特許 6374072 接合構造部

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6374072

(24)【登録日】2018年7月27日

(45)【発行日】2018年8月15日

(54)【発明の名称】接合構造部

(51)【国際特許分類】

   B23K 35/14 20060101AFI20180806BHJP

   H01L 21/52 20060101ALI20180806BHJP

   B22F 1/02 20060101ALN20180806BHJP

   B22F 1/00 20060101ALN20180806BHJP

   B23K 35/26 20060101ALN20180806BHJP

   C22C 13/00 20060101ALN20180806BHJP

【ＦＩ】

   B23K35/14 Z

   H01L21/52 A

   !B22F1/02 B

   !B22F1/00 L

   !B23K35/26 310A

   !C22C13/00

   !B22F1/00 R

   !B22F1/02 D

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-170833(P2017-170833)

(22)【出願日】2017年9月6日

【審査請求日】2017年9月11日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】504034585

【氏名又は名称】有限会社 ナプラ

(74)【代理人】

【識別番号】100089875

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 茂

(72)【発明者】

【氏名】関根 重信

【審査官】 國方 康伸

(56)【参考文献】

【文献】 特許第６０４２５７７（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特許第６１７４８３０（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ １／００− ８／００

Ｃ２２Ｃ １／００

Ｈ０５Ｋ ３／３２− ３／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属間化合物および金属母相を含み、金属体または合金体を接合している接合構造部であって、
前記金属間化合物は、ＳｎおよびＣｕを含み、
前記金属母相は、Ｓｎ−Ｃｕ合金および空隙を含み、
前記接合構造部に対する前記空隙の体積比率が、５％〜５０％である、
ことを特徴とする接合構造部。

【請求項2】

前記接合構造部は、前記金属間化合物を３〜８５体積％含むことを特徴とする請求項１に記載の接合構造部。

【請求項3】

前記金属間化合物および前記金属母相が、エンドタキシャル接合してなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の接合構造部。

【請求項4】

前記金属母相および前記金属体または合金体が、エピタキシャル接合してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の接合構造部。

【請求項5】

請求項１または２に記載の接合構造部を有する、半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属または合金体を接合した接合構造部に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩｏＴ（Internet of Things）の進展や、一層の省エネルギーが求められる中で、その技術の核心を担うパワー半導体の重要性が益々高まっている。しかしながら、その活用には多くの課題がある。パワー半導体は、高電圧、大電流の大きな電力を扱うことから、多くの熱を発して高温となる。現行のＳｉパワー半導体の動作温度は約１７５℃であるが、ＳｉＣやＧａＮのような次世代のパワー半導体の動作温度は３００〜５００℃にも達する。したがって当然、チップと基板の接合には高い温度に耐える材料が必要になる。しかし、これまでにこの要求に応える接合材は存在しなかった。例えば、特許文献１に開示されている。SnAgCu系接合材（粉末はんだ材料）では、到底上述した要求を満たすことができない。

【0003】

パワー半導体が十分に性能を発揮するためには、接合材の制約を解消する必要がある。高耐熱性および高信頼性を有し、かつ鉛のような環境汚染物質を使用しない接合材が投入されれば、パワー半導体を使用するパワーエレクトロニクス産業は飛躍的に成長することが予測される。

【0004】

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、金属間化合物の網目状から成り、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、金属粒子を提案している。この金属粒子により形成された接合構造部は、長時間にわたって高温動作状態が継続した場合でも、また、高温動作状態から低温停止状態へと大きな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、接合強度及び機械的強度を維持することができる。
しかし、金属間化合物は脆いという弱点があり、この問題点を解決すれば、更に高い耐熱性、接合強度及び機械的強度を有する接合材を提供できることになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７−２６８５６９号公報

【特許文献2】特許第６０２９２２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、優れた接合強度および機械的強度を維持できる接合構造部を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者は鋭意検討を重ねた結果、金属間化合物および金属母相を含み、金属体または合金体を接合している接合構造部であって、前記金属母相に空隙を存在させ、その存在割合を適切に設定することによって前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、以下の通りである。

