる金属の組成と結晶構造自体を工夫することが考えられる。

0007

本発明は、以上に述べたような課題を解決するはんだ材、ならびに、かかるはんだ材を比較的容易に得ることができる材料である金属粒子、かかる金属粒子を含む金属材(はんだ材その他接合の用途に用いられるものに限らない。)、および、かかるはんだ材または金属材を用いた半導体装置、電子部品、電気機器、光学機器、照明器具に関するものである。

0008

一方、本出願人は特許文献2において、外殻と、コア部とからなり、前記コア部は、金属又は合金を含み、前記外殻は、金属間化合物から成り、前記コア部を覆っており、前記コア部は、Sn又はSn合金を含み、前記外殻は、SnとCuとの金属間化合物を含む、金属粒子(以下、便宜上、「SnCu外殻粒子」という。)を提案している。SnCu外殻粒子により形成された接合部は、長時間にわたって高温動作状態が継続した場合も、また、高温動作状態から低温停止状態へと温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用された場合でも、長期にわたって高い耐熱性、環境下における接合強度及び機械的強度を維持することができた。

0009

しかし、SnCu外殻粒子は外殻とコア部の2層構造を有し、外殻の金属間化合物が接合対象物との間に介在することによって、Cuその他の接合対象物との拡散を制御して、カーケンダルボイドの発生を抑制するものであるが、接合工程の高温下で当該金属粒子のコア部が溶融する状況下において、外殻の金属間化合物が接合対象物上にできるだけ均一に接するように当該金属間化合物を分布させることは、必ずしも容易ではなかった。そのため、SnとSnCuとの接合部が外殻と内殻境目付近以外にはあまりなく、また、外殻の金属間化合物が接合対象物上に不均一に接する状態で接合してしまうため、高温となるデバイスに使用された場合、十分にボイドの発生を抑制できない場合がある等の問題があった。

0010

また、特許文献3には、高温時に接続強度の維持を目的として、半導体装置の電極実装基板の電極とを、Cuボールを有する接続部により接続し、かつCuボール同士を金属間化合物Cu6Sn5によって連結する電子機器が開示されている。
しかし特許文献3に開示された技術では、接続部においてCuが一方向に結晶成長し、長軸結晶を生成し、これがウィスカとなってクラック現象が生じ、電気的特性阻害や、耐久性が悪化する等の問題点があった。

先行技術

0011

特開2007−268569号公報
特許第6029222号公報
特開2002−261105号公報

発明が解決しようとする課題

0012

本発明の目的は、従来技術よりも幅広い温度帯で良好な接合または封止を維持することができるはんだ材、ならびに、かかるはんだ材を比較的容易に得ることができる材料である金属粒子、かかる金属粒子を材料に含む金属材および複合材、並びに、かかるはんだ材または金属材または複合材を用いた半導体装置、電子部品、電気機器、光学機器、照明器具を提供することにある。

課題を解決するための手段

0013

上述した課題を解決するため、本発明は、まず、接合や封止の用途に用いられる鉛フリーのはんだ材として、SnとCu6Sn5金属間化合物とCuが分散して存在する構造を有し、溶着の際に前記Cuの実質的に全部が他の物質との化合物となるはんだ材、並びに、かかるはんだ材を容易に得ることを可能とする材料として、Snの微細な結晶と金属間化合物の結晶とがエンドタキシャル又はエピタキシャルに接合しているものを含み、共晶組成を有しない金属粒子を提供するとともに、かかる金属粒子を材料に含む金属材および複合材、ならびに、かかるはんだ材(前記金属粒子を含むか否かに関わらない。)、金属材または複合材を用いた半導体装置、電子部品、電気機器、光学機器および照明器具を提供するものである。
なお、上記の金属粒子は、後述するとおり、例えば、Snと他の金属(なお、他の箇所でも同様であるが、単に「金属」という場合、単一組成の金属だけでなく、合金や金属間化合物を含む。)を溶融して、大気圧よりも高い圧力の不活性雰囲気ガス雰囲気内において、高速で回転する板上に適切に滴下し、回転噴霧により微細化することによって得ることができる。

発明の効果

0014

請求項1及び2記載の本発明のはんだ材の特徴は、SnとCu6Sn5とCuとを含み、前記はんだ材を用いて接合または封止を行う際にこれに含まれるCuが実質的に全てCuSn金属間化合物(および、前記はんだ材がSn以外のCuと化合物を形成する物質を含む場合には、当該物質との化合物)を形成するように、Cuが分散した構造を有することにあり、その結果、本発明のはんだ材を用いて形成された接合部ないし封止部は、固液混合状態となる高温にさらされた場合でも、固相のCuSn金属間化合物が接合部にとどまって、良好な接合を維持することを確認した。
次に、本発明の金属粒子の特徴は、金属粒子の内部で、Snの多結晶中に、SnとCuとの金属間化合物の結晶が分散して存在しており、かつ、前記Snの結晶と前記金属間化合物の結晶がエンドタキシャルまたはエピタキシャルに接合しているものを含み、かつ、前記金属間化合物がSn結晶を覆うように形成された典型的なセル状構造が生じることを極力避けるために、共晶組成を有しないことにある。このように、共晶組成を有しないものとして金属間化合物の結晶を分散させることにより、Snの結晶と金属間化合物の結晶が接する面(以下、単に「界面」ということがある。)の面積を大きくすると同時に、多数の界面が細かく幾多の方向に形成され、さらには、界面がエンドタキシャルまたはエピタキシャルに接合し安定的な接合を形成するため、温度変化による金属の結晶成長を抑制することができ、また、比較的大きな体積変化を伴うβ-Snからα-Snへの相変態を抑制できることを確認した。
そして、本発明の金属粒子を材料に用いた請求項5の本発明のペースト、ならびに、請求項6および7の本発明の金属材および複合材(はんだ等の接合の用途に用いられるものに限らない。)については、前記本発明のはんだ材と異なる組成であっても、上記のような本発明の金属粒子の特徴から、溶着時に良好な接合等を形成するとともに、β‐Snからα‐Snへの相変態に伴う接合不良が懸念される-40℃から150℃、175℃または200℃という幅広い温度差の各温度サイクル試験を実施しても、SAC合金に優るとも劣らない良好な接合を維持することを確認した。

0015

なお、電子部品には、Cu、Ag、Au、Niその他さまざまな金属が用いられるが、本発明のはんだ材(本発明の金属粒子を材料に含むものに限らず、また、本発明の金属粒子の外にCuその他の金属、さらには、樹脂、弾性体炭素結晶その他の物質も材料に含むものを含む。)ならびに本発明の金属材および複合材は、接合等の対象物の組成や溶着時に求められる温度等の条件に応じて組成を調整することで、これらのさまざまな金属と良好な接合を形成することが可能である。

0016

以上に述べた用途のほかにも、本発明のはんだ材ならびに本発明の金属材および複合材は、例えば、TSVなどの微細孔内配線形成や、深紫外線LEDのレンズ部と基板の接合部等といった様々な異物質との接合用途にも用いることが可能である。

0017

したがって、本発明のはんだ材(本発明の金属粒子を材料に用いたものに限らず、また、本発明の金属粒子の外にCuその他の金属、さらには、樹脂、弾性体、炭素結晶その他の物質も材料に含むものを含む。)ならびにかかるはんだ材とは組成が異なる本発明の金属材および複合材(以下、本発明のはんだ材と区別して、「本発明の金属材」と総称することがある。)は、応力や温度変化等が加わっても良好な接合等を保つことができ、かつ、電子部品に用いられるさまざまな金属とも良好に接合することができる。そのため、とりわけ微細な箇所の接合等の材料に有用であり、本発明のはんだ材または本発明の金属材を電極、接合部または封止部に用いた半導体装置、電子部品、電気機器、光学機器、照明器具は、幅広い温度変化に耐える良好な性能を得ることができる。