【0008】

１．金属間化合物および金属母相を含み、金属体または合金体を接合している接合構造部であって、
前記金属間化合物は、ＳｎおよびＣｕを含み、
前記金属母相は、Ｓｎ−Ｃｕ合金および空隙を含み、
前記接合構造部に対する前記空隙の体積比率が、５％〜５０％である、
ことを特徴とする接合構造部。
２．前記接合構造部が、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｂ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｚｎ、ＣｒおよびＣｏから選択された少なくとも１種の金属を含むことを特徴とする前記１に記載の接合構造部。
３．前記接合構造部は、前記金属間化合物を３〜８５体積％含むことを特徴とする前記１または２に記載の接合構造部。
４．前記金属間化合物および前記金属母相が、エンドタキシャル接合してなることを特徴とする前記１〜３のいずれかに記載の接合構造部。
５．前記金属母相および前記金属体または合金体が、エピタキシャル接合してなることを特徴とする前記１〜４のいずれかに記載の接合構造部。
６．前記１〜３のいずれかに記載の接合構造部を有する、半導体装置。

【発明の効果】

【0009】

一般的に、Ｓｎは常温では正方晶のβ−Ｓｎとして存在するが、１３℃以下の低温になると立方晶のα−Ｓｎに変態移行する。また、β−Ｓｎは１６１〜２００℃の高温領域で斜方晶のγ−Ｓｎに変態移行し、これらの結晶状態の変態時に結晶の体積膨張・収縮が生じる。本発明者の検討によれば、このような現象は、Ｓｎ−Ｃｕ合金にも見られる現象であることが判明した。
本発明の接合構造部は、ＳｎおよびＣｕを含む金属間化合物とＳｎ−Ｃｕ合金を含む金属母相とを含み、前記金属母相中に空隙が特定範囲で存在しているため、温度変化による上記結晶状態の変態が起きても空隙にて応力吸収が行われ、金属間化合物及び金属母相への応力衝撃が緩和される。また、本発明の接合構造部は、金属間化合物による高温耐熱性を有し、空隙を含む金属母相によって高い柔軟性をも兼ね備える。したがって、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、優れた接合強度および機械的強度を維持することができる。
また、本発明の接合構造部は、前記金属間化合物および前記金属母相が、エンドタキシャル接合を形成し得る。エンドタキシャル接合は、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含む金属母相中に金属間化合物が溶融時に反応析出し固化時に金属母相との結合した状態で発現し、両者が格子間レベルで接合している形態である。このようなエンドタキシャル接合によって、両者の接合強度を非常に高く保つことができ、金属間化合物の脆さを克服できる。
さらに、本発明の接合構造部は、前記金属母相および前記金属体または合金体が、エピタキシャル接合を形成し得る。エピタキシャル接合とは、下地の金属または合金体（例えば電極）界面上に結晶成長が行われ、下地の結晶面と、金属母相のＳｎ−Ｃｕ合金とが結晶面同士で接合している状態を意味する。エピタキシャル接合によって、電極界面の結晶構造が安定し、その結果、本発明の接合構造部は、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、長期にわたって高い耐熱性、接合強度及び機械強度が維持されることになる。
このように本発明によれば、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、優れた接合強度および機械的強度を維持できる接合構造部を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の金属粒子の電子顕微鏡写真である。

【図2】実施例で調製された、シランカップリング剤がコーティングされたＣｕ粒子の光学顕微鏡写真である。

【図3】実施例で得られた接合構造部の断面の光学顕微鏡写真である。

【図4】実施例で得られた接合構造部において、金属間化合物および金属母相が、エンドタキシャル接合している状態を示すＴＥＭ像である。

【図5】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

【図6A】実施例で得られた接合構造部断面のＴＥＭ像である。

【図6B】図６ＡにおけるＣｕ電極と接合構造部の界面のＴＥＭ像の拡大図である。

【図7】Ｎｉ電極と接合構造部との界面のＴＥＭ像である。

【図8】冷熱サイクル試験における本発明に係わる接合構造部およびＳＡＣ３０５の接合構造部のせん断強度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明をさらに詳しく説明する。
先に、本明細書において使用する用語について、次の通りに定義しておく。
（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、金属間化合物のコンポジット構造、又それらの組み合わせを含むことがある。
（２）ナノとは、１μｍ（１０００ｎｍ）以下の大きさをいう。
（３）金属母相とは、その他の成分を用いてバルク化したときに、それらを支持する母材となる金属又は合金のことをいう。
（４）エント゛タキシャル接合構造とは、金属、合金となる物質中に他（金属間化合物）の物質が存在してなおかつ、対象となる物質間との結晶格子レベルでの接合状態にて結晶粒を構成する構造（例えば合金間、金属間、金属間化合物間）である。

【0012】

本発明の接合構造部においては、前記各成分を特にIMCC ( Intermetallic compound composite：金属間化合物複合化)処理することにより、金属間化合物からなる骨格構造（Skeleton）を形成することができる。なお、一般的にＣｕ粒子をはんだ材料と単に反応させた場合は、Ｃｕ粒子表面に鱗状(Scallop)の金属管化合物（IMC）層が形成されるのみであり、本発明の特徴的な金属母相の空隙や、前記骨格構造を形成するには至らず、本発明の求める効果を得ることができない。
そこで本発明者は検討を重ねた結果、シランカップリング剤がコーティングされたＣｕ粒子と、下記で説明する特定の金属粒子とを用い、金属母相に空隙を存在させ、また好適には前記金属間化合物および前記金属母相間のエンドタキシャル接合と、前記金属母相および前記金属体または合金体間のエピタキシャル接合とを共に形成させることにより、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、優れた接合強度および機械的強度を維持できる接合構造部を提供できることを見出した。
一般的にシランカップリング剤は、水分により加水分解されてシラノールとなり、部分的に縮合してオリゴマー状態となる。この反応に続き、シランカップリング剤は無機質表面（金属表面）に水素結合などにより吸着する。その後、乾燥させることにより脱水縮合反応を起こし強固な化学結合を形成する。
本発明者の検討によれば、Ｃｕ粒子表面にシランカップリング剤の層を形成し、加熱過程での蒸散成分をTG-DTA分析すると、１４０℃付近までの領域では水などの揮発性成分による減量が起こり、２５０℃を超える領域ではシランカップリング剤の縮合が、そしてさらに高温の領域ではシリカ粒子に結合している有機成分の分解による減量が生じることが分かった。更にEGA分析を行うと、高温域でのシランカップリング剤の熱分解ではベンゼンが生じていることが確認された。これまで、コーティング剤としてのシランカップリング剤の構造が壊れて蒸散が起きるのは１８０℃〜１９０℃の温度領域とされてきたが、本発明者の検討では、シランカップリング剤の昇温時の変化は、次のようになることが判明した。
１４０℃以下：水などの揮発成分蒸散が起きる。
２５０℃以上４００℃未満：脱水縮合が生じる。
４００℃以上：シランカップリング剤が分解し、ベンゼンが生成する。
なお、２５０℃以上での「脱水縮合」はシランカップリング剤の塗布乾燥処理時に形成される基本機能であったはずであるが、それが２５０℃以上の温度暴露において再度現れるということは、シランカップリング剤の塗布乾燥処理では脱水縮合前の状態（水素結合によるカップリング剤吸着状態）が一定以上存在することを示している。即ち、IMC-TLPS処理温度領域（250-300℃）ではＣｕ粒子表面には水酸基が多く残留している状態であり、それらが介在することにより上記のようなガス生成を可能にしている。なお本発明者の検討によれば、シランカップリング剤の使用量を適切に設定することにより、金属母相中の空隙量を制御することができることが見出された。
また、シランカップリング剤は、乾燥過程において近傍のCu或いはSnと反応し、微小CuO/Cu₂O、 SnOとして接合領域内に分散される。残余の気体成分は空隙（マイクロボイド）として接合領域全体のCTE（線膨張係数）を低減させる。また、Siは4Cu96Sn領域（CuSn10）に取り込まれ、既にある4Cuと共にSn格子間距離を縮小する作用を持ち、IMCコロニーと4Cu96Sn領域（CuSn10）との格子間距離の整合に寄与する（エピタキシャル性）。