図面の簡単な説明

0018

本発明の実施例1で得られた金属粒子1をFIB(集束イオンビーム)で薄くカッティングした断面のSTEM像である。
金属粒子1の断面のSTEM像と、EDSによる元素マッピング分析の結果である。
金属粒子1の透過型電子回折パターンである。
本発明の実施例2で得られた金属粒子2をFIB(集束イオンビーム)で薄くカッティングした断面のSTEM像である。
金属粒子2の断面のSTEM像と、EDSによる元素マッピング分析の結果である。
金属粒子2の断面のTEM像と、Sn領域および金属間化合物領域の透過型電子回折パターンである。
金属粒子2のSn領域と金属間化合物領域との界面領域のTEM像と、前記界面の透過型電子回折パターンである。
金属粒子2を低温環境下に置いたときの、Sn領域の透過型電子回折パターンである。
本発明の金属粒子の製造に好適な製造装置の一例を説明するための図である。
本発明の金属粒子3を用いて作製したシート状の金属材(試料1)の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析およびX線回折法による定性分析の結果である。
試料1を、SiチップCu板とで挟んで焼成した接合部の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析およびX線回折法による定性分析の結果である。
本発明の金属粒子1およびCu粉末を混合して作製したシート状の金属材(試料2)の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析およびX線回折法による定性分析の結果である。
試料2を、SiチップとCu板とで挟んで焼成した接合部の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析およびX線回折法による定性分析の結果である。
本発明の金属粒子3およびCu粉末を混合して作製したシート状の金属材(試料3)の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析およびX線回折法による定性分析の結果である。
試料3を、SiチップとCu板とで挟んで焼成した接合部の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析およびX線回折法による定性分析の結果である。
本発明の金属粒子1を用いて作製したシート状の金属材とシート状42alloyとを圧延して張り合わせたシート状接合材(試料4)、および試料4をCu板と焼成したときの断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析および定量分析の結果である。
試料1とシート状42alloyとを圧延して張り合わせたシート状の金属材(試料5)、および試料5をCu板と焼成したときの断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析および定量分析の結果である。
本発明の金属粒子1をペースト状にした接合材(試料6)の光学顕微鏡画像と、Cu板で挟んで焼成した接合部の断面SEM像とX線回折法による定性分析の結果である。
本発明の金属粒子3をペースト状にした接合材(試料7)の光学顕微鏡画像と、Cu板で挟んで焼成した接合部の断面SEM像とX線回折法による定性分析の結果である。
比較例1で用いた金属粒子4の断面のSTEM像およびTEM像である。
金属粒子4をペースト状にした接合材(試料8)を、Cu板で挟んで焼成した接合部の断面SEM像である。
試料1を焼成し、冷熱サイクル試験を行った接合部断面の光学顕微鏡画像である。
試料2を焼成し、冷熱サイクル試験を行った接合部断面の光学顕微鏡画像である。
試料3を焼成し、冷熱サイクル試験を行った接合部断面の光学顕微鏡画像である。
試料4を焼成し、冷熱サイクル試験を行った接合部断面の光学顕微鏡画像である。
試料5を焼成し、冷熱サイクル試験を行った接合部断面の光学顕微鏡画像である。
試料6を焼成し、冷熱サイクル試験を行った接合部断面の光学顕微鏡画像である。
試料7を焼成し、冷熱サイクル試験を行った接合部断面の光学顕微鏡画像である。
試料8を焼成し、冷熱サイクル試験を行った接合部断面の光学顕微鏡画像である。
Sn結晶の温度による体積変態を示した、一般的に知られた図である。

0019

以下、本発明をさらに詳しく説明する。
なお、本明細書における用語は、特に説明がない場合であっても、以下のように定義する。
(1)金属というときは、金属元素単体のみならず、複数の金属元素を含む合金、金属間化合物を含むことがある。
(2)ある単体の金属元素に言及する場合、完全に純粋に当該金属元素のみからなる物質だけを意味するものではなく、微かな他の物質を含む場合もあわせて意味する。すなわち、不純物を含むものや、当該金属の結晶中に他の元素侵入し、または、当該結晶の格子点の一部が他の元素に置換されているものを除外する意味ではない。
(3)金属材というときは、金属のみからなる物を意味するだけではなく、金属と金属以外の物質からなる物を含み、また、板状、棒状、紛体、ペースト状その他いかなる形状ないし形態であるかを問わない。
(4)たとえばSn領域というとき、Snが100%を占めているということではなく、その領域を構成している物質の中で最もSnの割合が高いということを示している。Cu領域、金属間化合物領域についても同様である。

0020

本発明の金属粒子は、Snの多結晶中に、Snと他の金属間の金属間化合物の結晶が分散して存在しており、前記Sn結晶と前記金属間化合物の結晶がエンドタキシャル又はエピタキシャルに接合しているものを含み、かつ、共晶組成を有しないことを特徴とする。