【0013】

本発明に使用されるシランカップリング剤がコーティングされたＣｕ粒子において、シランカップリング剤の使用量は、Ｃｕ粒子に対し、例えば0.1wt〜1wt％であり、好ましくは0.3wt％である。この範囲でシランカップリング剤を使用することにより、例えばＣｕ粒子表面の酸素量を、500ｐｐｍ〜2000ｐｐｍ、好ましくは800ppmに制御でき、本発明の接合構造部における空隙を形成し易くなる。

【0014】

シランカップリング剤としては、とくに制限されないが、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノシラン類；γ−メルカプトプロピルトリメトキシシランやγ−メルカプトプロピルトリエトキシシラン等のメルカプトシラン類；エポキシシラン類；ビニルシラン類等が挙げられる。シランカップリング剤は、使用時には蒸留水を用いて100〜1000倍に希釈した水溶液とすることが好ましく、さらに好ましくは、300倍に希釈した水溶液である。

【0015】

Ｃｕ粒子にシランカップリング剤をコーティングする方法としては、例えば前記のように調製したシランカップリング剤の水溶液を用い、Ｃｕ粒子：該水溶液の体積比を１：１として混合し、ドライスプレーで乾燥する方法等が挙げられる。

【0016】

シランカップリングのコーティングの厚みは、例えば２〜20nmであり、好ましくは10nmである。

【0017】

なお、本発明に使用されるＣｕ粒子は、Ｃｕ単体であることができ、および／または、Ｃｕ合金であることもできる。

【0018】

本発明に使用される特定の金属粒子（以下、本発明の金属粒子と呼ぶことがある）は、金属母相および金属間化合物から構成されてなる。

【0019】

金属母相は、Ｓｎ−Ｃｕ合金を含み、Ｓｎを８０〜９９．５質量％およびＣｕを０．５〜２０質量％含むのが好適である。また、金属母相は、酸素量が５００ｐｐｍ以上であることが好ましい。このような本発明の金属粒子を用いることにより、接合構造部における空隙を形成し易くなり、さらに耐熱性が向上し、高信頼性となる。金属母相における酸素量の調整は、例えば金属粒子を湿度６０％〜９０％の雰囲気内に１時間〜２時間放置することにより可能である。また、本発明の金属粒子は、Ｃｕ粒子をコーティングしたシランカップリング剤の存在によって、微量の酸化物（主にSnO）で覆われ、また表面にはＨ_２ＯおよびＯＨ基が存在し、酸素量が１０００ｐｐｍ以上となり得る。

【0020】

また本発明の金属粒子は、金属間化合物を３〜８５体積％含むことが好ましく、１０〜７５体積％含むことがさらに好ましい。このような本発明の金属粒子を用いることにより、接合構造部における空隙を形成し易くなり、さらに耐熱性が向上し、高信頼性となる。

【0021】

また本発明の金属粒子における金属間化合物は、Ｃｕ_XＳｎ_Yを含むことが好ましい（ただし、ｘおよびｙは金属間化合物となり得る任意の数を表し、例えばＣｕ_５Ｓｎ_６等が挙げられる）。