0021

本発明の金属粒子の製造方法について説明する。
本発明の金属粒子は、例えば、8wt%Cuおよび92wt%Snを組み合わせた原材料(以下、「8Cu・92Sn」という。)から製造することができる。8Cu・92Snを真空内で溶融し、例えば、1.1×10−1MPa程度まで加圧された高い窒素ガス雰囲気中で高速回転する皿形ディスク上に供給し、遠心力により該溶融金属小滴として飛散させ、雰囲気温度が30℃〜60℃で保持された環境で冷却固化させる等、環境条件を適切に制御することによって、本発明の金属粒子を得ることができる。
また、本発明の金属粒子でNiを含むものであれば、例えば、8wt%Cu、91.5wt%および0.5wt%Niを組み合わせたもの(以下、「8Cu・91.5Sn・0.5Ni」という。)を材料に用いて、上記と同様の方法で得ることができる。
なお、本発明の金属粒子の原材料および製造方法は、上記に限定されない。

0022

本発明の金属粒子の製造に好適な製造装置の一例にて図3を参照して説明する。粒状化室31は上部が円筒状、下部がコーン状になっており、上部に蓋302を有する。蓋302の中心部には垂直にノズル303が挿入され、ノズル303の直下には皿形回転ディスク304が設けられている。符号305は皿形回転ディスク304を上下に移動可能に支持する機構である。また粒状化室31のコーン部分下端には生成した粒子排出管306が接続されている。ノズル303の上部は粒状化する金属を溶融する電気炉高周波炉)307に接続されている。混合ガスタンク308で所定の成分に調整された雰囲気ガス配管309及び配管310により粒状化室31内部及び電気炉307上部にそれぞれ供給される。粒状化室31内の圧力は弁311及び排気装置312、電気炉307内の圧力は弁313及び排気装置314によりそれぞれ制御される。ノズル303から皿形回転ディスク304上に供給された溶融金属は皿形回転ディスク304による遠心力で微細な液滴状になって飛散し、例えば、1.1×10−1MPa程度まで加圧された不活性雰囲気中で冷却されて金属粒子になる。生成した金属粒子は排出管306から自動フィルター315に供給され分別される。符号316は微粒子回収装置である。

0023

上記の製造装置の仕様及びこれを用いて本発明の金属粒子を製造する条件としては、例えば次のようなものが挙げられる。
皿形回転ディスク304:内径60mm、深さ3mmの皿形ディスクを用い、毎分8万〜10万回転とする。
粒状化室31:9×10-2Pa程度まで減圧及び1MPa耐圧に耐える性能を有する真空槽を使用し、真空槽内の雰囲気を酸素濃度200PPM以下の不活性ガス等で作り出し、真空槽内を25〜60℃内に保持して、不活性ガス等を供給しつつ排気を同時に行って、粒状化室31内の気圧加圧状態(例えば、1.1×10−1MPa程度)とする。
これら条件(以下製造条件1)により製造された金属粒子の粒径は、直径約2μm〜30μmである。

0024

このようにして得られた本発明の金属粒子は、多結晶のSnを含むとともに、該多結晶のSnの中に、SnとCuの間の金属間化合物結晶(例えば、Cu6Sn5のようなCuxSny(x、yは金属間化合物結晶における各元素の組成比))が分散して存在する状態となり、かつ、該Snの結晶と該金属間化合物の界面の少なくとも一部は、エンドタキシャル又はエピタキシャルに接合する。

0025

本発明の金属粒子をシート状に加工し、又は、本発明の金属粒子を他の物質(例えば、Cu等の金属や、樹脂、弾性体、炭素結晶等の非金属)と組み合わせてシートあるいはペーストに加工し、これを表面が金属である接合対象物に接した状態で溶融させると、接合対象物の表面の金属と該シートまたはペーストとの拡散によって良好な接合を形成することができる。

0026

次に、本発明のはんだ材は、例えば、本発明の金属粒子とSiでコートしたCu粉末を、以下のようにローラー圧接することによってシート状として得ることができる。すなわち、対向する向きに回転する一対の圧接ローラーの間に、本発明の金属粒子を供給し、圧接ローラーから金属粒子に約100℃から150℃程度の熱を加えて、金属粒子を圧接することにより、本発明の金属粒子を材料とするシートが得られる。また、本発明のはんだ材とは異なる組成の本発明の複合材は、本発明の金属粒子を、他の物質と混合し、または、混合しないで、上記と同様の方法によってローラーを用いて得ることができる。なお、本発明のはんだ材は、本発明の金属粒子を材料とすることで容易に得ることが可能であるが、本発明の金属粒子を材料とするものに限定されない。また、本発明のはんだ材および本発明の金属材の製法は、上記に限定されない。

0027

さらに、本発明のはんだ材および本発明の金属材は、例えば、本発明の金属粒子を樹脂、フラックスその他の物質と混合してペースト状として得ることも可能であり、その他、棒状、粉末状その他の形態で得ることも可能である。また、本発明のはんだ材および本発明の金属材の材料から、従来のSAC合金等の共晶組成を有するものを除外しなければならないものではなく、溶着時の温度や耐熱性等の要求される条件に応じて、共晶組成の物質を加え、あるいは、Biその他の金属を添加した共晶組成を利用してもよい。

0028

以下、本発明を実施例および比較例によりさらに説明するが、本発明は下記の実施例に制限されない。

0029

実施例1
原材料として8Cu・92Snを用い、図3に示す製造装置および上記製造条件1により、直径約2〜30μmの金属粒子1を製造した。
図1Aは、本発明の金属粒子1をFIB(集束イオンビーム)で薄くカッティングした断面の電子顕微鏡写真である。この金属粒子の粒径は、およそ10μmであり、Sn領域121中に、SnとCuの金属間化合物領域111を有していることが分かる。
図1Bは、金属粒子1の断面においてEDSによる元素マッピング分析を行ったときの分析結果である。領域10は金属粒子1の断面のSTEM像全域を示している。この分析結果から、領域111はSnとCuの金属間化合物であり、領域121はSnであることが確認された。
図1Cは、金属粒子1の断面のTEM像および透過型電子回折パターンである。11a、12a、13aは11、12、13それぞれの透過型電子回折パターンを示している。これらの結果から、11はCuとSnの金属間化合物の結晶であり、12はSnの結晶であることがわかる。また、13aの結果から、CuとSnの金属間化合物結晶11とSn結晶12とが、エンドタキシャル又はエピタキシャルに接合していることが確認できる。
なお、図1Cの各透過型電子回折パターンは、いずれも常温(室温)で観察されたものである

0030

実施例2
原材料として8Cu・91.5Sn・0.5Niを用い、図3に示す製造装置および上記製造条件1により、直径約2〜30μmの金属粒子2を製造した。
図2Aは、本発明の金属粒子2の断面をFIB(集束イオンビーム)で薄くカッティングした断面のSTEM像である。この金属粒子の粒径は、およそ10μmであり、Sn領域22中に、SnとCuの金属間化合物領域21を有していることが分かる。
図2Bは、金属粒子2の断面においてEDSによる元素マッピング分析を行ったときの分析結果である。この分析結果から、領域21はSn、Cu、Niの内の二つの元素からなる金属間化合物の領域であること、領域22はSnの領域であること、Sn領域22に微量ではあるがNiが存在することが確認された。
図2Cは、金属粒子2の断面のTEM像および透過型電子回折パターンである。21aは、金属間化合物21の領域の透過型電子回折パターンであり、この透過型電子回折パターンの測定領域の金属間化合物21はCu6Sn5の結晶であることが確認された。22aは、Sn22の領域の透過型電子回折パターンであり、Sn22がβ‐Snの結晶であることが確認された。
図2Dは、金属粒子2の断面のTEM像および透過型電子回折パターンである。領域23は、Sn23と金属間化合物21の界面を示している。23aは界面23の透過型電子回折パターンであり、界面23においてSn22と金属間化合物21がエンドタキシャル接合していることが確認された。
図2Eは、金属粒子2を低温環境下に置いたときのSn領域における透過型電子回折パターンである。各像は、それぞれ、aは常温(約15〜25℃)、bは−80℃、cは−120℃、dは−160℃における透過型電子回折パターンである。これらの透過型電子回折パターンから、金属粒子2のSnは、常温から少なくとも−160℃まで冷却しても、β‐Snの結晶構造を保持し、α‐Snへの相変態を起こしていないことが確認された。

0031

実施例3
原材料として、8wt%Cu、91.9wt%Snおよび0.1wt%Niを組み合わせた金属(以下、「8Cu・91.9Sn・0.1Ni」という。)を用い、図3に示す製造装置および上記製造条件1により、直径約2〜30μmの金属粒子3を製造した。