【0022】

本発明の金属粒子は、ＣｕおよびＳｎを組み合わせた原材料により製造することができる。例えば、８質量％Ｃｕおよび９２質量％Ｓｎの組成の原材料（以下８Ｃｕ・９２Ｓｎと称する）を採用することができる。例えば、８Ｃｕ・９２Ｓｎを溶融し溶融金属とし、これを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、強制的に作られた遠心場内に遠心力等により該溶融金属を小滴として飛散させる。その際、環境条件を下記で説明するように適切に制御し、該溶融金属を急速冷却固化させ、強制的に自己組織化させることにより、本発明の金属粒子を得ることができる。

【0023】

金属粒子の製造に好適な製造装置の一例を図５を参照して説明する。粒状化室１は上部が円筒状、下部がコーン状になっており、上部に蓋２を有する。蓋２の中心部には垂直にノズル３が挿入され、ノズル３の直下には皿形回転ディスク４が設けられている。符号５は皿形回転ディスク４を上下に移動可能に支持する機構である。また粒状化室１のコーン部分の下端には生成した粒子の排出管６が接続されている。ノズル３の上部は粒状化する金属を溶融する電気炉（高周波炉）７に接続されている。混合ガスタンク８で所定の成分に調整された雰囲気ガスは配管９及び配管１０により粒状化室１内部及び電気炉７上部にそれぞれ供給される。粒状化室１内の圧力は弁１１及び排気装置１２、電気炉７内の圧力は弁１３及び排気装置１４によりそれぞれ制御される。ノズル３から皿形回転ディスク４上に供給された溶融金属は皿形回転ディスク４による遠心力と回転軸沿いからの吹き上げ気流１７が作り出す平行気流環境遠心場内での作用で微細な液滴状になって飛散し、冷却されて固体粒子になる。生成した固体粒子は排出管６から自動フィルター１５に供給され分別される。符号１６は微粒子回収装置である。

【0024】

高速回転体が円盤状又は円錐状の場合尚遠心場が無い場合は、溶融金属が回転体のどの位置に供給されるのかによって溶融金属にかかる遠心力が大きく異なるので、粒の揃った球状粉体を得にくい。だが回転シャフト下部から不活性ガスを吹き上げデスク下部に充て遠心力にて均一な気流を造り回転中心から２ｍ範囲内に遠心場を作り出す事にて高速回転する皿形ディスク上に供給した場合は、その皿形の周縁位置における均一な遠心力を受け粒の揃った小滴に分散して飛散する。飛散した小滴は遠心場雰囲気ガス中で急速に冷却し、固化した小粒となって落下し、回収される。

【0025】

溶融金属を急速冷却固化させ、強制的に自己組織化させる際に適用される条件は、本発明の金属粒子を得る際、とくに金属間化合物を形成する際に重要となる。
例えば次のような条件が挙げられる。
皿形回転ディスク４：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１：供給する雰囲気ガス温度を１５〜５０℃とする。粒状化室１内の酸素濃度を０ｐｐｍ以下とする。粒状化室１内の気圧を１×１０^−１Ｐａ以下とする。
これら条件により製造された金属粒子の粒径は、例えば直径２０μｍ以下であり、典型期には２μｍ〜１０μｍである。

【0026】

このようにして得られた金属粒子を、本発明の接合構造部の形成に用いることにより、接合構造部における前記金属間化合物と前記金属母相とのエンドタキシャル接合を可能にし、かつ、前記金属母相と前記金属体または合金体とのエピタキシャル接合を可能にする。

【0027】

図１は、本発明の金属粒子の表面をＡｒスパッター研磨した金属粒子の電子顕微鏡写真（Ｎｏ．１）と、金属粒子をFIB(集束イオンビーム)で薄くカッティングした金属粒子断面電子顕微鏡写真（Ｎｏ．２）である。Ｎｏ．１で示される金属粒子の粒径は、およそ５μｍである。また、Ｎｏ．２の金属粒子を参照すると、該金属粒子は、Ｓｎ−Ｃｕ合金（例えば４Ｃｕ９６Ｓｎ）を含む金属母相１４０中に、ＳｎおよびＣｕからなる金属間化合物１２０を有する。また、金属間化合物１２０は偏在してコロニー領域を形成する。

【0028】

本発明の接合構造部は、前記シランカップリング剤がコーティングされたＣｕ粒子および前記本発明の金属粒子を、プリホームシートあるいはペーストに加工し、これを接合すべき２つの部材間で溶融・固化させることにより、形成することができる。

【0029】

前記プリホームシートにおいて、前記シランカップリング剤がコーティングされたＣｕ粒子の割合は、例えば２〜５０体積％であり、１０〜３０体積％が好ましい。また、前記本発明の金属粒子の割合は、例えば９８〜５０体積％であり、９０〜７０体積％が好ましい。

【0030】

前記プリホームシートは、各材料を、例えば冷間圧接法を用いた金属間接合によって処理することによって得ることができる。冷間圧接法を用いた金属間接合それ自体は、種々知られている。本発明においては、それらの公知技術を適用することができる。例えば、対向する向きに回転する一対の圧接ローラの間に、前記各材料を供給し、圧接ローラによって圧力を加えて、各材料間に金属間接合を生じさせる。実際の処理に当たっては、圧接ローラから各材料に１００℃前後の熱を加えることが望ましい。これにより前記プリホームシートが得られる。

【0031】

前記冷間圧接法を用いた金属間接合処理を施してプリホームシートを得た場合、プリホームシートの内部では、本発明の金属粒子は、外形形状は変化するものの、粒子の内部構造は、ほぼ、原形を保っている。即ち、プリホームシートは、ＳｎおよびＣｕからなる金属間化合物とＳｎ−Ｃｕ合金を含む金属母相とを有し、前記Ｓｎ−Ｃｕ合金は、前記金属間化合物とエンドタキシャル接合している。従って、成形体は、本発明の金属粒子の機能する作用効果をそのまま保存している。

【0032】

次に、プリホームシートを接合すべき２つの部材間に介在させ、焼成（焼き付け処理）することで接合構造部が形成される。焼き付け処理温度は、例えば２５０℃であり、焼き付け処理時間は適宜調整される。
あるいは、前記各材料を用いて接合構造部を効率的に形成するため、例えば、前記各材料を有機ビヒクル中に混在させた導電性ペーストを形成する。
そして、接合すべき２つの部材の一方の面にこの導電性ペーストを塗布し、焼成（焼き付け処理）することで接合構造部が形成される。焼き付け処理温度は、例えば２５０℃であり、焼き付け処理時間は適宜調整される。

【0033】

また、接合構造部形成時のプリホームシートまたはペーストに対する外圧は、例えば0.1ＭＰａ〜0.001ＭＰａであるのが好ましく、この圧力範囲であれば、金属母相内に所望の空隙を生じさせることができる。

【0034】

前記接合構造部に対する前記空隙の体積比率は、５％〜５０％であり、好ましくは３０％〜３５％である。このような空隙の割合によれば、接合構造部における物理的および電気的特性に悪影響を及ぼすことなく、極高温ないし極低温環境の過酷な温度変動に対しても、優れた接合強度および機械的強度を維持できる。

【0035】

前記空隙のサイズは、円相当径として、例えば１μｍ〜２０μｍである。

【0036】

前記空隙の体積比率は、公知の方法により測定可能である。例えば、金属母相の断面顕微鏡写真から、空隙の相対面積計測を行い、フィッティング係数をもとにして、金属母相における空隙の相対体積比率を求めることにより、前記空隙の体積比率を測定することができる。

【0037】

なお、前記プリホームシートまたは前記導電性ペーストには、本発明の効果を損ねない範囲において、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｂ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｚｎ、ＣｒおよびＣｏから選択された少なくとも１種の金属を含むことも可能である。例えばＳｎより導電性が高い金属と組み合わせると、導電性がよく、かつ、比較的幅広い温度領域で体積変化が抑制された接合構造部が得られる。