0032

実施例4
金属粒子3を圧延ロール機直接投入し、圧粉圧延し、厚み70μmのシート状の金属材(以下、試料1とする)を作製した。
図4Aは、試料1の断面SEM像とEDSによる元素マッピング分析の結果であり、図4BはX線回折法による定性分析の結果である。
これらの結果から、未焼成の試料1にはCu結晶が存在しないことが確認された。
図5Aは、試料1を、Siチップ101とCu板301とで挟んで280℃で焼成した接合部の断面SEM像とEDSによる元素マッピング分析の結果であり、図5BはX線回折法による定性分析の結果である。
良好な接合層501を形成しており、Siチップ101およびCu板501との界面にボイドは確認されなかった。
また定性分析の結果から、焼成後の試料1にはCu結晶が存在しないことが確認された。

0033

実施例5
金属粒子1を77wt%、SiでコートしたCu粉末を23wt%の割合で混合した金属粉末を圧延ロール機に直接投入し、圧粉圧延し、厚み70μmのシート状の金属材(以下、試料2とする)を作製した。
図6Aは、試料2の断面SEM像とEDSによる元素マッピング分析の結果であり、図6BはX線回折法による定性分析の結果である。
これらの結果から、未焼成の試料2にはCu結晶が存在することが確認された。
図7Aは、試料2を、Siチップ101とCu板301とで挟んで280℃で焼成した接合部の断面SEM像とEDSによる元素マッピング分析の結果であり、図7BはX線回折法による定性分析の結果である。
良好な接合層501を形成しており、Siチップ101およびCu板301との界面にボイドは確認されなかった。
また定性分析の結果から、焼成後の試料2にはCu結晶が存在しないことが確認された。

0034

実施例6
金属粒子3を77wt%、SiでコートしたCu粉末を23wt%の割合で混合した金属粉末を圧延ロール機に直接投入し、圧粉圧延し、厚さ70μmのシート状の金属材(以下、試料3とする)を作製した。
図8Aは、実施例6で用いた試料3の断面SEM像とEDSによる元素マッピング分析の結果であり、図8BはX線回折法による定性分析の結果である。
これらの結果から、未焼成の試料3にはCu結晶が存在することが確認された。
図9Aは、試料3を、Siチップ101とCu板301とで挟んで280℃で焼成した接合部の断面SEM像とEDSによる元素マッピング分析の結果であり、図9BはX線回折法による定性分析の結果である。
良好な接合層501を形成しており、Siチップ101およびCu板301との界面にボイドは確認されなかった。
また定性分析の結果から、焼成後の試料3にはCu結晶が存在しないことが確認された。

0035

実施例7
金属粒子1を圧延ロール機に直接投入し、圧粉圧延し、厚み180μmのシート状の金属材を作製する。前記金属材と、Niが42wt%、残量がFe(微量のCu、Mnが含まれることもある)から成る厚み20μmの金属材(以下、42alloyとする)とを圧延し、厚み70μmの2層構造のシート状金属材(以下、試料4とする)を作製した。
図10Aは、試料4の焼成前の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析および定量分析の結果である。
図10Bは、試料4の焼成後の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析および定量分析の結果である。金属粒子1で作製したシート状の金属材と42alloyとの接合が良好であることを示している。
定量分析の結果を表1に示す。

0036

0037

実施例8
試料1(厚み180μm)と42alloy(厚み20μm)とを圧延し、厚み70μmの2層構造のシート状金属材(以下、試料5とする)を作製した。
図11Aは、試料5の焼成前の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析および定量分析の結果である。
図11Bは、試料5の焼成後の断面SEM像、EDSによる元素マッピング分析および定量分析の結果である。試料5と42alloyとの接合が良好であることを示している。
定量分析の結果を表2に示す。

0038

0039

実施例9
金属粒子1をフラックスと混合したペースト状の接合材(以下、試料6とする)を作製した。フラックスは、ロジン活性剤チキソ剤などから成る。
図12Aは、実施例9で用いた試料6の焼成前の光学顕微鏡像と、試料6をCu板301で挟んで280℃で焼成した接合部の断面SEM像であり、図12Bは焼成後のX線回折法による定性分析の結果である。
定性分析の結果から、焼成後の試料6にはCu結晶が存在しないことが確認された。

0040

実施例10
金属粒子3をフラックスと混合したペースト状の接合材(以下、試料7とする)を作製した。フラックスは、ロジン、活性剤、チキソ剤などから成る。
図13Aは、実施例10で用いた試料7の焼成前の光学顕微鏡像と、試料7をCu板301で挟んで280℃で焼成した接合部の断面SEM像であり、図13Bは焼成後のX線回折法による定性分析の結果である。
定性分析の結果から、焼成後の試料7にはCu結晶が存在しないことが確認された。