【実施例】

【0038】

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、本発明は下記例に制限されない。

【0039】

（シランカップリング剤がコーティングされたＣｕ粒子の作成）
直径約５μｍのＣｕ粒子に対し、シランカップリング剤として信越化学工業（株）製KBM-1403を用い、0.3質量％水溶液を調製し、Ｃｕ粒子：該水溶液の体積比を１：１として混合し、ドライスプレーで乾燥することによりＣｕ粒子にシランカップリング剤をコーティングした。また、Ｃｕ粒子表面の酸素量は、８００ｐｐｍであった。

【0040】

図２は、このように作成されたＣｕ粒子のＳＴＥＭ像である。図２から、Ｃｕ粒子の表面にシランカップリングのコーティング層が形成されていることが分かる。コーティング層の厚みは、約１０nmであった。

【0041】

（本発明の金属粒子の作成）
原材料として８Ｃｕ・９２Ｓｎを用い、図５に示す製造装置により、直径約３〜１０μｍの金属粒子を製造した。
その際、溶融金属を急速冷却固化させ、強制的に自己組織化させる際に適用される条件としては、以下の条件を採用した。
皿形回転ディスク４：内径６０ｍｍ、深さ３ｍｍの皿形ディスクを用い、毎分８万〜１０万回転とした。
粒状化室１：供給する雰囲気ガス温度を３０〜５０℃とし、粒状化室１内の酸素濃度を００ｐｐｍ以下とし、粒状化室１内の気圧を１×１０^−１Ｐａとした。

【0042】

得られた金属粒子７０質量部と、シランカップリング剤がコーティングされたＣｕ粒子３０質量部とを均一に混合し、冷間圧接法により、プリホームシートを調製した（７０μm厚）。

【0043】

上記シートを金属体としてのＣｕ電極間に挟み、Ｓｎのもつ融点（231.9℃）でシートを初期融解させ、真空下で、0.01ＭＰａの加圧条件でプレスし、空隙を有する接合構造部を形成した。なお、接合構造部の凝固後の再溶融温度は、Snよりも高融点であるCu_xSn_yのもつ融点（Cu₃Sn:約676℃、Cu₆Sn₅:約435℃）によって支配される。したがって、耐熱性に優れた高信頼性及び高品質の接合構造部を形成し得る。接合構造部におけるこの特性は、発熱量の大きな電力制御用半導体素子のための電気配線及び導電性接合材として有効であった。

【0044】

図３（ａ）は、実施例で得られた接合構造部の断面の顕微鏡写真であり、図３（ｂ）は、空隙（濃色の円形部）の拡大写真である。
図３（ａ）において、接合構造部３００は、対向配置された基板（図示せず）に形成された金属/合金体１０１、５０１（図１ではＣｕ電極）を接合している。接合構造部３００は、金属間化合物および空隙を含有する金属母相（淡色）を含み、金属間化合物は、ＳｎおよびＣｕからなり（例えばＣｕ_６Ｓｎ_５（その他Ｃｕ_３Ｓｎ）、濃色）、金属母相はＳｎ−Ｃｕ合金を含む。金属母相には、図３（ｂ）から平均直径18μｍの空隙が存在することが判明した。

【0045】

また、接合構造部において、前記接合構造部に対する前記空隙の体積比率は、約３０％ であった。
また、接合構造部において、前記金属間化合物は６１体積％含まれていた。

【0046】

なお、基板は、半導体素子を備え、例えばパワーデバイスなどの電子・電気機器を構成する基板であり、金属/合金体１０１，５０１は、電極、バンプ、端子またはリード導体などとして、基板に一体的に設けられている接続部材である。パワーデバイスなどの電子・電気機器では、金属/合金体１０１，５０１は、一般にはＣｕまたはその合金として構成される。もっとも、基板に相当する部分が、金属/合金体で構成されたものを排除するものではない。

【0047】

図４は、実施例で得られた接合構造部断面における、金属間化合物と金属母相との関係を示すＴＥＭ像である。図４から、金属間化合物との界面での接合がエンドタキシャル接合であることが観察された。なお、図４で示すようなエンドタキシャル接合は、金属間化合物と金属母相との接合面の全体を１００％としたとき、３０％以上が好ましく、６０％以上がさらに好ましい。前記エンドタキシャル接合構造の割合は、例えば次のようにして算出できる。接合構造部の断面を電子顕微鏡写真撮影し、金属間化合物と金属母相との接合面を任意に５０か所サンプリングする。続いて、その接合面を画像解析し、図４で示すようなエンドタキシャル接合構造が、サンプリングした接合面に対してどの程度存在するのかを調べる。

【0048】

図６Ａは、実施例で得られた接合構造部断面のＴＥＭ像であり、図６Ｂは、図６ＡにおけるＣｕ電極と接合構造部の界面のＴＥＭ像の拡大図である。
図６Ａおよび図６Ｂから、金属母相のＳｎ−Ｃｕ合金（淡色部）が、Ｃｕ電極（濃色部）とエピタキシャル接合していることが認められた。

【0049】

なお、本発明における金属体または合金体からなる電極は、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｂ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｚｎ、ＣｒおよびＣｏから選択された少なくとも１種の金属、合金体または金属間化合物であることができ、これら各種物質と、金属母相であるＳｎ−Ｃｕ合金とは、エピタキシャル接合を形成することができる。

【0050】

図７は、上記実施例におけるＣｕ電極をＮｉ電極に置き換えたときの、Ｎｉ電極と接合構造部との界面のＴＥＭ像である。金属母相のＳｎ−Ｃｕ合金が、Ｎｉ電極とエピタキシャル接合していることが認められた。なお、図７において、黒い下地がシリコン上に形成されたＮｉ電極（Ｎｉ層（１．５μm））であり、このＮｉ層上に反応層として金属母相内のＳｎ−Ｃｕ合金（０．８μm）がエピタキシャル接合を形成している。反応層上には、Ｓｎ−Ｃｕ合金・金属間化合物の層が形成されている。

【0051】

また、本発明の実施例の上記接合構造部の（-４０〜２５０℃）の冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）では、約２００サイクルを超えたあたりから、全サイクル（１０００サイクル）に渡って、せん断強度が約５０〜６０ＭＰaで安定するという試験結果が得られた（図８参照）。これに対し、ＳＡＣ３０５を用いて形成した接合構造部では、せん断強度は、試験開始から低い値を示し、２００サイクルではほぼゼロであり、接合状態を保てない（図８参照）。

【0052】

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。

【符号の説明】

【0053】

１ 粒状化室
２ 蓋
３ ノズル
４ 皿形回転ディスク
５ 回転ディスク支持機構
６ 粒子排出管
７ 電気炉
８ 混合ガスタンク
９ 配管
１０ 配管
１１ 弁
１２ 排気装置
１３ 弁
１４ 排気装置
１５ 自動フィルター
１６ 微粒子回収装置
１２０ 金属間化合物
１４０ 金属母相
１０１，５０１ 金属/合金体
３００ 接合構造部

【要約】

【課題】ＩｏＴの進展や、一層の省エネルギーが求められる中で、その技術の核心を担うパワー半導体の重要性が益々高まっている。パワー半導体は、高電圧、大電流の大きな電力を扱うことから、多くの熱を発して高温となる。したがって当然、チップと基板の接合には高い温度に耐える材料が必要になるが、これまでにこの要求に応える接合材は存在しなかった。
【解決手段】金属間化合物および金属母相を含み、金属体または合金体を接合している接合構造部であって、前記金属間化合物は、ＳｎおよびＣｕを含み、前記金属母相は、Ｓｎ−Ｃｕ合金および空隙を含み、前記接合構造部に対する前記空隙の体積比率が、５％〜５０％である接合構造部によって上記課題を解決した。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】