0041

比較例1
アトマイズ法によってSAC合金(Sn-3Ag-0.5Cu)から金属粒子4を作製した。
図14A、Bは、金属粒子4の断面STEM像である。Snの結晶42が大きく成長し、前記Snの結晶42同士の間に金属間化合物41が存在するセル構造となっている。
図14Cは、金属粒子4の断面TEM像である。Snの結晶42同士の界面43は、アモルファスであることを示している。

0042

比較例2
金属粒子4をフラックスと混合したペースト状の接合材(以下、試料8とする)を作製した。フラックスは、ロジン、活性剤、チキソ剤などをから成る。
図15は、比較例2で用いた試料8をCu板301で挟んで230℃で焼成した接合部の断面SEM像である。接合層501とCu板301の界面にボイド15が発生していることが確認された。

0043

試料1〜8を焼成し、-40℃〜150℃、-40℃〜175℃、-40℃〜200℃の温度範囲で冷熱サイクル試験を行った。
その結果を表3に示す。なお、表3中の○はボイド、割れひびはがれなどの不具合がないことを示し、×は前記の不具合が発生ことを示している。

0044

0045

比較例2で用いた試料8は、-40℃〜150℃の温度範囲での50、200サイクル試験では良好な接合を維持しているが、それ以外の条件では剥離、ボイド、空隙などが生じて接合を維持することが出来ない。
本発明の金属粒子を用いて作製した試料1〜7については、-40℃〜150℃および-40℃〜175℃の温度範囲では良好な接合を維持している。
-40℃〜200℃の温度範囲でのサイクル試験では、不具合が生じているサンプルがあるが、Niを添加することで改善することがわかった。

0046

図16は、試料1〜8を焼成した直後の接合部断面の光学顕微鏡画像と、-40℃〜200℃の温度範囲で1000サイクルの冷熱サイクル試験を行った後の接合部断面の光学顕微鏡画像である。
16A:試料1をCu板301で挟んで280℃で焼成した直後と1000サイクル試験後の接合部断面。
焼成直後は良好な接合層501を形成しているが、1000cycle後は剥離・空隙15が生じている。
16B:試料2をCu板301で挟んで280℃で焼成した直後と1000サイクル試験後の接合部断面。
焼成直後は良好な接合層501を形成しているが、1000cycle後は剥離・空隙15が生じている。
16C:試料3をCu板301で挟んで280℃で焼成した直後と1000サイクル試験後の接合部断面。
1000cycle後も良好な接合層501を保っている。
16D:試料4(2層構造)の金属粒子1側のシート面と、Cu板301とを合わせて280℃で焼成した直後と1000サイクル試験後の接合部断面。
焼成直後は良好な接合層501を形成しているが、1000cycle後は剥離・空隙15が生じている。
16E:試料5(2層構造)の試料1側のシート面と、Cu板301とを合わせて280℃で焼成した直後と1000サイクル試験後の接合部断面。
1000cycle後も良好な接合層501を保っている。
16F:試料6をSiチップ101とCu板301で挟んで280℃で焼成した直後と1000サイクル試験後の接合部断面。
焼成直後は良好な接合層501を形成しているが、1000cycle後は剥離・空隙15が生じている。
16G:試料7をSiチップ101とCu板301で挟んで280℃で焼成した直後と1000サイクル試験後の接合部断面。
1000cycle後も良好な接合層501を保っている。
16H:試料8をCu板301で挟んで230℃で焼成した直後と1000サイクル試験後の接合部断面。
焼成直後は良好な接合層501を形成しているが、1000cycle後は広範囲に剥離・空隙15が生じている。

実施例

0047

以上、添付図面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。

0048

1、2、3、4金属粒子
11金属間化合物結晶
12 Sn結晶
13 11と12との界面
14Cu領域
15ボイド(空隙)
21金属間化合物領域
22Sn領域
101Siチップ
111 金属間化合物領域
121 Sn領域
141 Cu領域
301Cu板
501接合層
31粒状化室
302 蓋
303ノズル
304皿形回転ディスク
305 ノズル
306排出管
307電気炉
308混合ガスタンク
309配管
311 弁
312排気装置
313 弁
314 排気装置
315 自動フィルター
316 微粒子回収装置

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